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Microcombustore ad alto rendimento

L’articolo che segue cerca di descrivere l’approccio per il dimensionamento di microcombustori funzionanti secondo il principio della piro-gassificazione alimentati con biomassa legnosa, pellet o cippato di legno. Un esempio pratico.

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Pubblicato
da GIANCARLO BRICCO




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Estratto del testo
Progettazione e costruzione di un microcombustore ad alto rendimento.
G.Bricco 0 Premessa

L'articolo che segue cerca di descrivere l'approccio per il dimensionamento di microcombustori
funzionanti secondo il principio della piro-gassificazione alimentati con biomassa legnosa, pellet
o cippato di legno.

Giusto per dare un indirizzo pratico alla questione si ipotizzato di realizzare un fornetto o braciere
da utilizzare come barbecue, possibilmente di piccole dimensioni, di facile e immediato utilizzo.

Il successivo percorso sperimentale risultato abbastanza complicato, con tanti insuccessi e 'tante
fumate nere ' ma alla fine stata raggiunta la migliore soluzione operativa e tecnica ovvero
rappresentata da una combustione senza fumo che, come vedremo di seguito ha il duplice
significato di una combustione energeticamente efficiente oltre che sostenibile dal punto di vista
dell'ambiente.

1 Il processo di combustione

Rif. bibliografico:[4]
Il processo di combustione del pellet pu essere sinteticamente descritto attraverso i seguenti stadi
successivi :
' Essiccazione ed evaporazione dell'acqua ' Gassificazione (pirolisi) ' Combustione del gas ' Formazione carbone
Fig.1 Schema di combustione del pellet
Nella combustione del pellet circa l' 80% dell'energia rilasciata sotto forma di gas ed il restante 20
% sotto forma di carbone residuo.

Pi in dettaglio le fasi che si susseguono sono le seguenti:
' Essiccazione Quando sullo strato superficiale del pellet viene attivata la combustione, il calore che si sprigiona
far evaporare l'acqua contenuta nei trucioli. Questa evaporazione richiede calore che viene 1 continuamente fornito dalla combustione stessa gi in atto. Dato che il contenuto di acqua nel pellet
piuttosto bassa, questa fase si esaurir velocemente e si passer alla successiva fase di
gassificazione.


' Pirolisi e Gassificazione. Procedendo nel riscaldamento, ovvero con calore prodotto dalla combustione del pellet medesimo,
si ha formazione di gas. A circa 250 vengono prodotti, fra gli altri idrocarburi, monossido di
carbonio (CO), idrogeno (H2) e metano (CH4). Questa miscela di gas viene chiamato syngas o gas
di sintesi Accanto a questi, se la temperatura di combustione inferiore a circa 600 C si ha la
formazione di TAR ovvero costituiti da idrocarburi ad elevato peso molecolare che possono essere
condensati.
' Combustione dei gas I gas cosi prodotti, in presenza di idonea quantit di ossigeno, si infiammano quando raggiungono
la loro temperatura di accensione. L'idrogeno reagir con l'ossigeno e former acqua, mentre il
carbonio degli idrocarburi ed il monossido di carbonio, bruceranno producendo diossido di carbonio
e vapore acqueo. Se la temperatura non alta abbastanza o non c' abbastanza ossigeno per
alimentare la combustione i gas si manifestano come fumo. ' Formazione del carbone A combustione dei gas esaurita si avr il progressivo spegnimento delle fiamme e le particelle di
carbone componenti le braci tenderanno a spegnersi , in ci favorite dalla temperatura in rapida
diminuzione e dal raffreddamento indotto dall'aria primaria. Ci saranno tizzoni ardenti, ma una
quasi totale assenza di fiamme. Al termine di questa fase si ottengono ceneri residue che consistono
principalmente in minerali incombusti.
' Cenere Il pellet di legno ha un basso contenuto di ceneri, spesso attorno allo 0.5%. La cenere
parzialmente costituita da sali minerali, principalmente sodio e potassio, e da materiale minerale -
sabbia e sporco - che possono essere presenti nella corteccia oppure assorbiti dal suolo della
foresta. Il contenuto di ceneri nel pellet di origine un parametro importante perch esso
rappresenta una parte di combustibile che non pu essere usata per produrre calore, anzi ne
richiede per la sua formazione di ossidi, allo stato finale.

2 Aspetti tecnico 'ambientali della combustione.

Per utilizzare il pellet come combustibile ecologico necessario ottenere la sua completa
combustione, in questo modo oltre ad ottenere un'alta efficienza energetica, si ottiene la
contemporanea riduzione dei componenti nocivi per l'ambiente.

importante sapere che il gas brucia sotto forma di fiamma mentre le particelle solide bruciano
senza fiamma e che durante la combustione del legno, l' 80% dell'energia rilasciata come gas,
mentre la parte rimanente costituita da carbone e cenere.
Durante il mescolamento del combustibile e dell'aria si deve ottenere un buon grado di contatto tra
l'ossigeno nell'aria ed i componenti infiammabili del legno. Migliore il contatto, migliore e pi
veloce sar la combustione .

Qualit della combustione
Il tipo, la natura e la provenienza del combustibile influenzano nel loro insieme la qualit della
combustione . In una combustione completa vengono prodotti soltanto anidride carbonica ed acqua.
Al contrario una combustione incompleta, vuoi per errato schema d'impianto oppure per cattiva 2 fornitura di aria ne deriva un cattivo utilizzo del carburante con conseguenti ed indesiderati effetti
ambientali.

Condizioni essenziali richieste per una buona combustione sono : ' Alta temperatura ' Surplus di ossigeno ' Adeguato tempo di ritenzione ' Adeguata miscelazione tra combustibile e comburente in modo da evitare zone locali con deficienza di ossigeno
In questo modo sono garantiti una bassa emissione di monossido di carbonio (CO) e di idrocarburi
non metanici , ovvero con formula e peso molecolare di grado superiore al metano (NMH) insieme
con un basso contenuto di carbonio nelle ceneri incombuste.

Se non si alimenta l'impianto con aria sufficiente, alcuni dei gas infiammabili non avranno
abbastanza ossigeno per bruciare ed i gas di scarico lasceranno il camino come incombusti
unitamente al monossido di carbonio (CO). Al contrario, in caso di un eccesso d'aria il suo
riscaldamento richieder altro calore ed i gas di scarico lasceranno il camino ad una temperatura
pi elevata .

Nella maggior parte degli impianti che utilizzano il pellet l'alimentazione dell'aria di combustione
avviene artificialmente con l'aiuto di una ventola . Grazie alla tecnologia della doppia combustione
i fumi di combustione primaria, ricchi di monossido di carbonio, vengono combusti nella parte alta
della camera con l'iniezione di ulteriore aria (ossigeno) preriscaldata .
Detta riaccensione, con l'avvio di una seconda combustione garantisce una resa termica elevata ,
unita a un radicale abbattimento delle emissioni inquinanti.

Le principali reazioni coinvolte nel processo sono essenzialmente le seguenti:
C + O 2 ' CO2 Combustione (esotermica) C + 0,5 O2 ' CO Combustione (esotermica) C + H 2O ' CO + H2 Gassificazione (endotermica) C + CO 2 ' 2CO Gassificazione (endotermica) C + 2H 2 ' CH4 Idrogassificazione (esotermica) CO + H 2O ' CO2 + H2 Shift Conversion (esotermica Aspetti ambientali della combustione

In una combustione ottimale, completa, si possono avere le seguenti emissioni in atmosfera,
ovviamente in relazione alla composizione della biomassa di partenza :

- anidride carbonica(CO2),
- ossidi di azoto (NOx)
- ossido nitroso (N2O)
- ossido di zolfo (SOx)
- cloruro di idrogeno
- particolato ,
- metalli pesanti

In una combustione incompleta :

- monossido di carbonio (CO)
- idrocarburi volatili non metanigeni (NMH) 3 - idrocarburi policiclici aromatici (PAH)
- diossine e furani
- ammoniaca
- ozono
- particolato Composizione e impatto sulla salute
Come sopra riportato le emissioni nocive degli apparecchi a biomasse legnose sono composte
principalmente da quattro elementi:

' Monossido di carbonio (CO)
' Composti organici volatili (COV, CnHm)
' Polveri totali - Polveri sottili
' Ossidi di azoto (NOx)

Monossido di carbonio
(CO). Il CO rappresenta uno dei prodotti intermedi principali del processo
di ossidazione del carbonio a CO2, per questo motivo viene solitamente utilizzato come indicatore
per valutare la qualit della combustione. La reazione di ossidazione da CO a CO2 legata alla
quantit di ossigeno disponibile e l'emissione di CO presenta un minimo in funzione dell'eccesso
d'aria, caratteristico per ogni apparecchio di combustione : elevati eccessi d'aria comportano un
abbassamento della temperatura di combustione mentre bassi valori non generano sufficiente
turbolenza per garantire una buona miscelazione con l'aria comburente.

Composti organici volatili (COV). I COV sono idrocarburi caratterizzati da un'elevata volatilit,
prodotti durante il processo di conversione del carbonio e dell'idrogeno contenuti nel combustibile
a CO2 ed H2O rispettivamente.
I COV vengono solitamente distinti in due gruppi:
' metano (CH4): importante intermedio nella conversione del carbonio a CO2. Riveste particolare
importanza poich fonte di gas serra.
' Composti organici volatili non metanici (NMH): tutti gli idrocarburi volatili ad esclusione del
metano . Questi idrocarburi sono emessi a causa di temperature di combustione troppo basse, tempi
di residenza troppo brevi o mancanza di ossigeno disponibile. Essi formano un gruppo di sostanze
con un impatto sulla salute umana e sull'ambiente, poich sono classificati in parte come sostanze
cancerogene. Come il CO essi sono il risultato della combustione incompleta.

Idrocarburi policiclici aromatici (IPA)

Gli IPA sono idrocarburi ma vengono considerati come classe a parte per via della loro elevata
tossicit. Tali composti si formano dalla ricombinazione di frammenti, per lo pi radicalici, prodotti
dalla scissione termochimica degli idrocarburi generati dalla devolatilizzazione del legno alle alte
temperature di fiamma ( pirosintesi.) Diversi meccanismi sono stati ipotizzati, ma il processo
generale vede in un primo step la formazione dell'anello aromatico, con conseguente crescita per
addizione di specie C2, C3 o altre piccole unit, tra cui molecole di acetilene, ad IPA radicalici.
Come per il CO anche per gli IPA l'aumento della temperatura di combustione ne riduce
l'emissione, gi con temperature di 750-800 C se ne osserva la riduzione quasi totale.

Polveri totali. C
ontengono principalmente elementi minerali del combustibile (particelle di cenere).
A seconda della bont della combustione possono essere originati anche incombusti carboniosi
organici e catrami. Sulla loro superficie possono essere adsorbiti composti organici altamente
tossici quali policiclici aromatici (PAH) e le diossine. Questo effetto di adsorbimento chimico-
fisico si rileva in particolare nella componente pi fine delle polveri contenute nei gas in emissione
a causa della loro elevata superficie di captazione .
4 Polveri sottili (PM). Con questo termine sono indicate tutte le particelle con un diametro
aerodinamico equivalente (dae) inferiore ai 10 m. Sotto 1 m inizia il cosi detto campo dimensionale submicron. Per la salute umana sono
significative soprattutto le particelle che riescono a penetrare nel sistema respiratorio (polmoni). Mentre le particelle con dae>10 m sono trattenute quasi completamente nel naso e nella gola, nel
campo inferiore ai 2,5 m una gran parte delle particelle entra nei polmoni e sotto 1 m entrano negli alveoli e si depositano nei tessuti polmonari.

Ossidi di azoto. Inizialmente sono emessi informa di NO e poi, in presenza di ossigeno, sono
rapidamente ossidati in diossido di azoto (NO2); entrambe i composti sono indicati come NOx. Essi
derivano sostanzialmente dall'azoto contenuto nel combustibile che nel legno assume valori
relativamente bassi (0,15%). La reazione dell'azoto con l'ossigeno avviene a temperature superiori
a 1.300 C le quali, nel corso della combustione del legno, si manifestano per lo pi solo
localmente e temporaneamente.

3 Il combustore Inverted Down Draft

Fin qui abbiamo sostanzialmente riportato quanto gi noto e abbondantemente documentato nella
letteratura tecnica. Ora per ci accingiamo ad entrare nel vivo del ns progetto, ovvero la scelta di
un sistema di combustione pratico e possibilmente 'a basse emissioni' che si presti ad un uso sano
e compatibile con la cucina di cibi e alimenti .
La ns scelta, valutate le tecniche ad oggi note ed economicamente accessibili/realizzabili, si foca
lizzata su un sistema a letto fisso con il carico del combustibile che avviene dall'alto mentre
l'aria affluisce nella parte inferiore . Il sistema ovviamente discontinuo con cariche batch.

Il meccanismo di tipo Inverted Down Draft (IDD) o T-LUG , ovvero Top Lit Updraft Gasifier
anche denominato ' tar burning, char making gasifier' e comporta il vantaggio di un abbattimento
quasi totale degli idrocarburi residui dalla combustione .

Questo microcombustore anche detto a doppia combustione poich in aggiunta alla prima
accensione dello strato superficiale di pellet si ha, dopo la formazione dei gas, anche la
combustione dei medesimi ovvero delle sostanze che derivano dalla pirolisi e dalla successiva
fase di gassificazione. In questo modo il sistema diventa oltre che autosostentante anche un ottimo
sistema per produrre energia termica. 5
Dopo l'accensione iniziale del pellet, nella parte superiore si forma uno strato di carbone al di
sotto del quale si ha il fenomeno di pirolisi che si muove verso il basso consumando
progressivamente tutta la biomassa ad esso sottostante con formazione dei gas di sintesi che nel loro
moto ascensionale trovano prima il letto di char e poi , una volta giunti a contatto con l'aria
secondaria danno origine a un nuovo step di combustione, da alcuni definito tappo di fiamma
superiore . Quest'ultima combustione comporta la quasi totale ossidazione dei gas di sintesi
ottenuti nella fase di gassificazione. Una volta esaurita questa fase si ha la combustione delle sole
braci disposte sul fondo del bruciatore.

In figura la sequenza schematica delle fasi che si susseguono nel reattore in relazione alle
temperature e alla quantit di massa .
Il reattore realizzato in doppia camera coassiale di acciaio inox 304, all'interno viene posto il
reattore di combustione contenente il pellet mentre all'esterno c' una ulteriore camera nella quale
fluisce l'aria secondaria.
L'aria primaria per la gassificazione pirolitica viene introdotta nel sistema tramite ventilatore di
spinta ed entra nel reattore dal basso tramite fori laterali disposti su tutta la circonferenza,
attraversa il letto di reazione con flusso ascensionale. L'aria secondaria fluisce nella camera esterna
verso la sommit dove, tramite fori circonferenziali viene immessa sopra la biomassa . Il fondo
del reattore totalmente chiuso.

Il gas prodotto dalla gassificazione del pellet risale verso l'alto si mescola con l'aria secondaria e
quindi alimenta la fiamma .
6
Il sistema stato poi opportunamente coibentato al fine di evitare inutili dispersioni, oltre a favorire
il preriscaldo dell'aria di risalita nella camera esterna .

Fattori che influiscono sul processo di gassificazione
La gassificazione della biomassa influenzata da molti fattori, di seguito prendiamo in rassegna i pi
significativi.

Contenuto energetico del combustibile: combustibili con alto potere energetico sostengono con pi
facilit la combustione endotermica delle reazioni di gassificazione. Ad esempio il legno di faggio
ha un contenuto di energia di circa 20 MJ/kg. Questo tipico per la maggior parte delle fonti di
biomassa e ha dimostrato di essere facile da gassificare.

Il contenuto di umidit del combustibile: poich l'umidit una componente negativa per la
combustione della biomassa, quindi importante mantenere una concentrazione pi bassa possibile.
Tutta l'acqua contenuta nel materiale di alimentazione deve essere vaporizzato nella fase di
essiccamento prima della combustione, in caso di suo eccesso ci comporta difficolt nel sostenere
combustione perch il calore liberato sar utilizzato per fare evaporare l'umidit.
Il pellet di legno, con basso contenuto di umidit pu essere quindi pi facilmente gassificabili rispetto a
quelli con elevato contenuto di umidit. Esso, solitamente, viene ricondotto durante la fabbricazione
ad un contenuto di umidit max del 10% prima del confezionamento.

Dimensioni del combustibile, il combustibile deve essere di una forma regolare tale da non creare
ostacoli e ostruzioni all'interno del reattore ovvero esso deve fluire liberamente e assialmente verso
il basso del gassificatore. Quindi la dimensione delle particelle un parametro importante per la
gasificazione di biomasse poich determina la porosit del letto e, di conseguenza le sue
caratteristiche fluidodinamiche. Il pellet di legno ha un diametro di ca 6 mm e una lunghezza massima
di ca 24 mm ed di forma regolare .

Temperatura del reattore: C' la necessit di isolare il reattore in modo che le perdite di calore siano
ridotte. Se le perdite di calore sono maggiori rispetto alla richiesta di calore della reazione
endotermica, la reazione di gassificazione non avverr. Il reattore deve essere quindi isolato in modo
da rendere minime le dispersioni di calore, man mano che la temperatura aumenta si ha il 7 contemporaneo aumento di gas combustibili e ci conduce alla conversione pi completa del
combustibile.
Gli idrocarburi gassosi (in particolare metano e etilene) aumentano con la temperatura mentre la
resa di idrocarburi superiori (C-C: prodotti chimici organici aventi da 3 a 8 Atomi di carbonio)
diminuiscono con temperature superiori ai 650 C. Se la temperatura interna al reattore inferiore a
detto valore di soglia minima , si ha formazione di idrocarburi liquidi (TAR) , estremamente tossici e
dannosi per la salute, viceversa la loro diminuzione pressoch totale a temperature pi elevate .

Tempo di permanenza: per una data temperatura del reattore, aumentando l'altezza del letto di
combustibile si ha un aumento del tempo di contatto e di permanenza e quindi con un netto aumento
del tempo di reazione e ci aumenta la concentrazioni di idrogeno, monossido di carbonio, biossido
di carbonio, metano, etilene in sintesi.
Il rapporto di equivalenza: rapporto combustibile-aria effettivo diviso per lo stesso rapporto
stechiometrico influisce sulla temperatura del letto di combustibile.
Elevati rapporti fanno aumentare il tasso di produzione di syngas, mentre bassi rapporti fanno
diminuire la resa di syngas con aumento dei tar prodotti.
4 Criteri di progettazione

Elenchiamo di seguito una serie di parametri che devono essere presi in considerazione per
determinare la corretta dimensione del combustore.
Fabbisogno termico ' ovvero la quantit di calore che deve essere prodotta dal combustore in
relazione alla quantit di cibo da cuocere e/o acqua da bollire . Si considera quindi il calore
specifico per unit di peso necessario per aumentare di un grado C la sua temperatura V.
tabella 1. 8 Tabella 1. Fabbisogno energetico per la cottura di alimenti e di acqua bollente.[ 1]
Prodotti Alimentari Calore specifico (Kcal/kg C) Energia totale richiesta (Kcal/kg) * Il Riso 0,42 - 0,44 . 79,3 Le carni 0,48 - 0,93 , 56,5 Verdura 0,93 , 74,5 Acqua 1,0 72 * A 72 C differenza di temperatura


La quantit di energia necessaria per la cottura dei cibi pu essere calcolata utilizzando la formula
[1],

Mf x Es
Q n = ------------
T
Dove:
Qn - Fabbisogno energetico, Kcal/h Mf - Massa di cibo, kg
Es - Energia specifica, KCal/kg
T - Tempo di cottura, hr


Energia - Questo parametro riferito al fabbisogno di energia necessaria espresso in
termini di massa di combustibile alimentato nell'unit di tempo. Viene calcolato mediante
la formula [2], FCR = Qn / (HCF 'g) Dove:

FCR - consumo di carburante, kg/hr
Qn - energia termica necessaria, Kcal/hr
HCF - potere calorifico del combustibile, Kcal/kg
'g - efficienza della stufa , %
Diametro del Reattore (D) - si riferisce alla dimensione del reattore in termini di diametro del
cilindro dove viene combusto il pellet. Questo parametro funzione della quantit di carburante
consumato nell'unita di tempo (FCR) per la velocit specifica di gassificazione (SGR) del
pellet. Come mostrato di seguito, il diametro del reattore pu essere calcolato utilizzando la formula [3], 1,27 FCR 0,5
D = --------------------------
SGR 9
Dove:

D - Diametro del reattore, m FCR - Consumo di carburante orario, kg/h SGR - Velocit di gassificazione specifica kg / m 2 *h
Altezza del Reattore - Questo parametro determina l'altezza di un combustore contenente una
carica unitaria di carburante. In sostanza, si tratta di una funzione che coinvolge una serie di
variabili come, ad esempio, il tempo necessario per il funzionamento del gassificatore (T),
il tasso specifico gassificazione (SGR), e il peso specifico del pellets ( ' r h). Come mostrato di seguito, l'altezza del reattore pu essere calcolata utilizzando la formula [ 4],
SGR x T H = ------------------------- ' rh
Dove:
H - Lunghezza del reattore, m SGR - tasso specifico gassificazione del pellet, kg/m 2 h T - Tempo necessario per consumare il pellets, h ' rh - peso specifico pellets kg/m 3
Tempo totale di combustione del pellet.
Con questo parametro si identifica il tempo totale richiesto per il completamente della
gassificazione del pellet all'interno del reattore. Esso comprende: il tempo di accensione iniziale
del combustibile, il tempo di fiamma attiva, pi il tempo per bruciare tutto il combustibile residuo
(char) contenuto nel reattore dopo che la fase precedente si esaurita. (vedi immagine )
Il peso specifico del pellets ( ' rh ), il volume del reattore (Vr), e il tasso di consumo del carburante (FCR) sono i fattori utilizzati per determinare tale tempo totale .
Come mostrato di seguito, questo pu essere calcolato mediante la formula [5],
' rh * Vr T = ------------------------- FCR Dove:

T - Tempo per il consumo totale del pellet, h Vr - Il volume del reattore , m 3 ' rh - peso specifico pellet, kg/m 3 FCR - tasso di consumo del pellet, kg/h


Andamento del tempo di combustione per il reattore di seguito calcolato e realizzato.
10
Quantit di aria necessaria per la gassificazione - Questo parametro si riferisce alla
velocit del flusso d'aria necessario per gassificare il pellet. E' molto importante per determinare
la dimensione della ventola o del ventilatore per il reattore di gassificazione. Esso pu essere determinato semplicemente utilizzando il tasso di consumo di combustibile
(FCR), l'aria stechiometrica per la combustione del pellet (SA), e un rapporto di
equivalenza ( e) di gassificazione del pellet (da 0,3 a 0,5 ). Come si vede, questa pu essere calcolata utilizzando la formula [6],

e *FCR* SA AFR = ---------------------------- ' A Dove: AFR - portata d'aria m 3 /h e - Rapporto di equivalenza, da 0,3 a 0,5
FCR - tasso di consumo pellet, kg/h
SA - Aria stechiometrica combustione pellet 4,5 kg di aria / kg pellet
' A - Densit dell'aria, ca 1,25 kg/m 3 Velocit dell'aria superficiale - Questo si riferisce alla velocit del flusso d'aria nel letto di
combustibile. Noto il diametro del reattore (D) e la portata d'aria (AFR) si determina la velocit
superficiale di aria nel gassificatore. Come si vede, questa pu essere calcolata utilizzando la
formula [7],
4 AFR Vs = ----------------------- p (D)2 dove:
Vs - Velocit superficiale del gas, m/s 11 AFR - Portata d'aria m 3/h D - Diametro del reattore, m Resistenza al flusso d'aria - Questo parametro si riferisce alla resistenza esercitata dal
carburante all'interno del reattore e dal residuo (char) che via via si forma durante la
gassificazione. Serve per determinare se il reattore necessita di un ventilatore o una soffiante .
Viene calcolato ponendo in relazione lo spessore della colonna di combustibile (Tf) e la sua
resistenza specifica (Sr) Per il calcolo si utilizza la formula seguente [8] :
Rf = Tf * Sr
Dove: Rf - La resistenza del carburante, cm colonna d' acqua Tf - Spessore del carburante, m
Sr - Resistenza specifica, cm col. acqua /m di carburante

Calcolo dell' isolamento termico del reattore Rif. bibliografico:[ 3] La Figura 1 mostra in pianta la composizione del combustore che risulta quindi composto dalla
camera centrale di combustione, da una camera esterna nella quale fluisce l'aria spinta dalla
ventola, che quindi si preriscalda, e da un ultimo strato isolante esterno in fibra di vetro. Figura 1
Flusso di calore nel reattore :
r 1 - raggio est. del reattore - (3) : 0,044 m,
r 2 - raggio est della seconda camera (2) : 0,057 m ,
r 3 : raggio est. dello strato isolante (1 ) : X m, 12
Nota : le misure raggio sono riferite al raggio esterno, stato trascurato lo spessore della parete di
acciaio inox (2mm)

L1 - altezza del reattore : 0,160 m
L2 - altezza camera esterna : 0,190 m
T1 - temperatura massima nel gassificatore = 700 C
Te Temperatura aria atmosferica = 30 C

h 1 : coefficiente di convenzione termica dei gas di sintesi = 70 W/ m 2 C , h e: coefficiente di convenzione dell'aria atmosferica = 15 W /m 2 C , K2 : coeff. conducibilit termica aria = 0,016 W /m C
K3 : coeff. conducibilit termica di fibra di vetro = 0,035 W/ m C
% Qn = 15 % dispersione termica ammessa

Si ipotizzi di cucinare del riso l'energia necessaria e la relativa quota dissipata per unit di area,
sono cosi calcolate:
- fabbisogno termico = 15/100 *79*60 = 711 Kcal * 0,0012 = 853 W h se devo cuocere del riso ad esempio in 20 min' = 853*20/60 = 284 watt

sulla base degli elementi sopra riportati , utilizzando la seguente formula di calcolo [9]:


2pL (T1 - Te) 2p r2 L2 * % Qn = ----------------------------------------------------------------- (1/h1r1) + [(ln(r2/r1))/K2 + [(ln(r3/r2))/K3 +(1/he r3]


Si ottiene uno spessore di isolante pari a 0,027 m ' 2,7 cm.


Energia termica in ingresso. E' la quantit di energia termica contenuta nella biomassa
alimentata al reattore. Questa viene calcolata usando la formula [10],
QF = WFU x HCF
Dove:

QF - Energia termica nel carburante, Kcal
WFU - peso del carburante utilizzato, kg
HCF - potere calorifico del combustibile, Kcal/kg

Efficienza termica - Questo il rapporto tra l'energia utilizzata per l'ebollizione e
l'evaporazione di un volume noto di acqua, l'energia termica fornita dal carburante. Viene
calcolata usando la formula [11],
SH + LH
TE = * 100 HCF * WF
13 Dove:

TE - Rendimento termico %
SH - Calore sensibile, Kcal
LH - Calore latente, Kcal
HCF - Potere calorifico del combustibile, Kcal/kg
WF - Peso del combustibile utilizzato, kg

Potenza in ingresso - Questa la quantit di energia immessa nella stufa in base alla quantit di
carburante consumato. Viene calcolata usando la formula [12],
Pi = 0,0012* FCR * HCF
Dove:

0,0012 fattore di conversione Kcal a Kw
Pi - Potenza assorbita kW
FCR - consumo di carburante, kg/hr
HCF - potere calorifico del combustibile, Kcal/kg

Potenza in uscita - questa la quantit di energia liberata dalla stufa per cucinare. Si utilizzi la
formula [13], Po = = 0,0012 * FCR * HCV* TE
Dove:

Po - Potenza di uscita, kW
FCR - consumo di carburante, kg/hr
HCV - potere calorifico del combustibile, Kcal/kg
TE - Rendimento termico %
14 6 Suggerimenti per la progettazione

La progettazione del barbecue stata piuttosto complessa e ha richiesto molteplici modifiche
prima di giungere al modello finale .Sulla base della ns esperienza si segnalano alcuni aspetti
significativi da tenere in debito conto durante il processo di progettazione e sviluppo del fornetto .
1. La potenza di uscita dipende dal diametro del reattore, maggiore il diametro del reattore , maggiore sar la quantit di energia che pu essere rilasciato dalla stufa. Di contro ci
significa anche un maggior consumo di carburante nell' unit di tempo, ovvero la produzione di
gas funzione della gassificazione del combustibile bruciato per unit di tempo e per unit di area
del reattore.
2. Il tempo di funzionamento totale di produzione di gas influenzato dall'altezza del reattore. E abbastanza intuitivo comprendere che pi alto il reattore, pi lungo sar la durata e il
tempo di funzionamento. 3. Le considerazioni sulla progettazione per il ventilatore deve essere basato sulla pressione necessaria per vincere la resistenza del char piuttosto che del pellet. stato osservato che in un'operazione continua, la resistenza al passaggio del flusso d'aria nel
reattore aumenta gradualmente man mano che la zona di combustione raggiunge la sua estremit
inferiore. Ci avviene perch il pellet, con minore resistenza al flusso d'aria viene gradualmente
convertito in un materiale ad alta resistenza, il char.
4. La dimensione della ventola in funzione delle dimensioni del reattore. Pi grande il diametro del reattore, tanto pi necessario un maggiore flusso d'aria. Un ventilatore a flusso
assiale solitamente fornisce un maggiore flusso d'aria rispetto al ventilatore centrifugo. Tuttavia, un
ventilatore centrifugo pu produrre pressione pi alta di un ventilatore assiale. Un allestimento con
due ventilatore assiali disposti in serie pu aumentare la pressione a parit di portata. Metterli in
parallelo, invece, pu fornire una doppia portata di aria alla stessa pressione. 5. Il ventilatore deve essere installato in modo da evitare che i gas caldi lo attraversino causando problemi di sporcamento (tar) sia alla ventola che al motore. In pratica consigliabile
mettere il ventilatore sul lato del reattore, piuttosto che sottostante ad esso, preservandolo quindi
da ceneri, gas caldi e incombusti.
6. Eliminare eventuali perdite d'aria nel reattore , cosa questa che a volte difficile diagnosticare ma quasi sempre comporta una perdita , anche notevole, di efficienza.
7. Il materiale per il reattore deve essere scelto con cura. Il cilindro interno, che direttamente a contatto con il combustibile che brucia, dovrebbe essere realizzato in acciaio inox o
materiale refrattario.

15 Esempio di realizzazione

Si richiede la realizzazione di un microcombustore a pellet da utilizzare come barbecue da giardino
che abbia un consumo di pellet ora di ca 0,300-0,400 Kg/h e possa operare per almeno 45 -60
minuti, ovvero il tempo di cuocere almeno due fiorentine o costate di spessore 2-3 cm..
Calcolare quindi : diametro e altezza del reattore, flusso di aria del ventilatore.

Sia noto .

FCR = 0,40 kg/h
T = 60 min.
SGR = 70 kg/m 2 h ' rh = 600 Kg/m3 peso specifico del pellet
SA - Aria stechiometrica combustione pellet = 4,5 kg di aria / kg pellet ' A - Densit dell'aria, ca 1,25 kg/m3
Rapporto di equivalenza ( e) di gassificazione del pellet e =0,5 Con eq. 3 calcolo il diametro D = (1,27*0,40/70) 0,5 = 0,085 m -' r = 0,0425 Con .eq. 4 calcolo l'altezza H = 70*1 h/600 = 0,116 m (*) Con eq. 6 calcolo la portata d'aria AFR =0,5*0,4*4,5 /1,25 = 0,72 m 3/ h ** Con eq. 7 calcolo la velocit del flusso d'aria Vs = 4*0,72/[3,14*(0,085) 2]= 126,9 m/h (*) questo valore indica l'effettiva altezza dello strato di pellet, a ci si dovranno aggiungere altri 5
cm circa , rappresentati dallo spazio sopra i fori superiori , e dallo spazio sottostante la griglia che
sostiene il letto di pellet . L'altezza effettiva del reattore quini di 16 cm. (**) Questa portata rappresenta la quantit di aria minima necessaria per la gasificazione del pellet ,
essa viene abbondantemente garantita dalle comuni ventole 12V dia. 120 mm 16 Bibliografia [1]. Alexis T. Belonio, 2005, RICE HUSK GAS STOVE Hand BOOK, APPROPRIATE
TECHNOLOGY CENTER, Iloilo City, Philippines, [2] T.A. Milne and R.J. Evans , Biomass Gasifier-Tars:Their Nature, Formation,and Conversion ,
National Renewable Energy Laboratory -N. Abatzoglou Kemestrie, Inc.
[3] , R.K. Rajput , Heat and mass transfer - Google edition [4] Hansen Morten Tony, Rosentoft Jein Anna 2007, Manuale italiano per la combustione di pellet da legno, Firenze


Alcune foto del prototipo.

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Aspetti ambientali della combustione Composizione e impatto sulla salute 4 Criteri di progettazione 6 Suggerimenti per la progettazione


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