1Conduzione dei generatori di vapore

Lezione 7

Corso Avanzatoa cura di Abaco Group s.r.l.

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2Bilancio termico e

Rendimento dei generatori

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3Bilancio termico

Il bilancio termico esprime il calcolo numericocon cui si applica il principio di conservazionedellenergia ad un generatore di vapore.

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4Bilancio termico

In condizioni di regime stazionario, lenergiatermica entrante nel sistema uguale a quellauscente, comprendendo nel termine di energiatermica anche quella chimica e le eventuali altreforma di energia che si trasformano in energia.

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5Bilancio termico

Lapplicazione pratica del principio diconservazione dellenergia ad un generatore divapore porta allespressione per il bilanciotermico:

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Qc + Qa = Qv + Qf + Qd

6Bilancio termicoin cui:

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Qc = potenza termica sviluppata dalla combustione

Hi = potere calorifico inferiorec = portata in massa o consumo nellunit di tempo del combustibile

Qc = Hi c

7Bilancio termico

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Qa = potenza termica introdotta con lacqua di alimento

ca = calore specifico massicoa = portata dellacqua di alimentota = temperatura in ingresso

Qa = ca a ta

8Bilancio termico

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Qv = potenza termica uscente con il vapore prodotto

v = portata del vapore o produzione del vapore hv = contenuto termico o entalpia del vapore prodotto

Qv = v hv

9Bilancio termico

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Qf = potenza termica uscente per effetto del calore sensibile dei fumi

cf = calore specifico volumico dei fumic = portata in massa del combustibilevf = volume dei fumi prodotto per kg di combustibiletf = temperatura dei fumi alluscitate = temperatura dellambiente esterno

Qf = cf c vf (tf - te)

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Bilancio termico

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Qd = potenza termica dispersa nellambiente per convezione ed irraggiamento [kcal/h o MW]

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Bilancio termico

Rappresentazione schematica delle voci del bilancio termico per un generatore di vapore

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QaQv(contenuto termico del vapore) (contenuto termico dellacqua di alimento)

QfQc(calore sviluppato dal combustibile) (calore sensibile dei fumi)

Qd (calore disperso dalle pareti)

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Bilancio termico

La quantit di calore sviluppata dallacombustione, pi lenergia termica possedutadallacqua di alimento, deve essere uguale allaenergia termica posseduta dal vapore prodotto,pi il calore perso al camino pi il caloretrasmesso attraverso le pareti del generatore eceduto allambiente.

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Bilancio termico

Nellespressione si suppone di essere in regimestazionario e cio che temperatura, pressione,carico e livello dellacqua nel generatore restinocostanti nel tempo.

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Bilancio termico

Dividendo lequazione che esprime il bilanciotermico in termini di quantit di calore (o dipotenze termiche) per lenergia (o la potenza)introdotta con la combustione del combustibile Qce moltiplicando per 100 si trova la relazione tra ilrendimento e le perdite.

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Bilancio termico

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Bilancio termico

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Bilancio termico

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Bilancio termico

Rappresentazione schematica delle voci del bilancio termico per un economizzatore

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QaiQau

(contenuto termico dellacqua di

alimento in uscita dalleconomizzatore)

(contenuto termico dellacqua di alimento in ingresso

alleconomizzatore)

QfuQfi(calore sensibile

nei fumi in ingresso alleconomizzatore)

(calore sensibile residuo nei fumi in uscita

dalleconomizzatore)

Qde (calore disperso dalle pareti delleconomizzatore)

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Bilancio termico

Rappresentazione schematica delle voci del bilancio termico per un preriscaldatore

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QaiQau

(contenuto termico dellaria in uscita dal

preriscaldatore ed alimentata dal bruciatore)

(contenuto termico dellaria ambiente in ingresso)

QfuQfi(calore sensibile

nei fumi in ingresso al preriscaldatore)

(calore sensibile residuo nei fumi in uscita dal

preriscaldatore)

Qdp (calore disperso dalle pareti del preriscaldatore)

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Bilancio termico

Ricapitolando, con lespressione bilancio termicosi intende la valutazione globale del calore speso,del calore utilizzato e di quello perso, secondo ledefinizioni precedentemente esposte.

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Bilancio termico

Il bilancio termico pu essere effettuato: in maniera diretta; in maniera indiretta.

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Bilancio termico diretto

Il bilancio termico diretto si effettua misurando ilcalore speso, il calore utilizzato, il calore perso alcamino (sensibile e per incombusti) e per differenzail calore perso per convezione, irraggiamento ecause varie.

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Bilancio termico indiretto

Il bilancio termico indiretto si effettua misurando ilcalore speso, il calore perso al camino, valutandocon luso di opportuni diagrammi o correlazioni lealtre perdite e calcolando per differenza il caloreutilizzato.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Correlazione =

studio delle interdipendenze esistenti tra le grandezze che intervengono nella descrizione di

un fenomeno fisico

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Esempio

Generatore di vapore del tipo a tubi da fumo,pressurizzato, in cui si aumenta leccesso di ariacomburente, mantenendo invariata la quantit dicombustibile bruciata.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Lapplicazione pratica del principio diconservazione dellenergia ad un generatore divapore porta allespressione per il bilanciotermico:

Qf = cf vf (tf-te) mc

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Correlazioni tra parametridella combustione

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in cui:

Qf = calore perdutocf = calore specifico medio volumico dei fumivf = volume dei fumi per unit di massa di combustibile bruciato(tf -te) = differenza tra la temperatura dei fumi e la temperatura ambientemc = massa di combustibile bruciato

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Allaumentare del calore perso diminuisce quelloutilizzato e diminuisce quindi il rendimento.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Considerando la variazione di temperatura alcamino, poich la temperatura della fiamma funzione diretta del potere calorifico e funzioneinversa del volume dei prodotti della combustione,allaumentare delleccesso daria, la temperaturadiminuisce.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Diminuisce quindi molto il calore trasmesso perirraggiamento, che funzione della quarta potenzadella temperatura assoluta della fiamma.Lirraggiamento peraltro minore anche perch,aumentando leccesso daria, diminuiscono ledimensione della fiamma e quindi la superficieirradiante. I fumi pertanto escono pi caldi dallacamera di combustione.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Il volume dei prodotti della combustione, cheescono dalla camera di combustione, in questocaso pi grande, sia per laumento dellaria ineccesso, sia per la maggior temperatura; aumentadi conseguenza la velocit di efflusso dei fumi.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Nel fascio tubiero, in cui la trasmissione avvieneprincipalmente per convezione, si ha, perlaumentata velocit dei fumi e per il maggior saltotermico, un aumento dello scambio di calore.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Se il rapporto tra il calore trasmesso perirraggiamento e quello trasmesso per convezione inizialmente prossimo ad uno, pu accadere che latemperatura alla base del camino resti pressochinvariata.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Se lo scambio di calore per irraggiamento fossepredominante, la temperatura salirebbe; per controla temperatura sarebbe pi bassa se viceversafosse predominante lo scambio per convezione.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Dopo aver aumentato leccesso daria gli strumentirilevano che: In camera di combustione la pressione aumenta. Alluscita della camera di combustione la

temperatura dei fumi in genere aumenta. La temperatura della fiamma pi bassa. La pressione del vapore, a parit di richiesta,

tende a diminuire.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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La pressione alla base del camino potr essereuguale o lievemente superiore.

La temperatura alla base del camino resterpraticamente invariata.

La percentuale di CO2 diminuisce e l O2aumenta nei prodotti della combustione.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Se si disponesse della strumentazionenecessaria si vedrebbe che aumenta latemperatura a cui inizia la condensazione delvapore dacqua contenuto nei prodotti dellacombustione; in pratica si abbassa il punto dirugiada.

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Correlazioni tra parametridella combustione

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Si pu avere anche una diminuzione dellindice diopacit, ove inizialmente fosse stato elevato,risultando i fumi pi diluiti.

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Indagini e prove di rendimento

Con indagini chimico-fisiche e prove direndimento si indicano le operazioni di controllodella combustione che vengono effettuate sugliimpianti termici dai funzionari tecnici dellEntepubblico preposto al controllo.

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Indagini chimico-fisiche

L indagine chimico-fisica in particolare consiste:a) nellanalisi dei prodotti della combustione

limitata, di solito, alla ricerca della percentuale dianidride carbonica (CO2); pu comprendereanche la determinazione dellossigeno (O2) edellossido di carbonio (CO);

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Indagini chimico-fisicheb) nella determinazione della temperatura dei

prodotti della combustione alla fine del circuito diutilizzazione ed eventualmente in altri punti delcircuito;

c) nella constatazione delle condizioni di tiraggio e,soprattutto della determinazione del tiraggiodifferenziale fra punti diversi del ciclo;

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Indagini chimico-fisiche

d) nellesame e nello studio delle registrazioni fattea cura dellutente e dei dati segnalati dagliapparecchi di controllo esistenti, e ove occorra,verificati.

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Indagini chimico-fisiche

Schema di posizionamento degli strumenti di un generatore di vapore a tubi dacqua per lindagine chimico-fisica, la prova di rendimento e per la determinazione delle emissioni inquinanti.

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Indagini chimico-fisichePer lesecuzione dellindagine chimico-fisicaoccorre:

un bocchello (diametro 30 mm) sul condotto dicarico dei fumi, necessario per limmissione di untermometro e di tre sonde rispettivamente perlanalisi del gas, per lopacimetro e per ilpressodeprimometro (posizione 1 in figura); nelcaso esistano recuperi di calore i rilievi devonoessere effettuati prima e dopo lapparecchio direcupero;

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Indagini chimico-fisiche un foro in camera di combustione per la sonda di

un pressodeprimometro (pos. 2 in fig.); un attacco regolamentare per il manometro

campione, per la misura della pressione delvapore (pos. 3 in fig.);

una presa per il rilievo della temperaturadellacqua di alimento (pozzetto sulla tubazioneprima del gruppo di intercettazione);

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Indagini chimico-fisiche

rilievo della temperatura ambiente; opportuno conoscere il carico di lavoro del

generatore oggetto della prova, mediantecontatori inseriti nella tubazione dellacqua dialimento o su quella del vapore.

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Prova di rendimento

La prova di rendimento e di consumo consiste nelrilievo di tutti gli elementi costitutivi del bilanciotermico.

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Prova di rendimentoPer lesecuzione delle prove di rendimento conmetodo diretto occorre conoscere esattamente,come si detto, il calore fornito e quello utilizzato;pertanto, oltre i rilievi elencati per lindaginechimico-fisica, servono: esatta misura del combustibile; analisi chimica del combustibile; misura dellacqua o del vapore;

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Prova di rendimentoLesatta misurazione dellacqua introdotta o delvapore prodotto, avviene in genere medianteinserzione di flange tarate e impiego di manometridifferenziali.

Lanalisi del combustibile serve per ladeterminazione del potere calorifico.

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Emissioni inquinanti

Si definisce emissione di un impianto linsieme disostanze che, dopo il ciclo di utilizzazione, vengonoscaricate nellatmosfera.

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Emissioni inquinantiNel caso di generatori di vapore, lemissione costituita principalmente da: anidride carbonica (CO2) ossido di carbonio (CO) ossido di zolfo (SO2 e SO3) ossido di azoto (NOx) ossido di zolfo (SO2 e SO3) aria umida (O2 + N2+ H2O)

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Emissioni inquinanti

Altra tipologia di emissioni sono: materiali particellari (fuliggine e cenere) Idrocarburi incombusti (composti organici volatili)

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Emissioni inquinanti

Lo studio del meccanismo di formazione degliinquinanti e la possibilit del loro controllo non haportato soltanto alla riduzione dellinquinamentoatmosferico ma anche ad una migliore utilizzazionedei combustibili.

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Emissioni inquinanti

Nei generatori di vapore le operazioni inerenti alcontrollo delle emissioni possono evidenziareeventuali inidonei accoppiamenti dellapparatobruciatore con la camera di combustione.

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Emissioni inquinanti

La formazione di fuliggine infatti conseguente allanon appropriata geometria della fiamma rispettoalla camera di combustione.

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Emissioni inquinanti

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Schema di posizionamento degli strumenti di un generatore di vapore a tubi dacqua per lindagine chimico-fisica, la prova di rendimento e per la determinazione delle emissioni inquinanti.

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Emissioni inquinanti

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Per il prelievo di inquinanti atmosferici occorre: un bocchello con diametro interno 80 mm, posto

in posizione centrale, ad una distanza noninferiore a 4 o 5 diametri (del camino) da ognieventuale strozzatura, cambio di direzione,raccordo e simili; serve per introdurre la sonda dicampionamento necessaria per il prelievo delmateriale particellare (posizione 4 in figura);

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Emissioni inquinanti

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un bocchello di 20-30 mm, posto superiormenteal precedente alla distanza di circa 5 cm. Serveper il rilievo della temperatura mediantetermometro (posizione 5 in figura).