Potere calorifico

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Il potere calorifico è la quantità massima di energia che si può ricavare convertendo completamente una massa unitaria di un vettore energetico in condizioni standard. Misura pertanto la sua validità dato che il principale problema nell'utilizzo dei vettori energetici è appunto l'ingombro, che per un solido e un liquido è solitamente rappresentato dalla massa, mentre per un gas o un plasma corrisponde solitamente al volume. Se si sceglie la combustione come conversione, esso coincide con l'entalpia standard massica o volumica di combustione del combustibile.

Unità di misura[modifica | modifica wikitesto]

Si misura in MJ/kg nel Sistema Internazionale o, in forma ormai obsoleta, in Kcal/kg, o BTU/lb.

Usualmente però per i combustibili gassosi ci si riferisce alla quantità di sostanza in Nm³, o in Sm³.

Generalmente si distingue tra:

  • Potere calorifico superiore (ΔcHso, meno correttamente indicato come PCS o come HHV)
  • Potere calorifico inferiore (ΔcHio, meno correttamente indicato come PCI o come LHV).

Potere calorifico superiore[modifica | modifica wikitesto]

Il potere calorifico superiorecHso) è la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente.

La determinazione del potere calorifico si può ottenere approssimativamente col calcolo, in base all'analisi elementare del combustibile, oppure direttamente mediante l'uso di appositi strumenti calorimetrici.

Nel primo caso si determina la massa degli elementi combustibili, carbonio (C), idrogeno (H), zolfo (S) contenuta in un chilogrammo di combustibile mediante l'analisi chimica elementare, quindi si valuta l'apporto di calore fornito da ciascuno di essi e si sommano i risultati. Il calcolo fornisce un valore approssimato perché la quantità di calore ottenuto dipende anche dalla forza dei legami chimici nelle molecole del combustibile di partenza.
Ad esempio, considerando che 1 kg di carbonio sviluppa nella combustione circa 33 MJ e che 1 kg di idrogeno sviluppa circa 120 MJ e avendo un olio combustibile con un tenore di carbonio dell'85,5% e di idrogeno dell'11,5% in massa (cioè 0,855 kgC di carbonio e 0,115 kgH2 di idrogeno per 1 kgf di olio), col rimanente 3% costituito da materia inerte, il suo potere calorifico superiore sarebbe:

ΔcHso = 0,855 kgC/kgf · 33 MJ/kgC + 0,115 kgH2/kgf · 120 MJ/kgH2 = 42,015 MJ/kgf

Il potere calorifico superiore si determina invece direttamente mediante la bomba calorimetrica di Mahler o apparecchi simili, in cui si fa avvenire una reazione stechiometrica completa tra un quantità ben determinata di combustibile e l'ossigeno. Il calore prodotto dalla reazione viene assorbito da una massa nota di acqua (o di altro liquido), di cui si misura l'aumento della temperatura. Di qui si risale alla quantità di calore scambiata.

Formula di Dulong[modifica | modifica wikitesto]

La formula di Dulong è una relazione empirica per il calcolo del potere calorifico superiore, che combina le principali reazioni di combustione considerando l'energia sprigionata da ciascuna di essa.

ΔcHso = 32,79 MJ/kg wC + 150,4 (wH - wO/8) + 9,26 wS + 4,97 wO + 2,42 wN

dove wi è la frazione massica dell'elemento i-esimo nel campione.

Potere calorifico inferiore[modifica | modifica wikitesto]

Tipicamente, nelle combustioni normali i prodotti della combustione sono rilasciati a temperatura più alta di quella di riferimento del combustibile. Così, una parte del calore teoricamente disponibile si 'disperde' per il riscaldamento dei fumi e, soprattutto, per la vaporizzazione dell'acqua prodotta dalla combustione. Si tenga conto che, per ogni grado di aumento della temperatura dei fumi, servono circa 1 kJ/kg di fumi e che per ogni kg di vapore d'acqua nei fumi servono circa 2,5 MJ per calore latente di vaporizzazione a 100 °C.

Convenzionalmente si definisce potere calorifico inferiore ΔcHio "il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la combustione".

Questo è il valore a cui si fa usualmente riferimento quando si parla di potere calorifico di un combustibile e di rendimento di una macchina termica.

Nelle moderne caldaie a condensazione si riesce a recuperare parte del calore latente del vapor d'acqua. Questo fatto permette di ricavare, da un kg di combustibile, una quantità di calore maggiore del potere calorifico inferiore, quindi, con rendimento nominale uguale al 100%, anche se una parte del calore teoricamente disponibile (potere calorifico superiore) continua ad essere dispersa coi fumi.

Per determinare il potere calorifico inferiore mediante l’analisi elementare bisogna prima determinare il potere calorifico superiore e poi sottrarre da questo 2,5 MJ per ogni kg di vapor d'acqua contenuto nei fumi. Il vapor d'acqua nei fumi sarà dovuto alla combustione dell'idrogeno e all'umidità presente inizialmente nel combustibile

Esempio (trascurando i termini meno importanti):

ΔcHso (C) = 33 MJ/kg
ΔcHso (H) = 143 MJ/kg

Avendo un olio combustibile con un tenore di 85,5% carbonio, 12% idrogeno, 1% umidità:

wC= 0,855
wH= 0,12
wH2O= 0,01

sapendo che:

Rapporto massico di vapore da idrogeno ΔwH2O = 9 kg/kg
Calore assorbito dal vapore per formarsi da acqua liquida ΔfHo (H2O(g)) = 2,5 MJ/kg

si ha:

ΔcHso = wC ΔcHso (C) + wH ΔcHso (H) = (0,855 × 33 MJ/kg) + (0,12 × 143 MJ/kg) = 45 MJ/kg
ΔcHio = ΔcHso - (ΔwH2O wH + wH2O) ΔfHo (H2O(g)) = 45,375 MJ/kg - (9 x 0,12 + 0,01) × 2,5 MJ/kg = 42,65 MJ/kg

In altre parole, il potere calorifico inferiore è uguale al potere calorifico superiore meno il tenore di idrogeno nel combustibile, moltiplicato per 9 e per 2,5, meno il tenore di umidità presente nel combustibile, moltiplicato per 2,5:

 \Delta_c H_i^o = \Delta_c H_s^o - 22{,}5 \frac{MJ}{kg} w^H - 2{,}5 \frac{MJ}{kg} w^{H_2O}

Alcuni valori[modifica | modifica wikitesto]

Il potere calorifico dei vettori energetici commerciali è molto variabile e dipende dall'origine del materiale e dai trattamenti successivamente subiti, perciò i valori in tabella sono puramente indicativi[1].

Il potere calorifico superiore del legno dipende al massimo per il 15 % dalla specie della pianta.
Potere calorifico
di alcuni vettori
Potere calorifico superiore
ΔcHso
Potere calorifico inferiore
ΔcHio
Vettore energetico MJ/kg MJ/Nm³ MJ/Sm³ MJ/kg MJ/Nm³ MJ/Sm³
Biossido di uranio arricchito al 3 %[2] 2 070 000 - - 2 070 000 - -
Mais - - - 22,3 - -
Legna secca[3] (umidità < 15 %) 18,5[4] - - 17[5] - -
Lignina 25,5 - - - - -
Cellulosa 17,8 - - - - -
Resina vegetale 35,8 - - - - -
Torba secca - - - 13 - -
Torba umida - - - 6 - -
Carbone - - - 33,5 - -
Grafite 32,65 - - 32,808 - -
Gas d'altoforno - - - 32,0 - -
Gas illuminante - 19,7 - - 17,5 -
Coke 29.6 - - 34,2 - -
Olio combustibile - - - 41,3[6] - -
Nafta - - - 40,2 - -
Gasolio 47,3[6] 38,4 - 44,4 36,3 -
Cherosene 46,2[6] - - 43,5 - -
Benzina 46,0 - - 43,6 - -
Gas di petrolio liquefatto (GPL) - - - 46,1 - 113
Gas naturale 54 - - 47,7 - 34,54
Etere dimetilico (DME) 31,681 - - 28,882 19,4 -
Benzene 41,8 - - - - -
Trementina 45,40 - - 45,4 - -
Acetilene 49,9 - - - - -
Pentano 45,35 - - - - -
Butano 49,50 - - 45,75 - -
Propano 50,35 - 101,95 46,35 - 93,70
Metano 55,50 35,16 - 50,0 31,65 -
Idrogeno 141,8 12,742 - 120,0 11,109 -
Propanolo 33,6 - - - - -
Etanolo 29,7 - - 27.1 - -
Metanolo 22,7 - - 19,7 - -
Acetone - - - 28,548 - -
Ammoniaca 22,5 - - - - -
Idrazina 19,4 - - - - -
Monossido di Carbonio - - - 10,05 - -
Zolfo - - - 9,163 - -
Zucchero - - - 17 - -

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Ci si può riferire comunque a quest tabella dei laboratori di Oak Ridge: Lower and Higher Heating Values of Gas, Liquid and Solid Fuels
  2. ^ tipico combustibile nucleare, valore calcolato come:  \frac {192{,}9 \frac {MeV}{ U-235} \times 1{,}602 \cdot 10^{-19} \frac {MJ}{MeV} \times 3\,% \frac {U-235}{UOx} \times 6{,}022 \cdot 10^{23} \frac {UOx}{mol UOx}}{0{,}27003 \frac{kg UOx}{mol UOx}}
  3. ^ Hellrigl, Potere calorifico del legno
  4. ^ Hartmann et al, 2000
  5. ^ Più in generale dipende dall'umidità del legno:  \Delta_cH^o_i=(1-w^{H_2O}) \Delta_cH^o_s  - w^{H_2O} 2{,}44\frac{MJ}{kg}
  6. ^ a b c UNI 10389

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]