Potere calorifico

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Il potere calorifico è la quantità di calore sviluppata nella combustione completa di una quantità unitaria di combustibile. Si misura in Joule per chilogrammo (J/kg) o, in forma ormai obsoleta, in kilocalorie per chilogrammo (kcal/kg)

[modifica] Unità di misura

Trattandosi di una misura di energia specifica, per indicarla secondo il Sistema Internazionale di misura si deve usare il Joule; trattandosi di energia termica, è ancora invalso l'uso di utilizzare al suo posto la kilocaloria, con la corrispondenza di 4,186 kJ per ogni kcal.

Usualmente, per i combustibili gassosi, invece che al kg di massa, si fa riferimento al metro cubo in condizioni normali cioè alla massa di gas combustibile secco contenuta in 1 m³ quando la sua temperatura sia 0 °C e la pressione sia 760 mmHg (1,013 bar).

Nelle transazioni commerciali si fa, invece, riferimento ad un m³ standard, che considera la pressione normale e la temperatura di riferimento di 15°C (talvolta anche 20 o 25°C)

Generalmente si distingue tra:

• Potere calorifico superiore (H_s)
• Potere calorifico inferiore (H_i).

[modifica] Potere calorifico superiore

Il potere calorifico superiore (H_s) 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, assumendo che 1 kg di carbonio sviluppa nella combustione circa 33.000 kJ e che 1 kg di idrogeno sviluppa circa 143.000 kJ e avendo un olio combustibile con un tenore di carbonio dell'85,5% e di idrogeno dell'11,5% in massa (cioè 0,855 kg_C di carbonio e 0,115 kg_H2 di idrogeno per 1 kg_comb di olio), col rimanente 3% costituito da materia inerte, il suo potere calorifico superiore sarebbe:

H_s = 0,855 kg_C/kg_comb · 33000 kJ/kg_C + 0,115 kg_H2/kg_comb · 143000 kJ/kg_H2 = 44660 kJ/kg_comb

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.

[modifica] Potere calorifico inferiore

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 2500 kJ per calore latente di vaporizzazione a 0°C.

Convenzionalmente si definisce potere calorifico inferiore (H_i) "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 maggiore del 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 2500 kJ 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):

Un kg di carbonio sviluppa nella combustione 33000 kJ

Un kg di idrogeno sviluppa nella combustione 143000 kJ

Avendo un olio combustibile con un tenore di

carbonio in massa dell’85,5% (0,85) kg C/kgcomb

idrogeno in massa dell’12% (0,12) kg H₂/kgcomb

umidità = 1% ( 0,01) kgH₂O/kgcomb

sapendo che:

Vapore prodotto da un kg di idrogeno = 9 kg

Calore assorbito da un kg di vapore = 2500 kJ

si ha:

Hs = kg C/kgcomb x J/ kg C + kg H₂/kg comb x J/ kg H₂ = J/kgcomb

Hs = (0,85 x 33000 kJ/kg) + (0,12 x 143000 kJ/kg) = 45375 kJ/kg

Hi = Hs – (kg H₂/kgcomb x 9 + kg H₂O) x 2500

Hi = 45375 kJ/kg – (0,12 x 9 + 0,01) x 2500 kJ/kg = 42650 kJ/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 2500, meno il tenore di umidità presente nel combustibile, moltiplicato per 2500.

[modifica] Alcuni valori

(valori da verificare e da correggere (carbonio, legna secca e carbone))

Potere calorifico di alcuni combustibili

Un MJ corrisponde a 1000 kJ Una kcal corrisponde a 4,186 kJ, che equivalgono a 0,004186 MJ

Potere calorifico di alcuni combustibili gassosi, riferito al metro cubo

[modifica] Voci correlate

• Combustione
• Entalpia standard di formazione
• Entalpia di legame