universitÀ degli sudi di camerino dipartimento di scienze e tecnologie percorsi abilitanti speciali...

La caldaia a condensazione; caratteristiche,funzionamento e analisi dei fumi della

combustione

UNIVERSITÀ DEGLI SUDI DI CAMERINODipartimento di Scienze e Tecnologie

Percorsi Abilitanti Speciali PASClasse di concorso C320

Macchine a fluido

Relatore: Ch.mo Prof. Nazareno AgostiniCorrelatore: Tutor Prof. David Vitali

Anno Accademico: 2013/2014

Corsista: Giulio PedinottiMatr. 091972

Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione

Percorso didattico: La caldaia a condensazione

• Contesto scolastico e contestualizzazione curriculare• Le finalità educative• Gli obiettivi in termini di competenza e abilità• I prerequisiti• I nodi concettuali affrontati (contenuti)• Gli eventuali collegamenti interdisciplinari• Gli strumenti ed i materiali utilizzati• La scansione temporale• Le scelte metodologiche• La verifica sulle competenze acquisite• Gli indicatori per la valutazione• L’eventuale recupero e/o approfondimenti


• Scuola: Istituto Professionale per l’Artigianato «G. Benelli» – Pesaro (PU)• Indirizzo: Meccanica, Meccatronica ed Energia• Ambito disciplinare: Macchine a fluido e laboratorio• Studenti: Triennio «Operatore di Impianti Termoidraulici»

biennio anno III

Finalità educativeAcquisizione competenze professionalizzanti per l'inserimento nel mondo del lavoro

Contesto scolastico e contestualizzazione curriculare


Obiettivi: Conoscenze

• Proprietà chimico-fisiche dei combustibili.• Proprietà meccaniche e tecnologiche dei materiali da costruzione e loro

classificazione.• Criteri di utilizzo i generatori di calore in rapporto alle destinazioni d’uso, all’impatto

e alla sostenibilità ambientale.• Principi, rendimenti, risparmio energetico e riduzione delle emissioni inquinanti.• Effettuare la posa in opera degli impianti di riscaldamento ed il loro collaudo finale.• Effettuare manutenzione di tipo ordinaria.• Normativa tecniche degli impianti UNI 10389-2 (Misurazione in opera dei generatori di

calore).


Obiettivi: Abilità

• Riconoscere e comparare le caratteristiche chimiche, fisiche dei combustibili • Scegliere i generatori di calore in rapporto alle destinazioni d’uso, all’impatto ed alla

sostenibilità ambientale, prevedendo il loro comportamento nelle diverse condizioni di impiego

• Collaborare nell’esecuzione di impianti di riscaldamento nel rispetto delle norme tecniche.

• Definire e distinguere generatori di calore tradizionali o a condensazione• Riconoscere le tipologie di caldaie a condensazione più opportune per realizzare

impianti di riscaldamento differenti.• Definire i bruciatori valutandone il comportamento nei confronti del passaggio del

calore


Prerequisiti: Competenze

• Individuare le strategie appropriate per la soluzione di problemi• Osservare, descrivere ed analizzare fenomeni appartenenti alla realtà naturale e

artificiale e riconoscere nelle varie forme i concetti di sistema e di complessità• Essere consapevole delle potenzialità e dei limiti delle tecnologie nel contesto

culturale e sociale in cui vengono applicate

Verifica prerequisiti

I prerequisiti sono stati oggetto di verifiche d’ingresso, in quanto svolti prima di questo percorso didattico. Ove necessario attraverso un ripasso si sottolineeranno i concetti fondamentali.


Nodi concettuali affrontati: Contenuti

LEZIONE

CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE

1 Concetto di risparmio energetico e definizioni Principio di funzionamento

Lezione frontaleIntervento degli studenti

Discussione

LIMLibro di testo

Dispense2

2 Caratteristiche fisiche dei fumi della

combustione


DiscussionePresenza ITP

LIMLibro di testo

Schede tecniche produttoriCampioni in laboratorio

2

3 Rendimenti e curve di lavoro



LIMLibro di testo

Schede tecniche produttoriVisita Centrale Termica

Scuola

2

4 Componentistica principale


Discussione

LIMLibro di testo

Dispense

2

5 Analisi fumi combustione con prova

strumentale Esercitazione in classe e per casa

Prove in LaboratorioRedazione di relazione di

LaboratorioPresenza ITP

Strumentazione di laboratorio

Generatore di calore in centrale termica

2

6

Verifica scritta: prova oggettiva articolata in: Domande aperte Quesiti a risposta multipla Quesiti di collegamento e completamento

Correzione della verifica scritta Consegna della relazione sulle prove di

laboratorio

--------- --------- 2



LEZIONE


1 Storia dei lateriziLezione frontale

Intervento degli studentiDiscussione

LIMLibro di testo

Dispense2

LEZIONE


1 Concetto di risparmio energetico e definizioni Principio di funzionamento


Discussione

LIMLibro di testo

Dispense del professore2

• BENESSERE AMBIENTALE PER L’UTENTE

• RISPARMIO ENERGETICO

RIDUZIONE DELLE

EMISSIONI INQUINANTI

La caldaie a condensazione

Rendimento = energia resa all’impianto/ energia utilizzata Potenza termica utile/Potenza termica focolare

Termoregolazione e sicurezze

bruciatore

scambiatore

mandata

ritorno

Scarico fumi

gas

IL PRINCIPIO

La caldaia a condensazione, può recuperare gran parte del calore latente dei fumi espulsi con il camino. La particolare tecnologia della condensazione consente infatti di raffreddare i fumi fino a farli tornare allo stato di liquido saturo , con un recupero di calore utilizzato per preriscaldare l'acqua di ritorno.

In questo modo la temperatura dei fumi di uscita (che si abbassa a circa 40 °C) è prossima alla temperatura di mandata dell'acqua.

È possibile lavorare con tali temperature dei fumi, quindi condensare, in quanto le caldaie a condensazione utilizzano scambiatori di calore realizzati con metalli resistenti all'acidità delle condense.



LEZIONE


2 Caratteristiche fisiche dei fumi della

combustione



LIMLibro di testo

Schede tecniche produttoriCampioni in laboratorio

2

CALORE LATENTE E POTERE CALORIFICO COMBUSTIBILEIl calore latente (associato a una trasformazione termodinamica) è la quantità di energia necessaria allo svolgimento di una transizione di fase (o passaggio di stato). Ad esempio, il "calore latente di condensazione" è l'energia massica corrispondente al passaggio di un sistema (costituito da una a più sostanze chimiche) dallo stato di vapor d’acqua a quello liquido.L'unità di misura del calore latente λ nel Sistema internazionale è J/kg

-------------------------------

Si definisce potere calorifico di un combustibile l’energia termica sviluppata durante la combustione di 1 Kg di combustibile. Parte di questa energia viene utilizzata per l’evaporazione dell’acqua, se questa viene considerata persa nei fumi si ha il potere calorifico inferiore (è quello che si usa), se si pensa di recuperare l’energia di evaporizzazione dell’acqua si ottiene il potere calorifico superiore. Si misura in MJ/kg nel Sistema Internazionale o in KcaL/kg.

SI DISTINGUE TRA:Potere calorifico superiore (ΔcHs

o, meno correttamente indicato come PCS ).E’ 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.Potere calorifico inferiore (ΔcHi

o, meno correttamente indicato come PCI).Il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la combustione".

LE CALDAIE A CONDENSAZIONELa caldaia a condensazione è una caldaia apparentemente in grado di ottenere un rendimento termodinamico superiore al 90% (potere calorifico inferiore ) del combustibile utilizzato grazie al recupero del calore latente di condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi della combustione. Vi è inoltre una conseguente riduzione delle emissioni di NOx e CO.

Le normali caldaie utilizzano solo una parte del calore sensibile dei fumi di combustione (140~160 °C ) perché occorre evitare la condensazione dei fumi, che dà origine a fenomeni corrosivi. Il vapore acqueo generato dal processo di combustione (circa 1,6 kg/m³ di gas) viene quindi disperso in atmosfera attraverso il camino: la quantità di calore in esso contenuta, definito calore latente, rappresenta l'11% dell'energia liberata dalla combustione, in tali caldaie non è recuperata.

http://it.wikipedia.org/wiki/Caldaia_a_condensazione

http://it.wikipedia.org/wiki/Caldaia_a_condensazione

http://it.wikipedia.org/wiki/Potere_calorifico#Potere_calorifico_inferiore

http://it.wikipedia.org/wiki/Potere_calorifico#Potere_calorifico_inferiore

http://it.wikipedia.org/wiki/Calore_latente

Pcs in JouleGasolio 44000, Benzina 42700, Metano 50000, Idrogeno 120000

http://www.google.it/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=bT5tcpfP8hlkmM&tbnid=J-HBjj802pECyM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.teatronaturale.it/strettamente-tecnico/l-arca-olearia/18218-per-vendere-i-sottoprodotti-oleari-occorre-progettare-una-sansa-destinata-alla-combustione.htm&ei=w2zuUv_KMoiXtQbg5IGYAQ&bvm=bv.60444564,d.bGQ&psig=AFQjCNGCfX3JX2dPIt6qgja3_BvS9VL6UQ&ust=1391443496867280



LEZIONE


3 Rendimenti e curve di lavoro



LIMLibro di testo

Schede tecniche produttoriVisita Centrale Termica

Scuola

2

RENDIMENTI MINIMO SECONDO LA DIRETTIVA EUROPEA 92/42 CE

Rendimento teoricoCaldaie a bassa temperatura Caldaie a condensazione

111%

Dispersionidell‘involucro

qD

1% 1%108%93%

K = 15%K = 93% K = 108%

Valori riferiti al p.c.i. Valori riferiti al p.c.i.

111%

Perdite lato fumi qF6%94%

1%109,0%

Calore latente non sfruttato qC11%

100%1,0%

110,0%

CURVE CARATTERISTICHE ED EFFETTO DELLA MODULAZIONE DELLA POMPA SUL RENDIMENTO

Punto di rugiada

80

Tem

per

atu

re i

mp

ian

to [

°C]

-15 -10 -5 0 5 10 20 [°C]

Temperatura esterna

20

0

40

60

100

Sistema 75/ 60 °C

La caldaia a condensazione con pompa modulante si abbina anche agli impianti vecchi con radiatori!

Sistema 60/50 °C con adeguamento della

portata

Sistema 60/ 50 ° C

Sistema 40/ 30° C

Esercizio senza condensazione

http://it.wikipedia.org/wiki/Punto_di_rugiada





LEZIONE


4 Componentistica principale


Discussione

LIMLibro di testo

Dispense

2

Struttura e funzioni

Raccordo concentrico per sistema aspirazione aria e scarico fumi (80/125) con tronchetti per test fumi

Vaso d‘espansione MAG (accessorio)

Condotto aspirazione aria

Scambiatore di calore in Alluminio-Silicio

Ventilatore con condotto di premiscelazione

Valvola regolazione gas

Raccordo per circuito eventuale miscelato (access.)

Valvola di ritegno

Pompa circ. riscaldamento modulante

Pompa carico bollitore (accessorio)

Animazione caldaia




LEZIONE


5 Analisi fumi combustione con prova

strumentale Esercitazione in classe e per casa

Prove in LaboratorioRedazione di relazione di

LaboratorioPresenza ITP

Strumentazione di laboratorio

Generatore di calore in centrale termica

2

Come si calcola il consumo di combustibile?

Volume di combustibile [m3/h]

Potere calorifico inferiore [kJ/m3]

Rendimento di combustione

Potenza termica utile [kW]

V =pt

η x pci

X 3600

Rendimento = energia resa all’impianto/ energia utilizzata

Foglio di calcolo CO2 risparmiata


ESERCITAZIONE PER CASAEseguire il rilievo degli ambienti della propria

abitazione con un programma di CAD. (recuperare se possibile una fotocopia della piantina catastale).

Eseguire il rilievo di tutti i corpi scaldanti presenti.Eseguire il rilievo di tutte le tubazioni di adduzioni

esistenti. (caldaia-collettore ; collettore- radiatori).Recuperare la scheda tecnica della propria caldaia

e calcolare il consumo di combustibile a monte e a valle dell’installazione di una caldaia a condensazione

(Es. scheda tecnica caldaia a condensazione).Valutare la fattibilità dell’intervento alla luce delle

vigenti leggi di incentivazione per il risparmio energetico 65% Irpef (Legge 296/2006 e ss.mm.i).



Collegamenti interdisciplinari

• TTIM - Tecnologie e tecniche di installazione e manutenzione di Apparati e Impianti Civili e Industriali

• TMA - Tecnologie Meccaniche ed Applicazioni

• TEEA - Tecnologie elettriche ed elettroniche ed Applicazioni

• LTE - Laboratorio tecnologico ed Esercitazioni

• MATEMATICA

• INGLESE

Strumenti e materiali utilizzati

• Macchine a fluido, Volume Unico – G. Cornetti – Edizioni Il Capitello - Torino• LIM del docente• Schede tecniche aziende produttrici• Campione didattico generatore di calore a condensazione


Spazi utilizzati

• Aula di laboratorio impianti termoidraulici con LIM• Aula informatica: excell• Visita guidata produttore caldaie Radiant Spa – Montelabbate di Pesaro (PU)• Visita guidata Centrale termica scuola professionale «G. Benelli» Pesarodi restauro o

nuova costruzione

Le scelte metodologiche

• Lezione Frontale con LIM (caratteri maiuscoli per DSA)• Lezione in laboratorio e analisi strumentale fumi della combustione. • Redazione di Relazione sulla prova di Laboratorio in piccoli gruppi (utilizzo di

campioni di materiali, immagini e filmati per la visualizzazione diretta e sensoriale di quanto trattato)

• Ricerca online schede tecniche – in gruppo


La verifica sulle competenze acquisite

• Verifiche scritte costituite da prove oggettive articolate in quesiti a risposta multipla, quesiti di completamento e collegamento, corrispondenze. Criteri di valutazione :

• Interrogazione orale per consolidare il linguaggio tecnico ed in preparazione alla verifica scritta• Relazione prova laboratorio

risposta non data o sbagliata

0 punti

risposta V/F 0,25 punti

completamento 0,5 punti

multiple 1 punto

corrispondenze 0,25 punti


Gli indicatori per la valutazione: verifica scrittaObiettivi Livelli Punteggi

o/15Risultato

ConoscenzeConoscenza degli argomenti richiesti

Conoscenza solo di pochi aspetti degli argomenti richiesti.

1

Conoscenza frammentaria. 2 Conoscenza superficiale. 3 Conoscenza degli aspetti essenziali. 4 Conoscenza degli aspetti teorici essenziali e sufficiente uso delle tecniche.

5

Conoscenza completa. 6 Conoscenza completa e approfondita. 7

CompetenzeRispetto dei vincoli della traccia e correttezza dell’ applicazione. Chiarezza nell’ illustrazione.

Applicazione errata delle conoscenze con presenza di diffusi errori grossolani di calcolo.

1

Applicazione incerta delle conoscenze. 2 Applicazione solo parziale delle conoscenze. 3

Applicazione sufficientemente corretta delle conoscenze, rispetto ai vincoli della traccia.

4

Applicazione corretta e chiara delle conoscenze. 5 Sa adeguatamente individuare la problematica e applicare sapientemente procedimenti e regole. Nessuna presenza di errori grossolani.

6

CapacitàCapacità elaborativa di analisi del problema e capacità grafiche

Individua gli elementi essenziali e rappresenta graficamente l’indispensabile.

1

Individua e correla tutti i dati, sintetizza le conoscenze in modo originale e rappresenta graficamente il problema con grande completezza ed in maniera formalmente corretta.

2

VOTO COMPLESSIVO ATTRIBUITO ALLA PROVA _____/15


Gli indicatori per la valutazione: relazione prova laboratorioValutazione dell’atteggiamento di lavoro:

punti1 Collaborazione nel lavoro di gruppo Contributo personale Rispetto delle norme di sicurezzaValutazione del rispetto dei tempi e delle consegne:

punti 1 Consegna nei tempi richiesti Rispetto delle modalità (foglio protocollo, carta millimetrata, tabella excell, ecc.)Valutazione del la documentazione (relazione sulla prova sperimentale):

punti 4completezza in tutte le parti:

obiettivo materiali e schematizzazione delle apparecchiature procedure di lavoro tabella delle misure impostazione e calcoli rappresentazione grafica e commento conclusioniCorrettezza nelle procedure e nei contenuti e nella terminologia specifica:

punti 3 deve risultare sempre chiaro l’obiettivo dell’esperienza i dati devono essere tabulati con le unità di misura (notazione scientifica) calcolo preceduti dalle formule i risultati devono essere approssimati correttamente le rappresentazioni grafiche sono comprensive della scala grafica e delle indicazioni delle grandezze in ascissa

e ordinata con relativa unità di misura le conclusioni sono riferite all’obiettivo (raggiunto o meno) e sempre motivate presenza di raffronti tra i valori sperimentali ed attesiMetodo di presentazione: punti

1 leggibile e ordinata, senza eccessive correzioni può essere utilizzato il computer per realizzare grafici e tabelle


Eventuale recuperi e/o approfondimenti

• Alunni con valutazione insufficiente: recuperi• Alunni con valutazione sufficiente: consolidamento• Alunni con valutazione buona: approfondimento

Sufficienze Tipologia intervento

s> 80% Recupero in itinere mirato + studio individuale

50%<s<80% Rafforzamento di alcuni contenuti in itinere. 1 lezione

20%<s<50% Attivazione di un corso pomeridiano

s< 20% Riprogettazione attività didattica

GRAZIE PER L’ATTENZIONE


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