Generatori di vapore

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1 Generatori di vapore Con il termine generatore di vapore si intende quel complesso di apparecchiature di scambio termico opportunamente interconesse e completato da macchinari ausiliari e sistemi di regolazione e controllo, destinato alla produzione di vapore a partire da acqua liquida. Il calore necessario per tale operazione può essere fornito dalla combustione di un combustibile fossile (generatori di vapore a combustibile) ovvero da un cascame di gas caldi (generatori di vapore a recupero). Il termine caldaia, che ha rappresentato il nome originario del generatore di vapore, quando questo consisteva essenzialmente in un corpo bollitore, è un termine più generico con il quale si indicano anche apparecchiature nelle quali non intervengono passaggi di stato (produzione di acqua calda o surriscaldata, caldaie ad olio diatermico, etc.). Le caldaie possono suddividersi in due grandi categorie: caldaie a tubi di fumo (nate all inizio del XIX secolo ) caldaie a tubi di acqua (nate dopo la prima metà del XIX secolo e sviluppatesi dall inizio del XX secolo)

2 Evoluzione storica delle caldaie a tubi di fumo Schema di vecchia caldaia dell inizio del XIX secolo Caldaia tipo Cornovaglia Schemi di caldaie a tubi di fumo

3 Evoluzione storica delle caldaie a tubi di fumo Caldaia a tubi di fumo con focolare esterno Caldaia a tubi di fumo a ritorno di fiamma Caldaia a tubi di fumo a fiamma diretta

4 Evoluzione storica delle caldaie a tubi di fumo Caldaia a tubi di fumo di tipo scozzese Caldaia per locomotiva

5 Passaggio caldaie a tubi di fumo tubi d acqua PREGI elevato volano termico (grande volume d acqua contenuto nel corpo cilindrico) semplicità di conduzione economicità costruttiva caldaie a tubi di fumo DIFETTI bassa pressione di esercizio bassa potenzialità lentezza in regolazione Idifetti delle caldaie a tubi di fumo risultano tutti conseguenza del contenimento di tutta l acqua in grande corpi cilindrici

6 - Bassa pressione di esercizio Considerando le sollecitazioni agenti nel corpo cilindrico: F dfp dfy df = df se nα = p R se nα dα y p p F 1 F 2 s α dα d π π y s n F = df = p R e α dα = 0 0 π = p R s e n α dα = 2 p R = p d 0 F p d s = = s σ F = 2 F1 σ 1 amm 2 amm s spessore corpo cilindrico Esempio p pressione dell acqua nel corpo cilindrico p=30 bar d diametro del corpo cilindrico d=1,5 m σ amm tensione ammissibile del materiale del corpo cilindrico σ amm =60 N/mm 2 s=40 mm Con grandi corpi cilindrici (d elevato) occorre limitare la pressione per contenere gli spessori entro limiti accettabili

7 - Bassa potenzialità potenzialità flusso termico superficie i di scambio ( produzione di vapore) Poiché la configurazione a tubi di fumo limita drasticamente la superficie totale di scambio termico (che deve essere contenuta entro il volume di acqua nel corpo cilindrico), la potenzialità di tali caldaie è bassa -Lentezza in regolazione Il grande volume d acqua contenuto nel corpo cilindrico costituisce un elevato volano termico

8 Per superare i suddetti difetti occorre ricorrere ad un architettura di caldaia in cui è l acqua che circola all interno di tubi di piccolo diametro posti al di fuori del corpo cilindrico, mentre i prodotti di combustione attraversano l apparecchiatura in idonei condotti (in genere tappezzati dagli stessi tubi d acqua) dacqua) lambendo dall esterno i tubi d acqua. CALDAIE A TUBI D ACQUA Tli Tali caldaie risultano in grado di consentire: elevate pressioni di esercizio elevate potenzialità relativa rapidità di regolazione Caldaia a tubi di fumo Caldaia a tubi d acqua

9 Evoluzione storica delle caldaie a tubi d acqua Caldaie a tubi field

10 Evoluzione storica delle caldaie a tubi d acqua Caldaia a lame d acqua

11 Evoluzione storica delle caldaie a tubi d acqua Caldaia a tubi d acqua dacquatipo Babcock & Wilcox (Tosi) Disposizioniioni sub-orizzontali ontali dei tubi bollitori nelle caldaie a tubi d acqua

12 Percorso ACQUA - VAPORE condizioni prossime a quelle di saturazione separatore SH m v vapore surriscaldato h Δh SH 2 3 acqua di alimento m w ECO VAP Δh VAP 1 eventuale pompa di circolazione m r Attraverso tale configurazione, opportunamente dimensionata, del circuito acqua vapore si realizza una netta distinzione tra ciascuna fase fluida nelle rispettive zone di scambio termico: acqua liquida nella sezione di economizzazione (ECO); miscuglio acqua-vapore saturo nella zona di vaporizzazione i (VAP); vapore surriscaldato nella zona di surriscaldamento (SH) ed eventualmente di risurriscaldamento (RH). Δh ECO 0 S

13 Percorso ACQUA VAPORE CIRCUITO VAPORIZZANTE Si articola in tubi di caduta che alimentano con acqua satura i tubi di risalita verso il corpo cilindrico. I tubi di risalita costituiscono la sezione di scambio termico (VAP) dove l acqua riceve dai fumi il calore di vaporizzazione (generalmente tali tubi costituiscono proprio la parete di contenimento della zona di combustione) mentre i tubi di discesa non sono coinvolti nello scambio termico. A seguito delle diverse densità del fluido nei tubi di caduta (acqua satura con titolo x=0) e nei tubi di risalita (miscuglio acqua vapore con x>0) si genera una forza motrice della circolazione (differenza di pressione) ( ρ ρ ) Δ p = g h m ls mvs dove ρ ls è la densità dell acqua nei tubi di caduta, ρ mvs è la densità media del miscuglio acqua-vapore nei tubi di risalita ed h è l altezza dei tubi.

14 Percorso ACQUA VAPORE CIRCUITO VAPORIZZANTE In funzione della differenza di densità tra liquido saturo e miscuglio acqua/vapore e dello sviluppo verticale (h) della caldaia, si può avere: circolazione naturale (basse-medie pressioni di esercizio e h adeguata) circolazione assistita (in generale a partire da pressioni dell ordine di bar) circolazione forzata (prescinde completamente dall effetto naturale ed è affidata esclusivamente dalle pompe di circolazione). Tale tipo di circolazione è, ovviamente, l unico proponibile in caldaie ipercritiche

15 Percorso ACQUA VAPORE: CIRCUITO VAPORIZZANTE condizioni prossime a quelle di saturazione separatore SH m x = m vapore m v surriscaldato r v acqua di alimento m w ECO VAP C r = mr 1 m = x Cifra di circolazione v m r eventuale pompa di circolazione Nelle caldaie dotate di corpo cilindrico, la portata circolante nel circuito vaporizzante (m r ) è svincolata dalla produzione oraria di vapore (m v )attraversoiltitolo(x) Per evitare la crisi di scambio termico nel circuito vaporizzante la percentuale in volume del vapore, nel miscuglio acqua-vapore che rientra al corpo cilindrico, non deve superare il limite del 60-70% medio-basse pressioni di esercizio (da circa 30 bar fino a circa 100 bar): C r =10-15 alte pressioni i valori C r =5-10 il titolo nel circuito vaporizzante assume valori dell ordine di , valori mediamente bassi e tali da assicurare che i tubi siano quasi completamente bagnati, al loro interno, da acqua satura

16 Percorso ARIA - FUMI comb. IRR VAP, SH i CONV SH c, RH, ECO fumi aria preriscaldata PA aria l aria ambiente (aria comburente) incontra una prima zona di scambio termico, il preriscaldatore (PA), dove viene preriscaldata a spese del calore contenuto nei fumi, prima del loro invio al camino per la dispersione nell ambiente l aria viene quindi inviatai nella cameradi combustione (CC) dove reagisce con il combustibile generando gas di combustione ad elevata temperatura, circa 2000 C, checedonocaloreprimaditutto, esoprattutto, alla sezione di vaporizzazione (VAP) e quindi, eventualmente, ad una parte di surriscaldamento (SHi, surriscaldatore irraggiato) (scambio termico prevalentemente per irraggiamento, IRR) i gas combusti, caratterizzati da temperature inferiori ai 1000 C, incontrano le sezioni a scambio termico prevalentemente convettivo (CONV), e cioè il surriscaldatore convettivo (SHc), l eventuale risurriscaldatore (RH) e quindi l economizzatore (ECO). i fumi in uscita dall economizzatore attraversano la sezione di preriscaldamento dell aria comburente (PA), generalmente presente almeno nelle caldaie di medio-grande taglia, prima di essere inviati al camino

17 Percorso ARIA - FUMI comb. IRR VAP, SH i CONV SH c, RH, ECO fumi aria preriscaldata PA aria non viene mai realizzato, nonostante la più elevata efficienza, uno scambio termico completamente in controcorrente: t i gas di combustione scambiano calore prima con il vaporizzatore, poi con il surriscaldatore e quindi con l economizzatore. La ragione di ciò risiede nel fatto che uno scambio controcorrente produrrebbe temperature inammissibili per la resistenza dei tubi del surriscaldatore T p αe Te + αi Ti = α + α e i T α α p Ti se Te + Ti i e Tp se αi αe 2 VAP SH

18 Percorso ARIA - FUMI comb. IRR VAP, SH i il surriscaldatore, per limitare le sollecitazioni termiche, viene protetto dalla vista della CONV fiamma (cioè dall irraggiamento): nelle caldaie di più grande potenzialità, solamente una sua SH c, RH, ECO fumi porzione (SHi) viene esposta all irraggiamento. In questo caso, il surriscaldatore irraggiato viene in PA genere fatto percorrere in equicorrente dal vapore proveniente dal corpo cilindrico (tratto di aria surriscaldamento a più bassa temperatura) per limitare la temperatura dei tubi. il surriscaldatore viene suddiviso in due o tre banchi (surriscaldatore primario, secondario e, al limite, terziario) da disporre opportunamente, acqua att. eventualmente con l interposizione linterposizione del SH 2 risurriscaldatore(rh),lungoilpercorsodeifumi T SH a valle del vaporizzatore la suddivisione del surriscaldatore in almeno due banchi (primario e secondario) è di fondamentale importanza per la regolazione della temperatura finale del vapore surriscaldato (T SH ) aria preriscaldata SH 1 SH

19 comb. Percorso ARIA - FUMI IRR VAP, SH i CONV SH c, RH, ECO fumi aria preriscaldata PA nel circuito aria-fumi è generalmente inserito un preriscaldatore dell aria comburente (PA) per assicurare un elevato rendimento del generatore di vapore esistono dei limiti inferiori per la temperatura di scarico dei gas combusti dovuti a: corrosioni acide: con combustibili di scarso pregio (oli pesanti, carbone, etc.) contenenti zolfo, interviene il problema della così detta rugiada acida se la temperatura scende sotto determinati limiti ( C) dispersione dei fumi nell ambiente: con combustibili pregiati privi di zolfo, occorre assicurare una certa temperatura del pennacchio dei fumi alla sommità del camino per consentirne una adeguata dispersione nell atmosfera (almeno C) risulterebbe impraticabile abbattere la temperatura dei fumi fino a temperature prossime a quelle ambiente, tramite preriscaldo di aria comburente, a causa delle imponenti superficie di scambio termico richieste (scambio aria-gas) e degli inammissibili costi conseguenti aria

20 Generatori di vapore di grande potenzialità: CALDAIE A U ROVESCIO Caratteristiche: elevato sviluppo verticale della camera di combustione (la cui altezza è tanto più condizionata dalle esigenze di circolazione dell acqua quanto più è alta la pressione di esercizio) contenimento dell altezza complessiva della caldaia (in virtù del tratto discendente affiancato alla camera di combustione)

21 Schema completo di CALDAIE A U ROVESCIO

22 Schema completo di CALDAIE A U ROVESCIO

23 CALDAIE A U ROVESCIO O

24 CALDAIE A U ROVESCIO O

25 CALDAIE A U ROVESCIO O

26 CALDAIE A U ROVESCIO O

27 CALDAIE A U ROVESCIO: O il preriscaldatore d aria

28 Prestazioni energetiche dei

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