Il corso, proposto al primo semestre del primo anno della laurea magistrale in Ingegneria Energetica e Nucleare, si propone di fornire gli strumenti metodologici e le conoscenze ingegneristiche utili per la progettazione, dal punto di vista termodinamico e fluidodinamico, dei generatori nei quali si ha formazione di fiamma.
Vengono descritti e analizzati i principali sistemi a combustione, di piccola, media e grande potenza, per la produzione di energia termica: generatori ad aria calda, generatori ad acqua calda e ad acqua surriscaldata, generatori a fluido diatermico, generatori di vapore, ecc. Viene dedicata particolare attenzione alle prestazioni e alle soluzioni innovative in merito all'uso razionale delle risorse primarie e alla compatibilità ambientale.

Il corso è articolato in lezioni teoriche ed esercitazioni in aula con applicazioni di calcolo e valutazioni energetiche ed ambientali di diverse tipologie di apparecchi a combustione. Sono inoltre previste esercitazioni sperimentali in laboratorio riguardanti: caldaie, bruciatori e loro accessori; misure di potere calorifico, viscosità e densità di combustibili commerciali; bilanci energetici di generatori di calore.

Al termine del corso gli allievi devono conoscere le principali tipologie di impianti a combustione, le loro caratteristiche costruttive e funzionali nonché essere in grado di effettuare i bilanci energetici, nel loro complesso e nei singoli componenti.

Si richiedono conoscenze pregresse di analisi matematica, fisica, chimica, termodinamica e trasmissione del calore.

1. Richiami di Fisica Tecnica
1.1 Scambiatori di calore
1.2 Scambio termico
1.3 Moto dei fluidi nei condotti
1.3.1 Portata
1.3.2 Resistenza meccanica
1.3.3 Resistenza al moto

2. Combustibili
2.1 Combustibili solidi: caratteristiche
2.1.1 La risorsa biomassa: disponibilità sul territorio italiano
2.1.2 Biocombustibili, tronchetti, cippato e pellets
2.1.3 Cenni sugli RSU (Rifiuti Solidi Urbani)
2.2 Combustibili liquidi: caratteristiche
2.2.1 Viscosità, densità, potere calorifico, acqua e sedimenti
2.2.2 Punto di infiammabilità, punto di accensione e punto di scorrimento
2.2.3 Zolfo e ceneri
2.2.4 Oli combustibili e gasolio
2.3 Combustibili gassosi
2.3.1 Gas naturale
2.3.2 Gas di petrolio liquefatti(GPL)
2.3.3 Fuel gas o gas di raffineria
2.3.4 Gas manifatturati

3. Combustione
3.1 Il ruolo della combustione
3.1.1 Generalità
3.1.2 Elementi della combustione
3.2 La chimica della combustione
3.2.1 Combustione teorica completa
3.2.2 Combustione del carbonio, dell’idrogeno, dello zolfo
3.2.3 Combustione teorica incompleta
3.2.4 Combustione pratica
3.2.5 Eccesso d’aria
3.2.6 Triangolo di Ostwald
3.3 Tecnica della combustione
3.3.1 La combustione dei combustibili solidi, liquidi e gassosi
3.3.2 Correlazione tra eccesso d’aria e formazione di incombusti solidi e gassosi
3.3.3 Combustione mista
3.3.4 Punto di rugiada acido
3.3.5 Temperatura di fiamma

4. Apparecchi di combustione: griglie e bruciatori
4.1 Focolari per combustibili solidi
4.2 Bruciatori
4.2.1 Generalità
4.2.2 Campo di regolazione; stabilità della fiamma: controllo forma e dimensioni
4.2.3 Volume della fiamma proporzionato alla camera di combustione
4.2.4 Bruciatori per combustibili liquidi
4.2.5 Bruciatori a polverizzazione meccanica
4.2.6 Bruciatori a polverizzazione pneumatica
4.2.7 Bruciatori per combustibili gassosi
4.2.8 Bruciatori a fiamma di diffusione
4.2.9 Bruciatori a premiscelazione
4.2.10 Bruciatori per combustibili solidi
4.2.11 Bruciatori policombustibili

5. Generatori di calore: generalità
5.1 Classificazione in funzione del fluido termovettore
5.2 Classificazione in funzione del combustibile utilizzato
5.3 Classificazione in funzione della pressione in camera di combustione
5.4 Classificazione in funzione del materiale da costruzione
5.5 Classificazione per fasce di potenza termica
5.6 Caldaie a condensazione

6. Generatori di vapore
6.1 Elementi caratteristici dei generatori di vapore
6.2 Generatori di vapore a grande volume d’acqua
6.2.1 La caldaia Cornovaglia
6.3 Generatori di vapore a medio volume d’acqua
6.3.1 Caldaia Cornovaglia fissa a tubi da fumo
6.3.2 Moderni generatori di vapore a più giri di tubi da fumo
6.3.3 Generatori a tubi da fumo con fondo asciutto e fondo bagnato
6.3.4 Caldaie ad inversione di fiamma
6.3.5 Caldaia tipo marina
6.4 Generatori di vapore multitubolari a piccolo volume d’acqua
6.4.1 Generatori di vapore a tubi d’acqua
6.4.2 Generatori di vapore a convezione, a irraggiamento e a recupero
6.5 Generatori di vapore: componenti principali
6.5.1 Surriscaldatori, economizzatori e preriscaldatori d’aria

7. Generatori a fluido diatermico, ad acqua surriscaldata e ad acqua calda

8. Generatori di aria calda

9. Accessori dei generatori
9.1 Accessori di sicurezza, di osservazione, di regolazione, di blocco e di alimentazione

10. L’acqua nei generatori
10.1 Trattamenti dell’acqua dei generatori di vapore
10.2 Pre-trattamenti
10.3 Impianti di trattamento di tipo chimico
10.4 Impianti di trattamento a resine scambiatrici di ioni
10.4.1 Addolcimento, decarbonatazione e addolcimento, demineralizzazione
10.4.2 I trattamenti a membrana
10.4.3 Gli impianti di degasazione

11. Sistema generatore di calore – camino
11.1 Camini singoli e camini collettivi ramificati
11.2 Tiraggio naturale
11.3 Tiraggio forzato
11.4 Ventilatori

12. Prestazioni energetiche ed ambientali
12.1 Bilancio delle portate a regime permanente
12.2 Bilancio delle potenze a regime permanente
12.3 Bilancio delle potenze a regime tutto o niente
12.4 Rendimento e perdite
12.5 Emissioni
12.5.1 Emissioni attraverso i prodotti della combustione
12.5.2 Limiti alle emissioni
12.5.3 Relazioni tra concentrazioni di inquinanti

13. Calcolo fluidodinamico
13.1 Perdite di carico distribuite e concentrate nei tubi e nei condotti
13.2 Perdite di carico attraverso i fasci tubieri
13.3 Perdite di carico in apparecchi particolari
13.4 Pompe e ventilatori

Esercitazioni di laboratorio
• Caldaia ad acqua calda e caldaia a pellet: descrizione dei componenti e spiegazione delle loro funzioni
• Bruciatori a gas e bruciatori a gasolio a nebulizzazione meccanica e a nebulizzazione pneumatica: descrizione dei componenti e spiegazione delle loro funzioni
• Strumentazione usata in centrale termica: analizzatori dei prodotti della combustione, trasduttori di temperatura, manometri, pompa di Bacharach, bomba calorimetrica di Mahler, ecc
• Generatore di calore: descrizione del circuito idraulico di raffreddamento
• Generatore di calore: bilancio energetico in condizioni di regime permanente. Misura del rendimento termico utile con metodo diretto e metodo indiretto. Andamento della pressione lato aria-fumi dall’aspirazione al camino. Misura delle concentrazioni di inquinanti
• Viscosimetro di Engler: viscosità di un combustibile liquido in funzione della temperatura
Esercizi applicativi di alcuni aspetti della teoria

• Paolo Anglesio Elementi di impianti termotecnici. Pitagora Editrice Bologna
• P. Andreini F. Pierini Generatori di vapore Hoepli Milano
• Donatello Annaratone Generatori di vapore clup Milano
• Materiale caricato sul sito dal docente.

Prova scritta con esercizi numerici e domande di teoria