UNIVERSITÀ DEGLI SUDI DI CAMERINO Dipartimento di Scienze e Tecnologie Percorsi Abilitanti Speciali PAS Classe di concorso C320 Macchine a fluido La caldaia a condensazione; caratteristiche, funzionamento e analisi dei fumi della combustione Relatore: Ch.mo Prof. Nazareno Agostini Correlatore: Tutor Prof. David Vitali Corsista: Giulio Pedinotti Matr. 091972 Anno Accademico: 2013/2014

Percorso didattico: La caldaia a condensazione Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Percorso didattico: La caldaia a condensazione Contesto scolastico e contestualizzazione curriculare Le finalità educative Gli obiettivi in termini di competenza e abilità I prerequisiti I nodi concettuali affrontati (contenuti) Gli eventuali collegamenti interdisciplinari Gli strumenti ed i materiali utilizzati La scansione temporale Le scelte metodologiche La verifica sulle competenze acquisite Gli indicatori per la valutazione L’eventuale recupero e/o approfondimenti

Contesto scolastico e contestualizzazione curriculare Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Contesto scolastico e contestualizzazione curriculare Scuola: Istituto Professionale per l’Artigianato «G. Benelli» – Pesaro (PU) Indirizzo: Meccanica, Meccatronica ed Energia Ambito disciplinare: Macchine a fluido e laboratorio Studenti: Triennio «Operatore di Impianti Termoidraulici» biennio anno III Finalità educative Acquisizione competenze professionalizzanti per l'inserimento nel mondo del lavoro

Obiettivi: Conoscenze Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Obiettivi: Conoscenze Proprietà chimico-fisiche dei combustibili. Proprietà meccaniche e tecnologiche dei materiali da costruzione e loro classificazione. Criteri di utilizzo i generatori di calore in rapporto alle destinazioni d’uso, all’impatto e alla sostenibilità ambientale. Principi, rendimenti, risparmio energetico e riduzione delle emissioni inquinanti. Effettuare la posa in opera degli impianti di riscaldamento ed il loro collaudo finale. Effettuare manutenzione di tipo ordinaria. Normativa tecniche degli impianti UNI 10389-2 (Misurazione in opera dei generatori di calore). 

Obiettivi: Abilità Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Riconoscere e comparare le caratteristiche chimiche, fisiche dei combustibili Scegliere i generatori di calore in rapporto alle destinazioni d’uso, all’impatto ed alla sostenibilità ambientale, prevedendo il loro comportamento nelle diverse condizioni di impiego Collaborare nell’esecuzione di impianti di riscaldamento nel rispetto delle norme tecniche. Definire e distinguere generatori di calore tradizionali o a condensazione Riconoscere le tipologie di caldaie a condensazione più opportune per realizzare impianti di riscaldamento differenti. Definire i bruciatori valutandone il comportamento nei confronti del passaggio del calore

Prerequisiti: Competenze Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Prerequisiti: Competenze Individuare le strategie appropriate per la soluzione di problemi Osservare, descrivere ed analizzare fenomeni appartenenti alla realtà naturale e artificiale e riconoscere nelle varie forme i concetti di sistema e di complessità Essere consapevole delle potenzialità e dei limiti delle tecnologie nel contesto culturale e sociale in cui vengono applicate Verifica prerequisiti I prerequisiti sono stati oggetto di verifiche d’ingresso, in quanto svolti prima di questo percorso didattico. Ove necessario attraverso un ripasso si sottolineeranno i concetti fondamentali.

Nodi concettuali affrontati: Contenuti Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti LEZIONE CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE 1 Concetto di risparmio energetico e definizioni Principio di funzionamento Lezione frontale Intervento degli studenti Discussione LIM Libro di testo Dispense 2 Caratteristiche fisiche dei fumi della combustione Presenza ITP Schede tecniche produttori Campioni in laboratorio 3 Rendimenti e curve di lavoro Visita Centrale Termica Scuola 4 Componentistica principale   5 Analisi fumi combustione con prova strumentale Esercitazione in classe e per casa Prove in Laboratorio Redazione di relazione di Laboratorio Strumentazione di laboratorio Generatore di calore in centrale termica 6 Verifica scritta: prova oggettiva articolata in: Domande aperte Quesiti a risposta multipla Quesiti di collegamento e completamento Correzione della verifica scritta Consegna della relazione sulle prove di laboratorio ---------

BENESSERE AMBIENTALE PER L’UTENTE Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti LEZIONE CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE 1 Concetto di risparmio energetico e definizioni Principio di funzionamento Lezione frontale Intervento degli studenti Discussione LIM Libro di testo Dispense del professore 2 LEZIONE CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE 1 Storia dei laterizi Lezione frontale Intervento degli studenti Discussione LIM Libro di testo Dispense 2 BENESSERE AMBIENTALE PER L’UTENTE RISPARMIO ENERGETICO RIDUZIONE DELLE EMISSIONI INQUINANTI

La caldaie a condensazione Termoregolazione e sicurezze mandata bruciatore gas scambiatore ritorno Scarico fumi Rendimento = energia resa all’impianto/ energia utilizzata Potenza termica utile/Potenza termica focolare

IL PRINCIPIO La caldaia a condensazione, può recuperare gran parte del calore latente dei fumi espulsi con il camino. La particolare tecnologia della condensazione consente infatti di raffreddare i fumi fino a farli tornare allo stato di liquido saturo , con un recupero di calore utilizzato per preriscaldare l'acqua di ritorno. In questo modo la temperatura dei fumi di uscita (che si abbassa a circa 40 °C) è prossima alla temperatura di mandata dell'acqua. È possibile lavorare con tali temperature dei fumi, quindi condensare, in quanto le caldaie a condensazione utilizzano scambiatori di calore realizzati con metalli resistenti all'acidità delle condense.

Nodi concettuali affrontati: Contenuti Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti LEZIONE CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE 2 Caratteristiche fisiche dei fumi della combustione Lezione frontale Intervento degli studenti Discussione Presenza ITP LIM Libro di testo Schede tecniche produttori Campioni in laboratorio CALORE LATENTE E POTERE CALORIFICO COMBUSTIBILE Il calore latente (associato a una trasformazione termodinamica) è la quantità di energia necessaria allo svolgimento di una transizione di fase (o passaggio di stato). Ad esempio, il "calore latente di condensazione" è l'energia massica corrispondente al passaggio di un sistema (costituito da una a più sostanze chimiche) dallo stato di vapor d’acqua a quello liquido. L'unità di misura del calore latente λ nel Sistema internazionale è J/kg ------------------------------- Si definisce potere calorifico di un combustibile l’energia termica sviluppata durante la combustione di 1 Kg di combustibile. Parte di questa energia viene utilizzata per l’evaporazione dell’acqua, se questa viene considerata persa nei fumi si ha il potere calorifico inferiore (è quello che si usa), se si pensa di recuperare l’energia di evaporizzazione dell’acqua si ottiene il potere calorifico superiore. Si misura in MJ/kg nel Sistema Internazionale o in KcaL/kg.

SI DISTINGUE TRA: Potere calorifico superiore (ΔcHso, meno correttamente indicato come PCS ). E’ la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente. Potere calorifico inferiore (ΔcHio, meno correttamente indicato come PCI). Il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la combustione".

LE CALDAIE A CONDENSAZIONE La caldaia a condensazione è una caldaia apparentemente in grado di ottenere un rendimento termodinamico superiore al 90% (potere calorifico inferiore ) del combustibile utilizzato grazie al recupero del calore latente di condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi della combustione. Vi è inoltre una conseguente riduzione delle emissioni di NOx e CO. Le normali caldaie utilizzano solo una parte del calore sensibile dei fumi di combustione (140~160 °C ) perché occorre evitare la condensazione dei fumi, che dà origine a fenomeni corrosivi. Il vapore acqueo generato dal processo di combustione (circa 1,6 kg/m³ di gas) viene quindi disperso in atmosfera attraverso il camino: la quantità di calore in esso contenuta, definito calore latente, rappresenta l'11% dell'energia liberata dalla combustione, in tali caldaie non è recuperata.

Pcs in Joule Gasolio 44000, Benzina 42700, Metano 50000, Idrogeno 120000

Nodi concettuali affrontati: Contenuti Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti LEZIONE CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE 3 Rendimenti e curve di lavoro Lezione frontale Intervento degli studenti Discussione Presenza ITP LIM Libro di testo Schede tecniche produttori Visita Centrale Termica Scuola 2 RENDIMENTI MINIMO SECONDO LA DIRETTIVA EUROPEA 92/42 CE

Caldaie a bassa temperatura Rendimento teorico Caldaie a bassa temperatura Caldaie a condensazione K = 15% K = 93% K = 108% Valori riferiti al p.c.i. 111% 111% Calore latente non sfruttato qC 11% 100% 1,0% 110,0% 94% 109,0% 6% Perdite lato fumi qF 1% Note ____________________________________________________________ 93% Dispersioni dell‘involucro qD 108% 1% 1%

Temperature impianto [°C] CURVE CARATTERISTICHE ED EFFETTO DELLA MODULAZIONE DELLA POMPA SUL RENDIMENTO La caldaia a condensazione con pompa modulante si abbina anche agli impianti vecchi con radiatori! 80 Temperature impianto [°C] -15 -10 -5 5 10 20 [°C] Temperatura esterna 40 60 100 Esercizio senza condensazione Sistema 75/ 60 °C Sistema 60/50 °C con adeguamento della portata Sistema 60/ 50 ° C Punto di rugiada Note ____________________________________________________________ Sistema 40/ 30° C

Nodi concettuali affrontati: Contenuti Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti LEZIONE CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE 4 Componentistica principale Lezione frontale Intervento degli studenti Discussione   LIM Libro di testo Dispense 2

Struttura e funzioni Raccordo concentrico per sistema aspirazione aria e scarico fumi (80/125) con tronchetti per test fumi Vaso d‘espansione MAG (accessorio) Condotto aspirazione aria Scambiatore di calore in Alluminio-Silicio Ventilatore con condotto di premiscelazione Valvola regolazione gas Raccordo per circuito eventuale miscelato (access.) Valvola di ritegno Pompa circ. riscaldamento modulante Pompa carico bollitore (accessorio) Animazione caldaia

Riscaldamento a pavimento o termosifoni Note ____________________________________________________________ Schema posa impianto radiante terra Disegno impianto a termosifoni

Nodi concettuali affrontati: Contenuti Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti LEZIONE CONTENUTO ATTIVITÀ DIDATTICA STRUMENTI ORE 5 Analisi fumi combustione con prova strumentale Esercitazione in classe e per casa Prove in Laboratorio Redazione di relazione di Laboratorio Presenza ITP Strumentazione di laboratorio Generatore di calore in centrale termica 2

Come si calcola il consumo di combustibile? Rendimento = energia resa all’impianto/ energia utilizzata Volume di combustibile [m3/h] Potenza termica utile [kW] pt V = X 3600 η x pci Rendimento di combustione Potere calorifico inferiore [kJ/m3] Foglio di calcolo CO2 risparmiata

ESERCITAZIONE PER CASA Eseguire il rilievo degli ambienti della propria abitazione con un programma di CAD. (recuperare se possibile una fotocopia della piantina catastale). Eseguire il rilievo di tutti i corpi scaldanti presenti. Eseguire il rilievo di tutte le tubazioni di adduzioni esistenti. (caldaia-collettore ; collettore- radiatori). Recuperare la scheda tecnica della propria caldaia e calcolare il consumo di combustibile a monte e a valle dell’installazione di una caldaia a condensazione (Es. scheda tecnica caldaia a condensazione). Valutare la fattibilità dell’intervento alla luce delle vigenti leggi di incentivazione per il risparmio energetico 65% Irpef (Legge 296/2006 e ss.mm.i).

Collegamenti interdisciplinari Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Collegamenti interdisciplinari TTIM - Tecnologie e tecniche di installazione e manutenzione di Apparati e Impianti Civili e Industriali TMA - Tecnologie Meccaniche ed Applicazioni TEEA - Tecnologie elettriche ed elettroniche ed Applicazioni LTE - Laboratorio tecnologico ed Esercitazioni MATEMATICA INGLESE Strumenti e materiali utilizzati Macchine a fluido, Volume Unico – G. Cornetti – Edizioni Il Capitello - Torino LIM del docente Schede tecniche aziende produttrici Campione didattico generatore di calore a condensazione

Le scelte metodologiche Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Spazi utilizzati Aula di laboratorio impianti termoidraulici con LIM Aula informatica: excell Visita guidata produttore caldaie Radiant Spa – Montelabbate di Pesaro (PU) Visita guidata Centrale termica scuola professionale «G. Benelli» Pesarodi restauro o nuova costruzione Le scelte metodologiche Lezione Frontale con LIM (caratteri maiuscoli per DSA) Lezione in laboratorio e analisi strumentale fumi della combustione. Redazione di Relazione sulla prova di Laboratorio in piccoli gruppi (utilizzo di campioni di materiali, immagini e filmati per la visualizzazione diretta e sensoriale di quanto trattato) Ricerca online schede tecniche – in gruppo

La verifica sulle competenze acquisite Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione La verifica sulle competenze acquisite Verifiche scritte costituite da prove oggettive articolate in quesiti a risposta multipla, quesiti di completamento e collegamento, corrispondenze. Criteri di valutazione : Interrogazione orale per consolidare il linguaggio tecnico ed in preparazione alla verifica scritta Relazione prova laboratorio risposta non data o sbagliata 0 punti risposta V/F 0,25 punti completamento 0,5 punti multiple 1 punto corrispondenze

VOTO COMPLESSIVO ATTRIBUITO ALLA PROVA Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione 12/06/2013 Gli indicatori per la valutazione: verifica scritta Obiettivi Livelli Punteggio/15 Risultato Conoscenze Conoscenza degli argomenti richiesti   Conoscenza solo di pochi aspetti degli argomenti richiesti. 1 Conoscenza frammentaria. 2 Conoscenza superficiale. 3 Conoscenza degli aspetti essenziali. 4 Conoscenza degli aspetti teorici essenziali e sufficiente uso delle tecniche. 5 Conoscenza completa. 6 Conoscenza completa e approfondita. 7 Competenze Rispetto dei vincoli della traccia e correttezza dell’ applicazione. Chiarezza nell’ illustrazione. Applicazione errata delle conoscenze con presenza di diffusi errori grossolani di calcolo. Applicazione incerta delle conoscenze. Applicazione solo parziale delle conoscenze. Applicazione sufficientemente corretta delle conoscenze, rispetto ai vincoli della traccia. Applicazione corretta e chiara delle conoscenze. Sa adeguatamente individuare la problematica e applicare sapientemente procedimenti e regole. Nessuna presenza di errori grossolani. Capacità Capacità elaborativa di analisi del problema e capacità grafiche Individua gli elementi essenziali e rappresenta graficamente l’indispensabile. Individua e correla tutti i dati, sintetizza le conoscenze in modo originale e rappresenta graficamente il problema con grande completezza ed in maniera formalmente corretta. Lo studente in generale dovrà sviluppare la capacita di: impostare la relazione di laboratorio con rigore sintetico. Riportare i dati sperimentali con accuratezza e precisione. Conoscere la terminologia tecnica.   VOTO COMPLESSIVO ATTRIBUITO ALLA PROVA _____/15

Gli indicatori per la valutazione: relazione prova laboratorio Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione 12/06/2013 Gli indicatori per la valutazione: relazione prova laboratorio Valutazione dell’atteggiamento di lavoro: punti1 Collaborazione nel lavoro di gruppo Contributo personale Rispetto delle norme di sicurezza Valutazione del rispetto dei tempi e delle consegne: punti 1 Consegna nei tempi richiesti Rispetto delle modalità (foglio protocollo, carta millimetrata, tabella excell, ecc.) Valutazione del la documentazione (relazione sulla prova sperimentale): punti 4 completezza in tutte le parti: obiettivo materiali e schematizzazione delle apparecchiature procedure di lavoro tabella delle misure impostazione e calcoli rappresentazione grafica e commento conclusioni Correttezza nelle procedure e nei contenuti e nella terminologia specifica: punti 3 deve risultare sempre chiaro l’obiettivo dell’esperienza i dati devono essere tabulati con le unità di misura (notazione scientifica) calcolo preceduti dalle formule i risultati devono essere approssimati correttamente le rappresentazioni grafiche sono comprensive della scala grafica e delle indicazioni delle grandezze in ascissa e ordinata con relativa unità di misura le conclusioni sono riferite all’obiettivo (raggiunto o meno) e sempre motivate presenza di raffronti tra i valori sperimentali ed attesi Metodo di presentazione: punti 1 leggibile e ordinata, senza eccessive correzioni può essere utilizzato il computer per realizzare grafici e tabelle Lo studente in generale dovrà sviluppare la capacita di: impostare la relazione di laboratorio con rigore sintetico. Riportare i dati sperimentali con accuratezza e precisione. Conoscere la terminologia tecnica.

Eventuale recuperi e/o approfondimenti Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Eventuale recuperi e/o approfondimenti Alunni con valutazione insufficiente: recuperi Alunni con valutazione sufficiente: consolidamento Alunni con valutazione buona: approfondimento Sufficienze Tipologia intervento s> 80% Recupero in itinere mirato + studio individuale 50%<s<80% Rafforzamento di alcuni contenuti in itinere. 1 lezione 20%<s<50% Attivazione di un corso pomeridiano s< 20% Riprogettazione attività didattica

GRAZIE PER L’ATTENZIONE