Scambiatori a superficie -1

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1 Scambiatori a superficie -1 Gli scambiatori a superficie sono più comuni degli scambiatori a miscela per la rigenerazione degli impianti a vapore Essi consentono di svincolare la pressione dell'acqua di alimento da quella dello spillamento (i due circuiti sono fisicamente separati nello scambiatore) Lo scambiatore a superficie consente il sottoraffreddamento dei drenaggi (vapore condensato) I drenaggi vengono estratti a temperature inferiori di 2-10 C alla temperatura di saturazione corrispondente alla pressione dello spillamento Il sottoraffreddamento dei drenaggi consente un ulteriore modesto incremento del recupero termico. Pag. 1

2 Scambiatori a superficie - 2 Il vapore segue una trasformazione isobara (sistema aperto, W = 0) Il vapore, inizialmente surriscaldato, si desurriscalda fino a raggiungere la curva limite superiore Sottraendo ulteriormente calore il vapore condensa (Trasformazione isotermobarica) Segue un tratto di scambiatore in cui ha luogo il sottoraffreddamento del condensato (drenaggio) Il condensato viene recuperato (circuito chiuso) Ci sono due possibilità per il recupero: Uso di una pompa per reintrodurlo sulla linea di alimento a pressione superiore (Reiniezione) Scarico al rigeneratore precedente a pressione minore (con vaporizzazione per flash e recupero termico). Si utilizza uno scaricatore di condensa (valvola di laminazione a funzionamento continuo o discontinuo) In questo caso si usa una sola pompa per la reiniezione, oppure tutte le condense vengono scaricate nel condensatore (bassa pressione) o nel degasatore (alta pressione) T sat T Vapore spillato Acqua di alimento DTU %Q Pag. 2

3 Scambiatore a miscela (Degasatore) - 1 La rigenerazione si può effettuare anche con uno scambiatore a miscela Le due portate (spillamento ed acqua di alimento) sono miscelate in proporzioni tali da ottenere le condizioni di saturazione (liquido sotto; vapore sopra); il liquido estratto non è sottoraffreddato La pressione dell acqua di alimento e quella dello spillamento devono essere uguali Pag. 3

4 Scambiatore a miscela (Degasatore) - 2 Lo scambiatore a miscela è vantaggioso per l eliminazione delle superfici di scambio Lo scambio termico convettivo è sostituito da un processo di scambio di massa Il processo di trasporto di massa (condensazione della portata dello spillamento) risulta tanto più efficace quanto più - a parità di volume - si aumenta la superficie di separazione (interfaccia) tra le due fasi liquido e vapore. Si ricorre a diverse soluzioni: Spray La portata di acqua di suddivide in gocce minute Vassoi multipli Si dispone la portata di acqua in film di ridotto spessore Pag. 4

5 Scambiatore a miscela (Degasatore) - 3 L'estrazione dei gas incondensabili disciolti nell'acqua di alimento é una funzione fondamentale dello scambiatore a miscela, che viene spesso denominato Degasatore Gas incondensabili sono di norma presenti nell'acqua di alimento a causa di. Infiltrazioni di aria attraverso le tenute d'albero del corpo di bassa pressione la pressione é inferiore all'atmosferica Infiltrazioni di aria al condensatore in depressione Dissociazione di H 2 O per effetto termico I fenomeni precedenti avvengono in quantità limitata Essendo il circuito chiuso, si ha un progressivo accumulo degli incondensabili Pag. 5

6 Scambiatore a miscela (Degasatore) - 4 Il principio operativo del degasaggio si basa sulla legge di Raoult: In condizioni di equilibrio, la pressione parziale di un gas risulta la stessa nella fase vapore e nella fase liquida, facendo riferimento ad un recipiente contenente un fluido in condizioni di saturazione. La pressione parziale del gas è proporzionale alla sua concentrazione volumetrica x i = p i /p Riducendo la concentrazione di incondensabili nella fase vapore, tramite l estrazione o scarico spontaneo per differenza di pressione, si ottiene una diminuzione della pressione parziale del gas nella fase vapore che a sua volta induce un abbassamento della concentrazione nella fase liquida In realtà, le condizioni di equilibrio non possono essere raggiunte nel degasatore di un impianto reale; questo infatti presenta volume finito ma é interessato da flussi in ingresso ed uscita, ovvero il tempo di permanenza media del liquido da degasare al suo interno è limitato Il degasaggio risulta comunque parziale. A seconda dell entità della pressione di esercizio del generatore di vapore si interviee con altri mezzi per un degasaggio più efficace (es. degasaggio chimico mediante Idrazina, per impianti a vapore supercritici). Parte del degasaggio viene anche effettuata (in misura però meno efficace) nel condensatore mediante gli Eiettori di vapore. Pag. 6

7 Bilancio termodinamico del degasatore Nel degasatore le fasi liquida e gassosa sono in equilibrio (cond. di saturazione) La portata dello spillamento è esattamente quella necessaria per mantenere le condizioni di saturazione nello scambiatore a miscela (liquido saturo nella parte bassa e vapore saturo in alto) La portata dello spillamento é data dal bilancio: m h A + m a h aa = (m + m a ) h ls E' possibile calcolare la portata da spillare m. h A : entalpia vapore spillato (surriscaldato)»nota dall'intersezione tra la linea di espansione e l'isobara di spillamento h aa : entalpia acqua di alimento (sottoraffreddata) h ls : entalpia del liquido saturo alla pressione di esercizio Pag. 7

8 Il degasatore nell impianto -1 Il degasatore assolve anche alla funzione fondamentale di separare la linea di acqua di alimento in due tratti Bassa pressione A monte del degasatore Pressione di esercizio coincidente con quella del degasatore Ad esempio 5 bar Alta pressione A valle del degasatore Pressione di esercizio coincidente con quella di ingresso caldaia (Ad esempio 200 bar) Pag. 8

9 Il degasatore nell impianto -2 La divisione in bassa ed alta pressione conviene perché.. Si evita di realizzare in un unica pompa la compressione del liquido dalle condizioni di vuoto al condensatore fino alla pressione massima del ciclo Per esempio Compressione da 0.05 bar a 200 bar Le pompe di estrazione condensato possono incontrare seri problemi di Cavitazione» La condensa nel pozzo caldo del condensatore é in condizioni di saturazione» È difficile ottenere buone prestazioni in termini di assenza di cavitazione con elevatissime pressioni di mandata (esigenze progettuali in contrapposizione tra di loro) Conviene effettuare la compressione mediante due pompe in serie» La pompa di estrazione condensato (che pressurizza il liquido fino alla pressione del degasatore)» La pompa di alimento Pag. 9

10 Il degasatore nell impianto -3 La divisione in bassa ed alta pressione conviene perché.. Nel tratto di bassa pressione si possono realizzare scambiatori rigenerativi a superficie con soluzioni costruttive economiche Tipiche dell'impiantistica idraulica a bassa pressione» Recipienti in pressionecon spessori del mantello limitati e coperchi imbullonati, materiali economici, etc Nel tratto di alta pressione, si deve invece fare ricorso a materiali di pregio, con forti spessori del metallo, e sistemi complessi di tenuta ad autoclave Si ha la possibilità di recupero al degasatore dei drenaggi caldi dagli scambiatori rigenerativi di alta pressione Altrimenti si dovrebbe:» Reiniettare i drenaggi mediante una pompa ad alta pressione» Ricircolare i drenaggi al condensatore (con minore effetto di recupero termico) Pag. 10

11 Il condensatore : Condensatore -1 1) Attua lo scarico di calore nell ambiente (sorgente inferiore) trattandosi di una transizione di fase, tale trasformazione é isoterma 2) Condensa il vapore recuperando il fluido di lavoro (circuito chiuso) importante in impianti ad alte prestazioni L'acqua di alimento é soggetta a trattamenti chimico-fisici costosi (demineralizzazione). 3) Abbassa la pressione di scarico della turbina a vapore fino alle condizioni di vuoto tecnicamente raggiungibili Si aumenta così considerevolmente il lavoro utile e rendimento del ciclo Valore tipico di temperatura di saturazione circa 35 C, pressione di saturazione corrispondente 5kPa (0.05bar) 4) Effettua una rimozione dei gas incondensabili dal fluido di lavoro. Le condizioni di vuoto al condensatore possono essere mantenute mediante il raffreddamento dello stesso (scoperta di Watt, inizio 1800) purché il fluido di lavoro sia acqua pura senza gas disciolti Pag. 11

12 Bilancio termico del condensatore -1 La temperatura di ingresso dell acqua di raffreddamento T ri dipende dalle condizioni ambientali (es. T ri =20 C) Salto di temperatura dell acqua di raffreddamento (T ru -T ri ) Range del condensatore Dipende da problemi ambientali: Non si può riscaldare eccessivamente l acqua di un fiume o del mare Per esempio (T ru -T ri ) = 10 C Il condensatore é di norma uno scambiatore a superficie, con il fluido più caldo che effettua una trasformazione a temperatura costante (transizione di fase) Differenze terminali di temperatura DTI e DTU Diminuendo DTU (uscita) Si riduce la temperatura di condensazione»maggior rendimento dell impianto Aumenta la superficie di scambio termico»maggiori costi di investimento Pag. 12

13 Bilancio termico del condensatore -2 Determinazione temperatura di saturazione: T sat =T ru + DTU = T ri + (T ru - T ri ) + DTU Esempio: T sat =20 C+10 C+5 C = 35 C Trasformazione isotermobarica p sat(35 C) =0.056 bar Alla temperatura di saturazione equivale una pressione (Clapeyron) Per diminuire la pressione al condensatore, è possibile: Diminuire la temperatura dell acqua di raffreddamento (Dipende dalle condizioni ambientali) Diminuire il salto di temperatura dell acqua di raffreddamento (Aumenta la portata di acqua richiesta) Diminuire il valore di DTU (Aumentano le superfici di scambio termico, maggiori costi di investimento) Pag. 13

14 Bilancio termico del condensatore -3 Determinazione della portata di acqua di raffreddamento m r : vap_in m vap (h vap_in -h cond_out )= m r c p (T ru - T ri ) m vap x r =m r c p (T ru - T ri ) Salto di temperatura dell acqua (T ru - T ri ) =10 C Calore specifico dell acqua c p =4.186kJ/kgK=1.0kcal/kg C Calore latente di vaporizzazione r=r(t sat=35 C )=2418 kj/kg Titolo di fine espansione x=0.90 m r / m vap =52 cond_out -Elevata portata di acqua di raffreddamento Aumentando il salto di temperatura dell acqua, diminuisce la portata di raffreddamento (Limiti di impatto ambientale) Riferendosi ad un impianto della taglia standard 320 MWe portata di vapore al condensatore di circa 850 t/h la portata di refrigerante é dell'ordine dei m 3 /h (!!) ri ru Pag. 14

15 Calcolo della superficie di un condensatore Il condensatore é uno scambiatore di calore con fluido condensante all'esterno delle tubazioni L'equazione complessiva dello scambio termico è: Q=K S T ml K è il coeff. Globale di scambio termico riferito alla superficie esterna della tubazione Il valore è relativamente elevato ( W/m 2 K) (convezione est./int.+ conduzione) la superficie esterna della tubazione è investita trasversalmente da un film condensante (elevato coefficiente di convezione esterna) All'interno (dove passa l acqua di raffreddamento), si ha un liquido con velocità fino a 2-3 m/s; al di sopra si instaurano forti vibrazioni. Sono disponibili diverse correlazioni per la stima di K S è la superficie: S = N π D e L N = numero di tubi, D e diametro esterno; L lunghezza T ml è da differenza di temperatura medio-logaritmica T ml =[(T sat -T ri )-(T sat -T ru ) ] / ln[(t sat -T ri )/(T sat -T ru )] Le equazioni introdotte sono utilizzabili sia per il progetto, sia per l analisi del funzionamento in condizioni diverse dalle progettuali Pag. 15

16 Tipologia costruttiva del Condensatore a superficie -1 Il condensatore a superficie é il più comune per le grandi taglie di impianto Il vapore entra attraverso un ampio condotto di raccordo allo scarico della turbina il volume specifico del vapore é molto alto È opportuno garantire grandi sezioni di passaggio, per contenere la velocità e le perdite di pressione Il vapore investe le tubazioni percorse internamente dall'acqua refrigerante Caratteristiche tubazioni Lunghezza da 8 a 10 m diametro compreso tra 15 e 30 mm numero tubazioni molto elevato (fino a 25000) Pag. 16

17 Tipologia costruttiva del Condensatore a superficie -2 Il vapore forma film di liquido condensante sul lato esterno delle tubazioni Il condensato viene raccolto per gravità nella parte più bassa ("Pozzo caldo ) Il condensato viene aspirato dalla pompa di estrazione. Il refrigerante viene distribuito all'interno delle tubazioni mediante casse d'acqua disposte alle estremità del condensatore Sono diffuse circuitazioni ad U Ingresso del refrigerante nella parte alta ed uscita dallo stesso lato nella parte bassa Consentono un miglioramento dell'effetto degasante Spesso le casse d'acqua sono divise in due secondo un piano verticale Ciò semplifica le operazioni di manutenzione evitando le fermate dell'impianto Pag. 17

18 Acqua di raffreddamento -1 Portate di raffreddamento elevate Sono necessarie pompe di circolazione con potenze significative Si possono avere problemi di disponibilità del refrigerante. Il refrigerante viene utilizzato in circuito aperto E necessaria un ampia disponibilità di refrigerante le centrali termoelettriche sono spesso ubicate vicino ad un grande fiume o in prossimità del mare.» Nel caso di acqua marina o salmastra insorgono anche problemi di corrosione. È necessaria un'accurata progettazione dell'opera di presa e restituzione» ad esempio la normativa italiana prevede una differenza di non più di 3 C a distanza di 1 km monte/valle della centrale ubicata su di un corso d'acqua» difficilmente è possibile derivare per la refrigerazione dei condensatori portate superiori ad 1/4 circa della portata di magra del corso d'acqua Pag. 18

19 Acqua di raffreddamento -2 Alternative al circuito aperto: Lago artificiale Occorre un'area geologicamente adatta alla formazione di un invaso L'acqua refrigerante viene utilizzata in ciclo chiuso»il raffreddamento dell acqua avviene naturalmente per evaporazione nell'aria attraverso la superficie.»per promuovere tale fenomeno nei periodi più caldi può essere opportuna l'installazione di spruzzatori ("Sprinklers") che aspirano l'acqua dal bacino e formano dei getti atomizzati Torri di raffreddamento Indisponibilità di refrigerante e di ampi terreni per la costruzione di un invaso Consentono il trasferimento del calore all'atmosfera con un funzionamento basato sull'umidificazione dell'aria. Possono essere a tiraggio forzato (con ventilatore) o naturale (per effetto della spinta di galleggiamento dell aria riscaldata dalla torre)»limiti consistenti in climi caldo-umidi Pag. 19

20 Condensatore ad Aria Se non è disponibile acqua, si può usare l aria per condensare il vapore Le superfici sono molto ampie La pressione al condensatore risulta maggiore rispetto al caso di un condensatore ad acqua La differenza di temperatura media logaritmica fra aria e vapore è maggiore rispetto alla stessa temperatura fra acqua e vapore A causa della minor capacità di scambiare calore dell aria rispetto all acqua e alle temperature più elevate dell aria stessa La soluzione risente in maniera diretta dell evoluzione della temperatura ambiente su scala stagionale, ma anche giornaliera. Pag. 20

21 Eiettori a vapore Gli eiettori a vapore sono disposti nella parte alta del condensatore Gli eiettori a vapore hanno la funzione di rimozione degli incondensabili che si formano all'interno del circuito La portata di gas da estrarre e' dell'ordine dello 0.05% della portata di vapore condensato Inizialmente il vuoto al condensatore viene creato mediante... apposite pompe a vuoto tramite gli eiettori stessi alimentati da una piccola caldaia a vapore per i servizi. Gli eiettori sono delle pompe a getto (ma operanti con fluidi comprimibili!) alimentate da vapore in pressione normalmente derivato da uno spillamento A causa dell'alto grado di vuoto richiesto, gli eiettori sono spesso a due stadi in serie Gli eiettori operano indifferentemente sulla totalità della frazione gassosa E' inevitabile il trasporto del vapore che satura il gas aspirato Pag. 21

22 Generatori di vapore - 1 I Generatori di Vapore di elevata potenzialità (> 50 t/h) sono costruiti con la soluzione a tubi d acqua Dentro al Generatore, si distinguono: - Una zona ad Irraggiamento ed una a Convezione - Un circuito acqua/vapore ed un circuito aria/fumi (e combustibile) Pag. 22

23 Generatori di vapore Circuito acqua-vapore - 2 Il circuito acqua-vapore è costituito dai corpi: Economizzatore (ECO), Vaporizzatore (VAP), Surriscaldatore/i (SHI,SHC), eventuale Risurriscaldatore (RH) Il Vaporizzatore è disposto nella zona ad irraggiamento; gli altri corpi nella zona a convezione (tranne l eventuale presenza di un surriscaldatore ad irraggiamento) m V SHI V A P SHC RH ECO m RH m A = m v L Y U m GAS A seconda della modalità di circolazione della miscela acqua/vapore nel vaporizzatore, sono possibili soluzioni a Circolazione Naturale, Assistita o Forzata m FUEL m AIR Pag. 23

24 Generatori di vapore Circolazione Naturale - 3 m R C.C In regime turbolento le perdite di carico di un circuito sono circa proporzionali al quadrato dlela portata. La costante di proporzionalità K [Pa/(kg/s)] dipende dal diametro e rugosità dei tubi, dalle perdite localizzate in gomiti, manicotti, etc... Nello schema della circolazione naturale si distinguono una tubazione discendente (esterna) ed una ascendente (interna, esposta all irraggiamento), che conducono al corpo cilindrico (C.C.), dove le due fasi (vapore ed acqua) vengono separate per gravità. La forza fluidomotrice che serve a garantire la circolazione della portata m R nel circuito dell evaporatore - è assicurata dalla differenza di pressione idrostatica, legata alla spinta di galleggiamento: p = ( ) gh ρ ρ = K m R 2 d d a Pag. 24

25 p Generatori di vapore Circolazione Naturale - 4 = ( ) gh ρ ρ = K m R 2 d d a ρ d è la densità media dell'acqua nella tubazione discendente; poiché questa non è riscaldata dai gas, ρ d può essere assunta pari alla densità del liquido saturo alla pressione di esercizio. H è la differenza di quota tra il corpo cilindrico ed il manicotto inferiore di distribuzione e g è l'accelerazione gravitazionale. ρ a è la densità media della miscela bifase acqua-vapore nella tubazione ascendente. Il valore da attribuire a ρ a é compreso tra la densità ρ d del liquido saturo e quella della miscela acqua-vapore in uscita dal fascio vaporizzatore (ingresso al corpo cilindrico; per i generatori a circolazione naturale, si produce in genere non più del 1520% in massa del vapore, per non compromettere l efficacia dello scambio termico). Il Corpo Cilindrico, con la notevole massa d acqua presente e pronta a produrre vapore in caso di depressurizzazione (apertura della valvola di ammissione alla turbina), assolve a funzioni importantissime nella semplificazione dell esercizio della caldaia, ritardando la necessità dell intervento della regolazione sulla combustione. Pag. 25

26 q Riser Pump Steam Drum m R Downcomer SuperHeater Feedwater Flow Rate Steam flow rate To Turbine Economizer Generatori di vapore Circolazione Assistita - 5 Nei Generatori a circolazione assistita, la forza fluidomotrice per il fascio vaporizzatore (portata di ricircolo) viene coadiuvata da apposite pompe. Queste aspirano l'acqua dal corpo cilindrico e la inviano al collettore di ingresso del vaporizzatore. Il corpo cilindrico assolve a scopi molteplici: è l'elemento di separazione del circuito a ricircolo da quello principale; funge da «polmone» per assorbire le fluttuazioni di carico, facilitando la regolazione del generatore; svolge la funzione di separare la frazione liquida (acqua) da quella gassosa (vapore), per semplice effetto della gravità. Alle pressioni prossime alla critica (oltre 165 bar), la differenza di densità tra vapore ed acqua diviene però molto piccola, sicchè la separazione per semplice gravità è inefficiente; si ricorre perciò a separatori a diaframma o a ciclone, che aumentano il costo della soluzione ed introducono perdite di carico aggiuntive. Pag. 26

27 Generatori di vapore Circolazione Forzata - 6 FeedWater Pump FeedWater Pump ECO ECO VAP VAP SH To Steam Turbine Drain Trap SH To Steam Turbine Nei Generatori a circolazione forzata, la portata di acqua introdotta viene vaporizzata in un solo passaggio. Per pressioni ipercritiche (>221 bar) il passaggio da liquido a gas è puntuale ed il vaporizzatore non esiste; in tal caso, la circolazione forzata é l unica soluzione praticabile, non essendo possibile separare le due fasi che non coesistono. Nelle prime soluzioni (caldaia monotubolare «Sulzer») un solo tubo ripiegato più volte costituisce con continuità i tre corpi. La perdita di carico attraverso la lunghissima tubazione è in tal caso estremamente rilevante; si ha poi l'inconveniente che, al punto di passaggio tra vapore saturo e fase gassosa, si ha una forte deposizione di incrostazioni saline che non possono passare nella fase vapore e si depositano sulle pareti diminuendo il coefficiente globale di scambio, con surriscaldamento eventuale della parete del tubo. Per impianti di grandi dimensioni sono necessarie comunque soluzioni a due o più tubi in parallelo, ed esiste il pericolo che i due (o più) lunghi circuiti in parallelo presentino nel tempo resistenze distribuite (ad es. per incrostazioni) differenziate, e siano di conseguenza attraversati da diverse portate. Al limite ciò può portare alla crisi termica della tubazione («burn-out»). Pag. 27

28 Generatori di vapore Circolazione Forzata - 7 FeedWater Pump FeedWater Pump ECO ECO VAP VAP SH To Steam Turbine SH To Steam Turbine. Nei Generatori a circolazione forzata, la funzione di volano termico, molto apprezzata ai fini della regolazione, non é assolta dalla massa d acqua del corpo cilindrico. Sono gli stessi fasci tubieri e le pareti in refrattario del generatore che costituiscono la ridotta inerzia termica del generatore di vapore. Drain Trap Le moderne caldaie del tipo «Benson», adatte anche per generatori ipercritici, sono costituite da pannelli di tubi in parallelo, a loro volta disposti in serie. La presenza di frequenti manicotti di miscelazione uniforma periodicamente lo stato fisico dei fluidi, ed ha effetti benefici sulla stabilità di flusso. Nelle caldaie subcritiche un barilotto di separazione consente uno spurgo salino al termine del vaporizzatore, più o meno come avviene nelle caldaie dotate di corpo cilindrico. Nelle caldaie ipercritiche, poiché si ha la scomparsa progressiva della fase liquida, (con deposizione dei sali, a seguito della minore solubilità nella fase vapore) le incrostazioni saline avvengono in modo distribuito e sono quindi meno pericolose. Pag. 28

29 Generatori di vapore Circuito aria-fumi Sono possibili soluzioni con soli ventilatori prementi sull aria ( Caldaia pressurizzata ) o con ventilatori prementi ed aspiranti ( Tiraggio Bilanciato ) La soluzione a tiraggio bilanciato, più onerosa in termini di energia richiesta dai ventilatori (che operano sui gas caldi a bassa densità), si impone nel caso di combustibili solidi o caldaie policombustibili L aria comburente, preriscaldata da un preriscaldatore aria/fumi ( Lyungström ), viene distribuita ad una cassa d aria o direttamente ai bruciatori (fino a 30, su più piani, in caldaie di elevata potenzialità) Il Lyungström è necessario per abbassare la temperatura dei gas al camino; infatti l acqua arriva all Ecomizzatore preriscaldata dagli spillamenti (fino anche a quasi 300 C). mv SHI V A P SHC RH ECO m RH m FUEL m A = m v L Y U m GAS m AIR Pag. 29

30 Generatori di vapore Corrosione La corrosione nei generatori di vapore è di due tipi: a bassa temperatura sui corpi economizzatori, sui preriscaldatori d'aria e camini. ad alta temperatura in corrispondenza dei fasci surriscaldatori. La corrosione a bassa temperatura ha luogo sulle superfici metalliche a contatto con i gas di combustione che presentino temperature uguali o poco inferiori alle temperature di condensazione del vapore contenuto nei gas (condense corrosive o rugiada acida). E principalmente legata alla presenza di Zolfo nel combustibile, che dà luogo con la combustione a SO2, SO3 e quindi H2SO4. Per evitarla, occorre emettere i gas al camino al di sopra della temperatura di rugiada acida (variabile tra 60 C per gas naturale, e C per carboni ad alto tenore di zolfo). La corrosione ad alta temperatura è anch essa legata alla presenza di zolfo nel combustibile; ma è anche complicata da altre impurità, come metalli alcalini (Na, K) e Vanadio. Tali sostanze formano nelle ceneri sali come Na2SO4, K2SO4; ne abbassano anche il punto di fusione, per cui le ceneri si depositano sulle pareti (raffreddate) dei fasci tubieri e formano incrostazioni difficilmente rimovibili; l aggressione alle superifici metalliche è molto forte. Occorre pertanto evitare la deposizione di ceneri fuse nella zona a convezione, limitando la temperatura del vapore surriscaldato al di sotto di 550 C circa. Pag. 30

31 Generatori di vapore Rendimento - 1 Poichè il rendimento dei generatori è elevato (0,85 0,94), conviene determinarlo nelle prove con Metodo Indiretto, calcolando l entità delle perdite principali: L1r Perdita per calore sensibile allo scarico (gas secchi) L2r Perdita per umidita' del combustibile η L3r Perdita per umidita' dell'aria comburente d = L4r Perdita per carbonio incombusto L5r Perdita per combustione incompleta L6r Perdita radiativa. L 1r = m gd c pg (T gu - T ai )/m c η i = & & /H i i kj/kg c = (α d + 1-R-M-9H) c pg (T gu - T ai ) ( m ) ( ) chi L i / m chi = 1 L ir i m & = L1r Perdita per calore sensibile allo scarico (gas secchi) m gd /mc (portata di gas secchi per unita' di combustibile) c m fuel [( m & H ) + ( m& H )] /( m& H ) v v α d rapporto in massa tra aria secca e combustibile R (ceneri e residui generici per kg di combustibile) M (umidita' del combustibile, pari ai kg di H2O per unita' di peso) 9H = 9 volte il contenuto in massa di idrogeno molecolare per unita' di peso del combustibile: ogni 2 kg di idrogeno producono circa 18 kg di acqua. RH RH fuel & i α d = (1+e) α st α st valore stechiometrico; e eccesso d aria nella combustione. Pag. 31

32 Generatori di vapore Rendimento - 2 L 2r Perdita per umidita' del combustibile L 2r = (M + 9H) (h su - h ai ) kj/kg c Si noti che l'acqua si presenta sotto forma di vapore in uscita, e di liquido in ingresso. Pertanto la perdita è rilevante, in quanto comprende il calore latente di vaporizzazione (circa 2440 kj/kgh2o) M + 9H kg di acqua per unita' di peso di combustibile (umidita' + acqua di formazione), h su entalpia del vapore surriscaldato a temperatura Tgu e pressione parziale di equilibrio nei gas combusti, h ai entalpia dell'acqua in ingresso alla temperatura T ai. L 3r Perdita per umidita' dell aria comburente L 3r = α d ω c ps (T gu - T ai ) kj/kg c ω umidita' specifica dell'aria in kg di H2O / kg di aria secca; Questa perdita è di regola molto inferiore a quella per umidità del combustibile, in quanto l H2O entra ed esce dal sistema sotto forma di vapore (la perdita non comprende il calore latente di vaporizzazione) c ps calore specifico del vapore (pari a (kj/kgk)). Pag. 32

33 Generatori di vapore Rendimento - 3 L 4r Perdita per carbonio incombusto L 4r = C r H C = C r kj/kg c Tale perdita può essere rilevante se nelle ceneri c è una percentuale elevata di C incombusto; per evitarlo, si ricorre in molti sistemi al ricircolo delle ceneri nella zona di combustione. C r percentuale in massa di carbonio nel residuo per unità di peso di combustibile H C potere calorifico del carbonio L 5r Perdita per combustione incompleta L 5r = [%CO / (%CO + %CO2)] (28.01/12.01) C b H CO = C b [%CO / (%CO + %CO2)] kj/kg c Questa perdita aumenta al diminuire dell eccesso d aria e. E pertanto in controtendenza rispetto ad e con la perdita per calore sensibile L 1r %CO, %CO2 percentuali volumetriche delle due specie nei prodotti secchi di combustione e : pesi molecolari di CO e di C; C b percentuale in massa di carbonio per kg di combustibile che partecipa alla reazione di combustione (C b = 1- C r ) Pag. 33

34 L 6r Perdita per irraggiamento Generatori di vapore Rendimento - 4 Questa perdita che ne congloba altre secondarie viene di norma calcolata utilizzando abachi o con riferimento alle norme UNI-CTI. La perdita per irraggiamento cala al crescere della potenzialità del generatore; risulta superiore ai carichi parziali. Pag. 34