Potere calorifico

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Il potere calorifico è la quantità 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.

Generalmente si distingue tra:

  • Potere calorifico superiore (PCS); indicato anche come ΔcHso o con la forma inglese Higher Heating Value (HHV). Tiene conto del calore latente di evaporazione dell'acqua generata durante la combustione.
  • Potere calorifico inferiore (PCI); indicato anche come ΔcHio o con la forma inglese Lower Heating Value (LHV). Non tiene conto del calore latente di evaporazione dell'acqua generata durante la combustione

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. Per i combustibili gassosi lo si può trovare riferito alla quantità di sostanza espressa in metro cubo normale (Nm³) o in metro cubo standard (Sm³), a seconda delle condizioni di temperatura e pressione a cui si riferisce la misura di volume.

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, principalmente carbonio (C) e idrogeno (H), eventualmente anche 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, secondo la seguente formula approssimata[1]:

PCS = 32,780 C + 142,107 H [MJ/kg]

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 kgolio di olio), col rimanente 3% costituito da materia inerte, il suo potere calorifico superiore sarebbe:

ΔcHso = 0,855 kgC/kgolio · 32,780 MJ/kgC + 0,115 kgH2/kgolio · 142,107 MJ/kgH2 = 44,369 MJ/kgolio

Invece, la misura diretta del potere calorifico superiore si effettua mediante la bomba calorimetrica di Mahler o apparecchi simili, in cui si fa avvenire una reazione stechiometrica completa tra una 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 esse.

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 si può usare la seguente formula approssimata[1]:

PCI = 32,780 C + 120,075 H [MJ/kg]

Dove si sono assunti (trascurando i termini meno importanti):

ΔcHso (C) = 32,780 MJ/kg
ΔcHso (H) = 120,075 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

si può facilmente ricavare il PCI:

PCI = (0,855 × 32,780 MJ/kg) + (0,12 × 120,075 MJ/kg) = 42,436 MJ/kg

Il potere calorifico inferiore si può anche ricavare dal potere calorifico superiore: noto il PCS, si sottrae 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.

Nell'esempio dell'olio combustibile sopra citato, e 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 × 32,780 MJ/kg) + (0,12 × 142,107 MJ/kg) = 44,369 MJ/kg
ΔcHio = ΔcHso - (ΔwH2O wH + wH2O) ΔfHo (H2O(g)) = 44,369 MJ/kg - (9 x 0,12 + 0,01) × 2,5 MJ/kg = 41,644 MJ/kg

Si può notare che il valore calcolato con le due formule differisce leggermente in quanto si tratta di valutazioni approssimate.

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:

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[2].

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 kWh/Sm³ MJ/kg MJ/Nm³ MJ/Sm³ kWh/Sm³
Biossido di uranio arricchito al 3 %[3] 2 070 000 - - - 2 070 000 - - -
Mais - - - - 13,9 - - -
Legna secca[4] (umidità < 15 %) 18,5[5] - - - 17[6] - - -
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[7] - - -
Nafta - - - - 40,2 - - -
Gasolio 47,3[7] 38400 - - 44,4 36300 - -
Cherosene 46,2[7] - - - 43,5 - - -
Benzina 46,0 - - - 43,6 - - -
Gas di petrolio liquefatto (GPL) - - - - 46,1 - 113 31,39
Gas naturale 54 - - - 47,7 - 34,54 9,59
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 37,09 10,30 50,0 31,65 33,39 9,27
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. ^ a b Nicola Rossi, Manuale del termotecnico, Hoepli, 2014, ISBN 978-88-203-5971-3.
  2. ^ Ci si può riferire comunque a quest tabella dei laboratori di Oak Ridge: Lower and Higher Heating Values of Gas, Liquid and Solid Fuels Archiviato il 20 febbraio 2013 in Internet Archive.
  3. ^ tipico combustibile nucleare, valore calcolato come:
  4. ^ Hellrigl, Potere calorifico del legno[collegamento interrotto]
  5. ^ Hartmann et al, 2000
  6. ^ Più in generale dipende dall'umidità del legno:
  7. ^ a b c UNI 10389

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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