Dossier tecnico

Fumi caldaia, analisi di combustione e UNI 10389: guida pratica per installatori e manutentori

L’analisi dei fumi caldaia (o bruciatore) è parte integrante di un processo inteso a incrementare la sicurezza e il rendimento della caldaia e, allo stesso tempo, a ridurne le emissioni. Un’analisi chimica della composizione dei fumi prodotti dalla combustione consente di ricavare informazioni molto importanti sullo stato di efficienza della caldaia e sulla qualità della combustione stessa. La norma UNI 10389 descrive tutti gli aspetti tecnici e operativi per eseguire l’analisi dei fumi delle caldaie.

Gli analizzatori portatili di combustione TESTO forniscono tutti i dati necessari per un'analisi completa attraverso la misura diretta nei fumi del contenuto di O2, CO, SO2, NOx e il calcolo dei parametri essenziali: anidride carbonica (CO2), eccesso d'aria (λ) ed efficienza (η) ricavati secondo le norme approvate dalla legislazione italiana ed europea.

Berner

Alcune definizioni

Le concentrazioni delle componenti chimiche di interesse sono misurate dall’analizzatore di gas di combustione dopo avere eliminato l’eventuale particolato ed essiccato il campione stesso.

La temperatura dei gas è misurata utilizzando una termocoppia posizionata in modo da misurare la temperatura all’interno del flusso.

La temperatura dell’aria comburente è misurata posizionando una seconda sonda di temperatura in modo da misurare la temperatura dell’aria aspirata dalla caldaia.

Il tiraggio è la differenza di pressione tra l’interno e l’esterno del camino.
Il nerofumo è misurato prelevando uno specifico volume di gas dal camino.

Successivamente all’esecuzione di queste misure, i dati devono essere interpretati utilizzando alcuni parametri di combustione calcolati: perdite al camino, rendimento ed eccesso d’aria.

Sicurezza:

Testo S.p.a.

Lavorare in regime di sicurezza vuol dire tenere sotto controllo i valori dell'ossido di carbonio (CO), del tiraggio e del nerofumo (per bruciatori a gasolio e olio combustibile).

Il monossido di carbonio (CO) è un gas tossico molto pericoloso ed anche indicatore di una combustione incompleta. La sua percentuale nei fumi di scarico deve essere insignificante. Nonostante la legge imponga come limite il valore di 0,1% (corrispondente a 1000 ppm), è bene mantenersi su valori considerevolmente più bassi (vedasi la tabella dei valori consigliati).

Valori elevati di CO sono tipici di una combustione non completa la maggior parte delle volte causata da una miscela troppo ‘ricca’. Il problema viene risolto aumentando la quantità d'aria comburente o riducendo la quantità di combustibile al bruciatore (riducendo in questo caso la potenza termica del generatore).

A volte la presenza di CO in quantità elevata può essere dovuta anche ad un eccesso d'aria troppo elevato, che determina una cattiva miscelazione tra aria e combustibile. In tal caso si dovrà agire sul bruciatore variando la lunghezza della fiamma e riducendo la quantità d’aria che partecipa alla combustione, controllando attentamente come questa regolazione influisce sul valore di CO.

 

Combustibile

N° di Bacarach

CO: val. max. consigliati (3% O2)

 

 

mg/m3

ppm

Metano

0

100

80

Gas di città

0

100

80

GPL

0

100

80

Gasolio

0÷1

170

136

Olio combustibile BTZ

 0÷2

170

136

Il Monossido di carbonio, oltre a dover essere verificato per l’ottimizzazione della combustione, è un gas velenoso. Anche piccole quantità in ambienti chiusi e non sufficientemente areati, possono essere molto pericolosi sia per il manutentore che per le persone che frequentano i relativi locali.

I valori limite di monossido di carbonio riconosciuti dall’ente internazionale OSHA sono dati dalla seguente tabella:

Concentrazione

Effetti

 

 

9 ppm

Concentrazione max. ammessa in ambienti abitati

35 ppm

Concentrazione max. per esposiz. continua di 8 ore

200 ppm

Mal di testa, fatica, nausea dopo 2 ore

800 ppm

Nausea e convulsioni in 45 min. Morte in 2/3 ore

3200 ppm

Mal di testa e nausea in 5/10 min. Morte in 30 min.

Per questo motivo, la misura della concentrazione del monossido di carbonio in ambiente dovrebbe essere eseguita prima di entrare nel locale caldaia e comunque ogni volta che si esegue una manutenzione di un impianto a camera aperta dopo aver verificato il tiraggio e il riflusso.

Il tiraggio misurato al camino non dovrebbe essere mai inferiore a 3 Pa, necessari per consentire la corretta evacuazione dei fumi ed impedire pericolose diffusioni di CO nell'ambiente (riflusso).

Questo controllo, richiesto dalla norma UNI 10389 e descritto dalla dalla UNI 10845, è fondamentale (insieme al controllo del riflusso) per le caldaie a camera aperta (per es. le murali) installate in ambienti abitati e a volte poco areati.

La misura dell'indice di fumosità (nerofumo) è richiesta in caso di combustibili liquidi o solidi (gasolio, olio combustibile, olio denso, carbone, legna, ecc.). La presenza di nerofumo è sinonimo di una cattiva combustione.

Valori elevati determinano un’accelerazione dello sporcamento delle parti della caldaia lambite dai fumi, con conseguente riduzione dello scambio termico tra fumi e acqua, aumento della temperatura dei fumi, e riduzione del rendimento di combustione (1 mm di fuliggine determina un aumento del consumo energetico fino al 4 %).

Un eccessivo accumulo di fuliggine nei camini di impianti a combustibile solido può essere causa anche di incendi e scoppi.

Fumi caldaia e analisi combustione: norme e Leggi in Italia

Il percorso normativo e legislativo Italiano, per quanto riguarda le verifiche di efficienza energetica degli impianti termici civili e industriali ha avuto origine il 4 Febbraio 1990 ai negoziati della convenzione quadro delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici. In Italia, a partire dalla famosa Legge 10/1990 una lunga sequenza di leggi e norme hanno preso in considerazione e regolamentato tutti gli aspetti di:

• periodicità di verifica dell’impianto termico;
• limiti di accettabilità in funzione della potenzialità e della data di installazione dell’impianto;
• responsabilità e le sanzioni da applicare

Periodicità dei controlli di efficienza energetica sulla caldaia

L’allegato A al D.P.R. 37/2014 definisce, a livello nazionale i tempi massimi che le regioni possono far applicare per i controlli di efficienza energetica degli impianti di climatizzazione invernale con potenza termica nominale maggiore di 10kW.

Tipologia di impianto

Alimentazione

Potenza termica (kW)

Cadenza controlli di efficienza energetica (anni)

Rapporto di controllo di efficienza energetica

Impianti con generatore di calore a fiamma

Generatori alimentati a liquido o solito

10 < P < 100

2

Rapporto tipo 1

P ≥ 100

1

Generatori alimentati a gas, metano o GPL

10 < P < 100

4

Rapporto tipo 1

P ≥ 100

2

Diverse regioni quali ad esempio Lombardia, Veneto e Piemonte impongono frequenze maggiori, limiti di potenza più ampi per le verifiche degli impianti termici.

Permane comunque l’obbligo della manutenzione periodica su tutte le tipologie d’impianto indipendentemente dalla potenzialità e secondo quanto dichiarato per iscritto dall’impresa installatrice dell’impianto o, in assenza di tali istruzioni secondo quanto dichiarato nel libretto di istruzioni dal costruttore degli apparecchi installati.

Rendimento di Combustione: Limiti di accettabilità L'Allegato B al vigente D.P.R. 37/2013, prevede che il rendimento di combustione, rilevato nel corso dei controlli, misurato alla massima potenza termica effettiva del focolare nelle condizioni di normale funzionamento, in conformità alle norme tecniche UNI, debba risultare non inferiore ai valori limite, che dipendono dalla potenza, dal periodo di installazione della caldaia, dal fluido vettore, dal tipo di caldaia.

Ossidi di Azoto: Limiti di accettabilità

A livello nazionale, la misura degli Ossidi di Azoto (NOx) non è in generale obbligatoria sugli impianti con potenzialità inferiore a 35 kW.

La regione Piemonte impone, con d.g.r. 4 agosto 2009 n. 46 11968, il controllo degli ossidi di Azoto (NOx espressi come NO2) e ne definisce il limite massimo ammissibile a 80 mg/kWh riferiti al 5% di O2.

La norma UNI 10389-1:2009:

Testo S.p.a.

La norma UNI 10389, è stata aggiornata nel 2009 ed include tutti gli aspetti tecnici e operativi per eseguire la misurazione in opera del rendimento di combustione nei generatori di calore con potenza termica nominale al focolare superiore a 4kW.
Sono prescritte le seguenti procedure:

  • misurazione in opera del rendimento di combustione di generatori di calore;
  • misurazione in opera della concentrazione di monossido di carbonio nei prodotti della combustione;
  • misurazione in opera dell'indice di fumosità (per i soli generatori alimentati con combustibili liquidi).

Le principali differenze rispetto alla versione precedente della norma possono essere riassunte in:

  • Introdotte alcune semplificazioni procedurali per gli operatori;
  • Calcolo del rendimento di combustione considerando il contributo termico fornito dal recupero di calore nelle caldaie a condensazione;
  • Modificati i valori dei poteri calorifici inferiore dei combustibili ammessi;

Definizione di 1 anno per la periodicità di taratura degli strumenti di misura utilizzati.

 

Misura del Monossido di Carbonio

La UNI 10389-1 richiede che venga misurato il CO (monossido di carbonio) non diluito. E’ il CO prodotto dalla caldaia e non quello misurato direttamente dallo strumento. Il valore non deve essere superiore a 1000 ppm (riferito allo 0% di Ossigeno).

Questo valore di soglia è ben oltre i limiti accettabili dall’organismo umano e la sua verifica ha significato esclusivamente per validare i valori di rendimento calcolati dalla formula riportata dalla norma stessa. Infatti, un valore di CO superiore a 1000ppm avrebbe come significato una perdita al camino per incombusti che bisognerebbe calcolare e sottrarre al rendimento calcolato.

Misura dell'indice di nerofumo

L'incompleta combustione origina una perdita di rendimento con conseguente produzione nei fumi di carbonio incombusto. Queste particelle rappresentano la fuliggine (particolato) che si deposita nel condotto del camino e quindi fuoriesce nell'atmosfera conferendo ai fumi l'aspetto caratteristico nero. La misura del grado di fumosità costituisce quindi un indice dell'andamento della combustione.

Se la carta da filtro risultasse anche parzialmente bruciata o umida per effetto della condensa, la misurazione deve essere ripetuta.

La UNI 10389-1 richiede di eseguire tre prove con la pompa manuale o elettronica negli impianti a combustibile liquido (gasolio e olio combustibile).

Il risultato è positivo se almeno 2 misure sono entro il limite di 2 (gasolio) della scala Bacharach. Se i dati misurati dopo la pulizia e le regolazioni non rientrano tra quelli indicati, occorre informare il cliente e lasciare la caldaia spenta, annotando le motivazioni sul libretto.

Analisi dei fumi di combustione

L’analizzatore di gas combustione è in grado di misurare, con appositi sensori i valori fondamentali di Ossigeno (O2), Monossido di carbonio (CO), Monossido di Azoto (NO), Temperatura dei fumi, Temperatura dell’aria comburente.

Questi parametri, non sono però sufficienti per consentire una completa e corretta analisi dell’impianto termico. Lo strumento calcola infatti ulteriori parametri, seguendo le formule definite dalle normative in vigore: Anidride carbonica (CO2), Ossidi di Azoto (NOx), Indice d’aria (λ), Perdite per calore sensibile (Qs), Rendimento (η), CO non diluito, consentendo inoltre la visualizzazione dei parametri con diverse unità di misura (ppm, mg/Nm3, mg/kWh...).

Interpretazione dei risultati

Oltre alla più semplice verifica del rispetto dei limiti di legge per quanto riguarda il rendimento, il CO e degli NOx, i valori che l’analizzatore propone sul display, se correttamente interpretati nello specifico contesto dell’impianto, forniscono ulteriori utili informazioni.

Resta inteso che i parametri ottimali di funzionamento di ogni caldaia, bruciatore e di ogni impianto realizzato sono differenti e risulta pertanto impossibile standardizzare con una tabella i valori tipici di funzionamento.

A tale scopo si daranno, di seguito, solo delle indicazioni che possono essere usate come guida per ottimizzare l’impianto e trovare il punto di lavoro migliore.

Ulteriore considerazione da fare è che non sarà “mai” possibile riportare i parametri di funzionamento ai valori ottenuti dopo l’installazione del nuovo impianto. Molti sono i fattori che intervengono sul continuo deterioramento (anche con una meticolosa e periodica manutenzione) del sistema termico.

Per ottimizzare la combustione bisogna da un lato rispettare i limiti di legge relativi agli incombusti (CO e Nerofumo) e al tiraggio, dall’altro cercare di ottenere il massimo rendimento. La regola generale vuole che i tre parametri, (O2, CO2 e CO) misurati dall’analizzatore nei fumi al camino, siano il più possibile vicini ai corrispondenti valori della combustione teorica.

Di conseguenza una buona combustione deve avere nei fumi:

Ossigeno

Il più basso possibile compatibilmente con il valore di Monossido di Carbonio.

Anidride carbonica

La più prossima (ma sempre inferiore) al valore teorico per il combustibile utilizzato (es. Metano = 11,7%).

Monossido di carbonio

Il più basso possibile (anche per motivi di sicurezza e a protezione dall’inquinamento ambientale).

Le operazioni pratiche per raggiungere questa condizione si riassumono nell’intervento sulla quantità di aria al bruciatore (regolazione dell’accesso dell’accesso di aria) per ottenere i valori riportati in tabella che vanno intesi come indicativi, e non come indici rigidamente fissati.

E’ chiaro inoltre che questa regola di controllo combustione si applica al bruciatore tarato e ben calibrato in ogni sua caratteristica.

A questo punto è possibile confrontare le misure attuali con quelle delle analisi eseguite negli anni precedenti. Non esiste una regola assoluta ma è importante tenere presente che:

ALTO Valore di Ossigeno

Eccesso d’aria troppo elevato: il rendimento può essere migliorato. Ridurre l’eccesso d’aria compatibilmente con i limiti del CO

ALTA Temperatura fumi

Verificare che gli scambiatori di caloresiano puliti da fuliggine o calcare

BASSA Temp. aria comb.

Eccessiva velocità dei fumi. verificare la velocità della Ventola di estrazione fumi

ALTO Monossido carbonio

Combustione non completa. Verificareeccesso d’aria, tiraggio, velocità dellaventola di estrazione fumi

ALTI Ossidi di Azoto

Ugelli del bruciatore sporchi o deformati

Testo 330 LLV3, un nuovo strumento di valutazione

Testo S.p.a.

Gli analizzatori di combustione Testo 330 LLV3 integrano procedure e funzioni, uniche per uno strumento portatile, in grado di fornire tutte le informazioni necessarie a semplificare e velocizzare le attività di regolazione e controllo di bruciatori e caldaie.

La funzione “matrice dei fumi” rappresenta in un grafico in tempo reale il punto di funzionamento del bruciatore informando l’operatore di quanto si scosta dai valori ottimali consentendo di agire sull’impianto rapidamente e con efficacia.
La funzione di visualizzazione dei grafici delle misure (analisi fumi, pressione, tiraggio e temperature) consente di avere un maggiore controllo dei parametri rispetto al tradizionale valore numerico.

Tutti gli analizzatori Testo 330 LL V3 hanno GARANZIA di 4 ANNI, senza obbligo di contratti di manutenzione.

L’analizzatore Testo 330 LL V3 integra le procedure dettagliate per la Prova di tenuta impianti gas secondo UNI 7129 e 11137 (preliminare e verifica dei requisiti), consentendo di eseguire le prove di sicurezza dell’impianto a gas ormai obbligatorie anche dopo una manutenzione della caldaia.

Il modulo esterno per la misura di tiraggio secondo UNI 10845 consente di controllare la corretta depressione in camino con la massima certezza di precisione indipendente dalle variazioni di temperatura e di posizionamento. Integra infatti, unico al mondo, un sistema automatico di auto-taratura del sensore che garantisce precisioni e stabilità anche per misure di lungo periodo.

Da oggi è disponibile, per il solo modello 330-2 LLV3 , il kit per la verifica di impianti a combustibile solido. Il kit, oltre a consentire misure in sicurezza anche in presenza di un’elevata concentrazione di CO, polveri e umidità nei fumi, attiva una speciale funzione per il calcolo del CO medio (su 15 min.), come richiesto dalla normativa tedesca in fase di progettazione e installazione degli impianti termici.

Inoltre, tutti gli analizzatori della nuova serie testo 330 LLV3 sono dotati di speciali celle a lunga durata, con vita media di 6 anni e garantite 4 ANNI. Grazie alla lunga vita operativa delle celle pre-calibrate per O2 e CO, i costi di manutenzione risultano notevolmente ridotti, poiché non sarà più necessario sostituire frequentemente i sensori di misura.

 

Berner