La maggior parte dei piani cottura domestici utilizza bruciatori con fiamme libere; esse presentano per`o l’inconveniente che una sensibile frazione dell’energia prodotta dalla combu- stione viene dissipata perch`e rimane nei gas combusti e non partecipa allo scambio termico con il recipiente. La conseguenza `e una modesta efficienza termica. A causa del gran numero di sistemi di cottura utilizzati, anche un piccolo miglioramento sull’efficienza termica porte- rebbe ad una sostanziale riduzione dei consumi e dell’inquinamento ambientale.
Diversi fattori influenzano l’efficienza termica di un bruciatore. Un elenco `e presente di seguito:
- diametro degli ugelli, d - distanza fra gli ugelli, S
- numero di Reynolds del getto, Re
- rapporto di equivalenza della miscela combustibile, Φ = (O/F )stech
(O/F ) ; Φ > 1 miscela ricca
- potere calorifico del gas - portata del gas
- pressione di alimentazione del gas - aerazione primaria e secondaria
- distanza degli ugelli dal piano inferiore del recipiente di cottura, H - conducibilit`a termica del fondo del contenitore
- tipologia recipiente - tipologia bruciatore.
Di seguito viene esposta una rassegna qualitativa dei pi`u recenti lavori scientifici relativi al miglioramento dell’efficienza di combustione, in cui vengono trattati alcuni dei fattori sopra elencati. Va tenuto presente che i dati si riferiscono a differenti bruciatori da laboratorio e differenti modalit`a di verifica sperimentale per cui le informazioni vanno considerate come indicative. In questi lavori, insieme all’analisi sull’efficienza termica, viene trattata anche la quantit`a di CO prodotta.
4.2.1 Numero di Reynolds (Re) [23]
La (fig.4.3) mostra le variazioni dell’efficienza termica (η) e delle emissioni di CO (θ) al variare di Re.
Figura 4.3: Andamenti dell’efficienza termica e delle emissioni di CO al variare di Re, Φ = 1.7, H/d=4, S/d=10.4 [23].
Si pu`o osservare come l’efficienza termica diminuisca regolarmente al crescere di Re e questo effetto `e attribuito al fatto che, a valori costanti del rapporto H/d, visto che la lun- ghezza della zona di reazione cresce con Re, non c’`e pi`u lo spazio a sufficienza per completare l’aerazione secondaria e quindi si ha reazione incompleta; fenomeno confermato dalla leggera crescita delle emissioni di CO.
4.2.2 Rapporto di equivalenza (Φ) [23]
Per questa prova `e stato utilizzato LPG come combustibile con rapporti di equivalenza abbastanza elevati (fiamme ricche di combustibile).
Figura 4.4: Andamenti dell’efficienza termica e delle emissioni di CO al variare del rapporto di equivalenza, Re=350, H/d=4, S/d=10.4 [23].
L’efficienza termica diminuisce leggermente con Φ fino ad un minimo per poi ricrescere; le emissioni di CO invece prima crescono fino ad un massimo e poi diminuiscono. Una maggiore efficienza termica e minori livelli di CO sono prevedibili nelle condizioni di combustione pi`u prossime a quelle stechiometriche (Φ = 1.4), al crescere di Φ la temperatura di fiamma si abbassa e questo giustifica valori inferiori di η e pi`u elevati di CO.
4.2.3 Distanza asole-superficie inferiore recipiente (H/d) [23]
Figura 4.5: Andamenti dell’efficienza termica e delle emissioni di CO al variare del rapporto H/d, Re=350, Φ = 1.7, S/d=10.4 [23].
La dipendenza di η dal rapporto H/d `e fortemente non lineare come si pu`o vedere da (fig.4.5); Fissato un valore di Φ gli autori ottengono un valore massimo di η per H/d'6, che corrisponde alla condizione di massimo sviluppo spaziale della fiamma e completa combu- stione dei reagenti. Per valori H/d maggiori del massimo la maggiore estensione della zona di mescolamento della fiamma con l’aria esterna riduce la temperatura dei fumi riducendo l’efficienza termica; le emissioni di CO invece si riducono sensibilmente poich`e si ha una maggiore aerazione secondaria della fiamma. Al contrario una riduzione di H/d favorisce il contatto della fiamma con la superficie inferiore del recipiente con conseguente incompleta combustione ed aumento delle emissioni di CO.
4.2.4 Distanza relativa ugelli (S/d) [23]
Figura 4.6: Andamenti dell’efficienza termica e delle emissioni di CO al variare del rapportoS/d, Re=350, Φ = 1.7, H/d=4 [23].
La distanza relativa fra gli ugelli ha un modesto effetto sull’efficienza e sull’emissione di CO; in particolare si ha un leggero aumento di queste grandezze al crescere di S/d. Si pu`o ipotizzare che l’aumento della separazione fra getti contigui favorisca il trascinamento di
aria secondaria ed il progressivo raffreddamento della fiamma con conseguente aumento delle emissioni di CO.
4.2.5 Aerazione primaria e potenza termica [22]
L’aerazione primaria (espressa in percentuale rispetto al valore stechiometrico) e la poten- za termica costituiscono altri due paramentri importanti. Si pu`o osservare che indipendente- mente dal tipo di bruciatore, una volta fissata la pressione del gas e l’altezza del recipiente, un aumento di potenza termica `e negativo sia per l’efficienza termica che per le emissioni di CO. Sono stati analizzati due tipi diversi di bruciatori: a flusso radiale (RB) e a flusso con swirl (SB).
Figura 4.7: Andamenti dell’efficienza termica e delle emissioni di CO al variare dell’aerazione primaria a differenti input termici (θF) per due tipi di bruciatore (RB,SB), pressione di
alimentazione P=280 mmH2O [22].
Infatti l’incremento della potenza porta ad un aumento dell’altezza di fiamma e quindi all’impatto sul recipiente con conseguente incompleta combustione (spegnimento della fiam- ma sulla parete del recipienteo insufficiente apporto di aria secondaria).
Il simbolo θF indica la posizione della valvola di regolazione dei bruciatori (60◦ rappre-
senta 2.82 kW e 90◦ 4.41 kW) alla pressione di alimentazione di 280 mmH2O. Il simbolo θAo
rappresenta invece la regolazione di aria primaria del bruciatore che pu`o variare da 10◦ a 90◦. Per lo stesso bruciatore, operante alla stessa potenza termica, l’incremento della per- centuale di aria primaria produce un maggior apporto di ossigeno alla reazione e quindi una riduzione dell’altezza di fiamma. Questo fenomeno, favorito dalla maggiore velocit`a di combustione in quanto miscela prossima alla condizioni stechiometriche, riduce la possibilit`a di impatto della fiamma sul fondo del contenitore evitando la combustione incompleta e la formazione di CO (fig.4.7).
4.2.6 Pressione di iniezione del gas [22]
Un’analisi dell’effetto della pressione di iniezione del gas `e riportata nella (fig.4.8) per valori compresi fra 200 e 350 mmH2O.
Figura 4.8: Andamenti dell’efficienza termica e delle emissioni di CO al variare della pressione di alimentazione del gas a differenti input termici (θF) per due tipi di bruciatore (RB,SB)
[22].
Un aumento della pressione del gas (con conseguente aumento della potenza termica) porta ad un progressivo aumento della lunghezza di fiamma e quindi ne favorisce l’impatto sulla superficie del contenitore. Il risultato `e una maggiore produzione di CO e una minore efficienza termica.
4.2.7 Tipologia recipiente [25]
L’andamento dell’efficienza termica con la portata del gas e quindi con la potenza termica `e stato studiato in [25] per un bruciatore convenzionale ma per due tipi di recipienti identificati come ’pot’ e ’pan’. L’osservazione interessante `e che il tipo di recipiente ha una notevole influenza sull’efficienza termica misurata, anche se questa varia in modo analogo per i due recipienti (`e presente un massimo ad una portata intermedia fra quelle analizzate).
Figura 4.9: Andamenti dell’efficienza termica in funzione della portata di gas per due tipi di recipienti, pot e pan [25].
Le differenze fra i due recipienti sono attribuite al fatto che il recipiente a base piatta (pan) viene completamente investito dalla fiamma ottimizzando lo scambio termico. Nel caso del recipiente a fondo arrotondato (pot) la fiamma `e a contatto solo con una porzione della superficie e lo scambio termico ne risulta ridotto.
L’andamento qualitativo di entrambe le curve viene spiegato considerando che a basse portate del gas la velocit`a dei gas combusti `e bassa e produce un modesto scambio termico; questo aumenta con la portata fino ad una condizione di ottimo oltre il quale l’area superficiale disponibile per lo scambio termico diventa il fattore dominante perch`e le perdite associate ai gas combusti dispersi nell’ambiente crescono pi`u rapidamente dell’assorbimento di energia da parte del recipiente.
4.2.8 Tipologia bruciatore [25]
Gli stessi autori di sopra hanno anche confrontato due tipi di bruciatori mostrati in (fig.5.3), uno di disegno convenzionale e uno realizzato con una piastra forata superficiale.
(a) Bruciatore convenzionale [25]. (b) Bruciatore a piastra forata [25].
Figura 4.10
La (fig.4.11) riporta gli stessi andamenti dell’efficienza termica in funzione della portata di gas mostrati precedentemente in (fig.4.9) ma riferiti al caso del bruciatore a piastra forata. Le differenze sono sensibili e dimostrano che il disegno del bruciatore `e molto importante; infatti l’efficienza termica del secondo tipo di bruciatore diminuisce con la portata ma rimane sostanzialmente pi`u elevata con entrambi i recipienti (pot e pan).
Figura 4.11: Andamenti dell’efficienza termica in funzione della portata di gas per due tipi di recipienti, pot e pan, nel caso di bruciatore a piastra forata [25].