La combustione della caldaia è lo studio di come i combustibili vengono bruciati nelle caldaie che riscaldano l’acqua per il vapore. Esistono molte applicazioni per le caldaie a vapore, tra cui il riscaldamento dei processi chimici, il calore a vapore per edifici e acqua calda e il vapore per azionare generatori di turbine elettriche. La combustione è la reazione dei combustibili con l’ossigeno nell’aria per creare calore che viene utilizzato per la produzione di vapore.
Una varietà di combustibili può essere utilizzata per la combustione della caldaia, inclusi gas naturale, olio combustibile e biocarburanti prodotti da piante o rifiuti animali. Quando il combustibile viene spruzzato o atomizzato in una caldaia con aria, una bobina di accensione o una piccola fiamma pilota possono accendere la miscela. La combustione rilascia una grande quantità di calore, parte del quale riscalda l’acqua in vapore, e parte viene dispersa a causa delle radiazioni e delle perdite nei fumi. La radiazione è la perdita di calore a infrarossi che si verifica da una caldaia calda in una stanza più fresca. Le perdite ai fumi sono gas riscaldati che vengono scaricati dalla caldaia attraverso la sua canna fumaria o sfiato.
I proprietari e gli operatori sono interessati a massimizzare l’efficienza della combustione della caldaia. Le questioni principali da considerare sono l’efficienza di combustione, ovvero quanto bene bruciano le miscele di aria e combustibile e come ridurre al minimo le perdite di calore. La perdita di calore radiante può essere ridotta al minimo con un adeguato isolamento della caldaia e delle tubazioni del vapore. Il design e i controlli della caldaia possono essere utilizzati per massimizzare l’efficienza della combustione.
La zona di combustione di una caldaia ha normalmente tubi contenenti acqua e vapore che passano attraverso una scatola aperta che può contenere bruciatori e comandi. Il design del tubo può migliorare l’efficienza, utilizzando sistemi multi-pass. I tubi dell’acqua che entrano nella caldaia possono prima passare attraverso la zona dei fumi, che assorbe parte del calore disperso e preriscalda l’acqua. I tubi possono quindi passare attraverso la zona di combustione più di una volta per utilizzare completamente il calore di combustione, il che migliora anche l’efficienza.
L’efficienza della combustione della caldaia per le miscele di aria e combustibile è fondamentale per il corretto funzionamento della caldaia. Una molecola di combustibile richiede una quantità teorica di ossigeno per bruciare completamente, ma in realtà è necessario un eccesso di ossigeno a causa di varie perdite nella zona di combustione. L’aria contiene circa il 21% di ossigeno, quindi anche l’azoto incombusto nell’aria deve essere riscaldato nella caldaia e sfiatato dalla canna fumaria. Ciò influisce ulteriormente sull’efficienza della caldaia e produce composti azotati che sono stati collegati alla pioggia acida e alla formazione di smog.
Troppo ossigeno riduce la temperatura di combustione della caldaia, può creare alcuni inquinanti indesiderati e richiede carburante per riscaldare ossigeno e azoto che non vengono utilizzati. La mancanza di ossigeno può ridurre l’efficienza della caldaia e creare fuliggine e altri sottoprodotti che possono danneggiare la caldaia nel tempo. La ricerca ha scoperto che il monitoraggio delle concentrazioni di ossigeno e dei gas di combustione nei gas di scarico e il mantenimento di una corretta temperatura dei fumi possono ottimizzare le prestazioni della caldaia.
Le caldaie più piccole possono essere regolate manualmente utilizzando sensori di gas di combustione e termometri per gas di combustione, ma molte caldaie possono beneficiare di controlli automatici. Le caldaie potrebbero non funzionare in un unico punto operativo, ma avranno richieste di vapore o condizioni operative variabili, il che rende impraticabili le impostazioni manuali dell’efficienza. Le caldaie più vecchie possono essere dotate di controlli elettronici che forniscono feedback alle pompe di ingresso dell’aria e del carburante per fornire il miglior rapporto per la combustione.