Generatori di vapore

Generatori di vapore

Il generatore di vapore, comunemente detto caldaia, ha la funzione di trasformare l'energia posseduta dal combustibile in energia termica e di trasmetterla al fluido, inizialmente allo stato liquido (acqua alimento), in modo da trasformarlo in vapore con determinate caratteristiche di pressione e di temperatura.

Le caldaie possono essere classificate secondo diversi criteri.

In base al modo di installazione, si distinguono in caldaie fisse, semifisse e mobili. Le caldaie fisse sono quelle che, costituendo unità grande e complessa, non possono essere trasportate senza demolire, sia pure parzialmente, l'impianto. Le caldaie semifisse, di solito di potenzialità limitata, sono quelle che, al contrario, sono eventualmente interamente trasportabili. Le caldaie mobili sono invece montate su basamento mobile e solitamente forniscono esse stesse la potenza necessaria per

il movimento, come nel caso delle locomotive ferroviarie o delle caldaie installate sulle navi.

In funzione del combustibile impiegato, si hanno caldaie ad olio combustibile, a carbone, a metano,a gas di scarico (recupero da forni), ecc.

A seconda del sistema di alimentazione dell'aria comburente e di scarico dei fumi, si hanno caldaie a tiraggio naturale, meccanico pressurizzato, aspirato, bilanciato.

La pressione del vapore prodotto, se inferiore o superiore alla pressione critica, distingue le caldaie subcritiche da quelle ipercritiche.

Infine la disposizione relativa dei fluidi in caldaia differenzia le caldaie a tubi di fumo (gas caldidella combustione circolanti nei tubi e acqua all'esterno di essi) da quelle a tubi d'acqua (acqua circolante nei tubi investiti all'esterno dai gas caldi).

Le caldaie utilizzate negli impianti moderni per la produzione di energia elettrica sono unicamente quelle che utilizzano l'irraggiamento diretto del calore dal focolare ai tubi d'acqua e sono capaci di elevate produzioni specifiche di vapore.

Sono costituite essenzialmente da una grande camera di combustione, completamente rivestita(schermata) da tubi nei quali circola l'acqua che si riscalda ed evapora.

I gas di combustione passano poi nelle zone dove il calore è scambiato per convezione, incontrando via via le serpentine del surriscaldatore, risurriscaldatore ed economizzatore

. I fumi all'uscita della camera di combustione hanno ancora una temperatura assai elevata(1.000 1.200°C) ed incontrano via via i surriscaldatori di media e di alta temperatura, il risurriscaldatore, il surriscaldatore di bassa temperatura e l'economizzatore.

Tutto il complesso di una caldaia di grande potenzialità è sostenuto dall'alto da un telaio metallico,che ne consente la libera dilatazione verso il basso. Dal telaio sono pure sostenuti i piani, le scale, la copertura.

I dati che caratterizzano una caldaia sono:

potenzialità: è la portata di vapore prodotta, espressa in t/h;

pressione di esercizio: è la pressione nominale di funzionamento, espressa in bar o kg/cm2;

pressione di timbro: è la pressione di progetto ed è indicata nel bollo impresso sul generatore;

temperatura di esercizio: è la temperatura del vapore in uscita dalla caldaia, espressa in °C;

carico termico superficiale: rappresenta le calorie che vengono assorbite in un'ora da un metro quadro di superficie;

carico termico volumetrico: è rappresentato dalle calorie prodotte in un'ora in un metro cubodi camera di combustione ed è espresso in kcal/m3 h;

rendimento di caldaia: è dato dal rapporto fra le calorie fornite dalla caldaia al fluido e le calorie sviluppate dalla combustione     

= Qu / Q dove la quantità di calore utilizzata vale    Qu=mv Hv-Ha la quantità di calore ottenuta dalla combustione vale    Q m pi

Naturalmente il calore utilizzato Qu è minore di quello fornito Q a causa delle perdite.

Il rendimento di caldaia può essere determinato con il metodo diretto oppure con il metodo indiretto.

Nel metodo diretto si determinano Qu e Q e quindi il rapporto Qu/Q.

Nel metodo indiretto si determinano invece le singole perdite e il rendimento è dato da:

perdite(%)

. la camera di combustione

E la parte di caldaia in cui l'aria si miscela con il combustibile provocando una reazione chimica di ossidazione, comunemente denominata combustione.

In essa le fiamme scambiano calore per irraggiamento con le pareti, costituite dai tubi bollitori.

I tubi bollitori sono quelli nei quali si verifica totalmente o in parte il cambiamento di stato dell'acqua.

Considerato un tubo verticale, percorso in verso ascendente da acqua in condizioni di pressione,temperatura e portata costanti all'ingresso e sottoposto a un flusso termico costante secondo la sua lunghezza, si possono identificare, nel caso di valori di pressione inferiori alla pressione  critica, tre grandi zone che caratterizzano la trasformazione liquido-vapore: la prima di sola fase liquida, la seconda di coesistenza della fase liquida e della fase vapore, la terza di sola fase vapore. Il processo di vaporizzazione si verifica all'interno della zona bifase, che si può ulteriormente suddividere in due parti, di cui la prima caratterizzata dal processo di ebollizione a nuclei e la seconda da quello di ebollizione pellicolare o a film. Infatti le bolle di vapore, che si formano lungo la parete interna del tubo, migrano verso l'interno della massa liquida dove condensano velocemente cedendo il loro calore latente: ne risulta, nello strato limite, una elevata turbolenza che favorisce lo scambio termico; in questa zona la temperatura del metallosi mantiene leggermente al di sopra della temperatura di saturazione del fluido.

Proseguendo verso l'alto, le bolle non vengono riassorbite dalla massa liquida, ma tendono ad aggregarsi, formando tasche di vapore che scorrono al centro di un anello liquido che lambisce le pareti interne del tubo. In seguito, la continuità dell'anello liquido viene interrotta dalla formazione di vapore, che finisce col costituire un film continuo di vapore che si muove lungo la parete del tubo con una velocità sensibilmente più bassa della velocità media del fluido: il coefficiente di scambio termico risulta notevolmente diminuito e causa un considerevole aumento della temperatura del metallo, che può raggiungere valori pericolosi per la resistenza del materiale.

In seguito, per effetto dell'aumento del titolo del vapore e di conseguenza della velocità media della miscela, la situazione tende a migliorare e la temperatura del metallo a diminuire.

Il punto critico è individuato come punto DNB (departure from nucleate boiling) e rappresenta il titolo critico a cui si presenta il fenomeno di ebollizione a film.

I fumi, che risalgono la camera di combustione e possiedono una temperatura molto elevata,giungono poi in corrispondenza di quell'insieme di tubi che, partendo dalla parete posteriore,formano una rientranza, detta naso, che scherma dall'irraggiamento i tubi pendenti del surriscaldatore finale e del risurriscaldatore. La brusca diminuzione di sezione della camera di combustione, provocata dal naso, ha anche lo scopo di incrementare la velocità e la turbolenza deigas, favorendo la combustione di eventuali incombusti e migliorando la trasmissione del calore per convezione.

Dopo il naso i gas entrano nel condotto orizzontale, cedendo calore al surriscaldatore di media e di alta temperatura e al risurriscaldatore; all'uscita del condotto orizzontale deviano nuovamente, scendendo attraverso il condotto verticale posteriore, dove sono posizionati il surriscaldatore di d'aria, cedendo calore all'aria comburente che percorre gli stessi in senso inverso.

I fumi trasportano in sospensione una certa quantità di particelle solide (incombusti e residui della combustione); quindi, prima di essere inviati alla ciminiera ed essere dispersinell'atmosfera, subiscono una depurazione ad opera dei depolverizzatori o precipitatori elettrostatici, i quali trattengono gran parte delle polveri presenti, che vengono raccolte in tramogge ed in seguito evacuate.

La ciminiera o camino rappresenta il tratto finale del percorso dei prodotti della combustione.

La sua funzione è quella di innalzare il pennacchio dei fumi ad una quota tale da assicurarne una buona dispersione nell'atmosfera :deve quindi possedere buone doti i tiraggio ed un elevata altezza.

Circuito acqua-vapore

                                                                  La prima sezione di caldaia ad essere attraversata dall'acqua alimento è l'economizzatore.

L'economizzatore e formato da un'insieme di tubi ripiegati a serpentina e disposti in banchi orizzontali nella parte terminale inferiore del condotto verticale dei fumi, dove questi hanno una temperatura abbastanza bassa (circa 400°C), ma sempre tale da trasferire una notevole quantità di calore all'acqua.

Scegliendo pressioni in caldaia sempre più elevate la funzione dell'economizzatore è andata aumentando d'importanza, sia per la maggiore quantità di calore contenuta nei gas di combustione che lasciano la caldaia a temperature più elevate, sia perché,

innalzandosi la temperatura di vaporizzazione, la quantità di calore necessaria per riscaldare il liquido aumenta mentre il calore di vaporizzazione diminuisce. All'uscita dell'economizzatore l'acqua viene convogliata, mediante tubi di collegamento, al circuito vaporizzatore.

Il vaporizzatore viene installato in camera di combustione, perché in tale zona esiste la più alta temperatura dei gas e di conseguenza lo scambio termico più intenso. I tubi di parete, comunque,sono ben protetti in quanto sono raffreddati internamente dall'acqua e, dato l'elevato coefficiente di scambio termico fra la superficie interna dei tubi e l'acqua, la temperatura di parete del tubo è, in condizioni normali,molto piu prossima a quella dell'acqua che a quella del gas.

Il calore assorbito dai tubi esposti all'irraggiamento risulta pari a circa il 50% del calore totale sviluppato nella combustione e da esso dipende la temperatura dei fumi che lasciano la camera di combustione vanno a a lambire i tubi dei surriscaldatori e del risurriscaldatore.

Il circuito vaporizzatore varia a seconda dei tipi di caldaia e può essere caratterizzato dalla presenza di grossi collettori (corpi cilindrici, separatori, miscelatori, ecc.).

I miscelatori, tramite circuiti di collegamento, provvedono a distribuire il fluido interno fra i vari pannelli, uniformando portate e caratteristiche termodinamiche del fluido.

I tubi del vaporizzatore, che costituiscono le pareti (schermi) della camera di combustione, sono affiancati l'uno all'altro e uniti da membranature.

La soluzione delle pareti di caldaia a pannelli con membrane saldate ha portato diversi vantaggi:

fabbricazione di buona parte dei pannelli con saldature automatizzate;

preassiemaggio in officina;

abolizione quasi completa di rivestimenti refrattari per alte temperature con esposizione alla fiamma;

conseguimento di buone tenute alla pressurizzazione;

ottenimento di bassi eccessi d'aria.

I tubi sono in genere verticali, ma possono anche essere realizzati a spirale per ottenere una omogenea ed equilibrata distribuzione dei flussi termici afferenti ogni singolo tubo nel suo percorso

in camera di combustione, evitando così l'interposizione di miscelatori intermedi.

In talune caldaie sono stati adottati, per la zona vaporizzante in prossimità dei bruciatori, dei tubi rigati internamente a elica: per tubi di piccolo diametro, utilizzati nelle caldaie UP, detta rigatura è costituita da un'elica a semplice principio, mentre per tubi di diametro maggiore, utilizzati nelle caldaie a circolazione naturale di grande potenzialità, l'elica interna è a più principi.

Con tale accorgimento si contrasta l'ebollizione a film e la conseguente sovratemperatura del metallo e si riducono i fenomeni di instabilità nella circolazione dell'acqua nei tubi, spostando il DNB  a valori piu elevati di titolo di vapore.

Dal vaporizzatore si passa nel surriscaldatore, che ha lo scopo di innalzare la temperatura del vapore a pressione costante, in modo da realizzare un maggiore salto entalpico in turbina.

Il surriscaldatore è costituito da fasci di tubi, collegati alle estremità ad appositi collettori: dal collettore d'entrata il vapore alimenta in parallelo i tubi e li attraversa a forte velocità, a vantaggio del coefficiente di trasmissione tra la parete del tubo e il vapore. Il surriscaldatore primario o di bassa temperatura è in genere collocato nella prima parte del condotto verticale dei gas, al di sopra dell'economizzatore, mentre il surriscaldatore secondario o finale si trova in corrispondenza della parte alta della caldaia, al di sopra del naso.

Nel primo caso il surriscaldatore è formato da serpentine orizzontali in controcorrente, nel secondo caso è formato da serpentine in equicorrente, sospese verticalmente, sostenute dall'alto e ancorate all'esterno del cielo di caldaia.

Si ricorre talvolta all'adozione di un banco di serpentine o di una parete completa di surriscaldatore (radiant roof e platen) esposta all'irraggiamento della camera di combustione in quanto, al cresceredella potenzialità e della pressione della caldaia, diminuiscono le calorie necessarie per la vaporizzazione e quindi il calore da cedere all'acqua nei tubi del vaporizzatore.

Il fluido nelle serpentine può circolare in equicorrente o in controcorrente rispetto ai gas.

Normalmente il sistema equicorrente viene impiegato per poter meglio raffreddare il metallo delle serpentine a contatto con i fumi a più alta temperatura. In controcorrente il fluido da riscaldare viene posto inizialmente a contatto con la zona finale dove i fumi sono meno caldi: in tal modo si ottiene il raffreddamento massimo del fluido riscaldante e, nel contempo, un'elevata differenza di temperatura tra i due fluidi a vantaggio dello scambio termico.

Tra il surriscaldatore primario e quello secondario è inserito un attemperatore o desurriscaldatore.

Il desurriscaldatore è costituito da un tubo attraversato dal vapore nel quale, tramite un iniettore, può venire spruzzata acqua di alimento che abbassa la temperatura

Il vapore in uscita dal surriscaldatore finale confluisce in collettori, dai quali si dipartono le tubazioni di collegamento con la turbina

Dopo una prima parziale espansione nella turbina il vapore ritorna in caldaia per risurriscaldarsi.

. Il risurriscaldatore è formato da banchi di serpentine ed è generalmente sistemato nel condotto orizzontale dei gas, dopo i banchi del surriscaldatore finale, e talora, parzialmente,anche in quello verticale discendente.

La regolazione della temperatura del vapore risurriscaldato comporta alcuni problemi perché, al diminuire del carico, diminuisce la temperatura del vapore ed è quindi necessario cedere al risurriscaldatore una percentuale di calore maggiore che ai carichi più alti.

E' evidente che proporzionare le superfici di scambio per il carico minimo significa dare ad esse dimensioni eccessive per il carico nominale; d'altra parte il desurriscaldamento del vapore risurriscaldato è un fatto negativo per il rendimento di caldaia.

Si regola perciò la temperatura con l'inclinazione variabile dei bruciatori e con la ricircolazione dei gas, prelevati all'uscita di caldaia ed immessi sul fondo della camera di combustione.

Circolazione dell'acqua in caldaia

Assicurare un'efficace circolazione della miscela acqua-vapore nei tubi del vaporizzatore è un problema di importanza fondamentale nel progetto di un generatore di vapore in quanto la insufficiente circolazione in un tubo crea un ristagno di bolle di vapore sulla sua superficie interna,con conseguente aumento locale della temperatura del metallo.

Inoltre nelle zone di ristagno del vapore, così come nelle zone di maggiore evaporazione, tendono a depositarsi gli ossidi trasportati dall'acqua e dal vapore: hanno così inizio fenomeni di incrostazione e corrosione che portano in breve tempo alla rottura del tubo.

Qualora la circolazione fosse particolarmente insufficiente, si correrebbe il rischio di una forte diminuzione del coefficiente di scambio termico fra superficie interna del tubo ed acqua, con il raggiungimento, per i tubi esposti alla fiamma, di temperature inaccettabili per la vita dei tubi stessi.

L'analisi di tutti i fattori che influenzano la circolazione è assai complessa e le soluzioni adottate per il suo perfezionamento hanno portato alla costruzione di caldaie sostanzialmente differenti tra di loro, che possono essere raggruppate in quattro tipologie principali:

a circolazione naturale,

a circolazione controllata o assistita,

a circolazione forzata,

a circolazione combinata.