Introduzione

È detto generatore di vapore, o più semplicemente caldaia, l'insieme delle apparecchiature che consentono la trasformazione dell'acqua in vapore saturo i surriscaldato. Ogni generatore di vapore comprende essenzialmente la cale propriamente detta, dove sono contenuti l'acqua e il vapore, un focolare o un camera di combustione, dove avviene la combustione del combustibile e i conseguente produzione di fumi caldissimi, e il camino, per lo scarico dei fumi.La superficie della caldaia attraverso la quale si trasmette il calore dai : caldi all'acqua è detta superficie di riscaldamento. La quantità di vapore prodotta ogni ora e per ogni m2 di superficie di riscaldamento è detta potenzialità specifica della caldaia (kg/m2h). Altre caratteristiche delle caldaie : la produzione oraria di vapore nelle normali condizioni di pressione, temperatura e titolo (potenzialità, kg/h); la quantità di vapore prodotto ogni ora ogni kg di combustibile bruciato (potere evaporante, kgv / kgc ); il rapporto il volume d'acqua presente nella caldaia e la superficie di riscaldarne (capacità specifica, dm3/m2). Sono parti essenziali dei moderni generatori di vapore anche il surriscaldatore (per il surriscaldamento del vapore), l'economizzatore (per il preriscaldamento dell'acqua), il preriscaldatore dell'aria comburente, il ventilatore per il tiraggio forzato.I tanti tipi di generatori si possono classificare con criteri diversi: in base alle caratteristiche di installazione (fisse, semifisse, locomobili, navali), in relazione al sistema di riscaldamento (a carbone, a nafta, a gas, elettriche, nucleari), secondo la pressione di esercizio (a bassa, media, alta, altissima pressione), il npo di focolare (esterno, interno), il volume d'acqua contenuto (a grande, medio, piccolo, piccolissimo volume d'acqua), il sistema di alimentazione dell'aria comburente (a tiraggio naturale o artificiale), ecc. Secondo la disposizione relativa dell'acqua e dei fumi prodotti dalla combustione si distinguono in caldaie a tubi di fumo e caldaie a tubi d'acqua.

Caldaie tipo Cornovaglia

Sono questi i generatori di vapore di più antica origine. Nelle loro numerose variazioni e derivazioni, sono ancora usate per piccole produzioni di vapore a bassa pressione (normalmente non più di 12-15 bar). Sono costituite essenzialmente da un collettore cilindrico con all'interno un focolare tubolare di lamiera ondulata, disposto eccentricamente rispetto all'asse longitudinale della caldaia (Fig. 18.1). I fumi prodotti dalla combustione percorrono il tubo focolare, passano poi a lambire la superficie esterna del collettore e infine vengono convogliati al camino. La disposizione eccentrica del focolare da luogo ad un moto di circolazione dell’acqua che facilita la trasmissione del calore ed evita la formazione di bolle stagnanti nel collettore . Data la notevole quantità di acqua contenuta nel collettore , sono anche dette caldaie a grande volume d’acqua ; per questa loro caratteristica , all’avviamento impiegano molte ore per raggiungere la temperatura e la pressione di esercizio ..

Schema di una caldaia tipo Cornovaglia: 1 ) Griglia; 2) Forno ondulato; 3} Ingresso acqua di alimentazione; 4) Duomo; 5} Uscita vapore. Le frecce indicano il percorso dei fumi.

Caldaie a tubi di fumo

Nelle caldaie a tubi di fumo, ormai superate perché pesanti, ingombranti ; di mediocre rendimento, i fumi prodotti dalla combustione passano all'interno -i un fascio di tubi immersi nell'acqua ( vedi Figura) .Schema di una caldaia a tubi di fumo: 1 ) Griglia; 2) Fascio tubiera; 3) Scarico fumi; 4) Prelievo vapore

Caldaie a tubi d'acqua

In queste caldaie l'acqua passa all'interno di fasci di tubi di diametro limitato, lambiti all'esterno dai fumi della combustione, dove si trasformi rapidamente in vapore. La continuità della circolazione è dovuta alla minore densità della miscela acqua-vapore rispetto alla densità della sola acqua; per questo è però necessario che i tubi non siano orizzontali ma opportunamenre inclinati; per le alte pressioni la circolazione è assicurata da apposite pompe-Secondo la disposizione dei fasci, vi sono 2 tipi di disposizioni possibili :

caldaie a tubi suborizzontali

Schema di una caldaia a tubi suborizzontali Babcock e Wilcox: 1 ) Collettore cilindrico; 2) Tubi d'acqua; 3) furetto refrattario; 4) Camera di combustione; S) Surriscaldatore; E) Economizzatore; V) Vapore umido; Vs ) Vapore surriscaldato; A) Acqua di alimentazione.Percorso dei fumi, dalla camera di combustione i fumi caldi lambiscono prima il tratto anteriore dei tubi d'acqua, poiI tubo del surriscaldatore, il tratto posteriore dei tubi d'acqua e infine il tubo dell'economizzatore.Percorso dell'acqua: spinta dalla pompa di alimentazione, l'acqua passa prima attraverso l'economizzatore, dove si riscalda, e arriva nel collettore; scende quindi dalla

parte dell'estremità inferiore dei tubi e risale lungo questi, trasformandosi in vapore.Percorso del vapore: all'uscita dei tubi, il vapore saturo sale nel collettore, attraversa la massa liquida e si raccoglie nella parte superiore; da qui passa nel tubo del surriscaldatore, dove si trasforma in vapore surriscaldato, e infine passa all'utilizzatore.

caldaie a tubi subverticali queste ultime sono preferite per le grandi produzioni di vapore ad alta pressione.

A)Acqua di alimentazione;

V) Vapore saturo;

VJ )Vapore surriscaldato.

In figura schema di una caldaia subverticale.

Attraversando l'economizzatore E, l'acqua arriva nel collettore (C) e passa lungo i tubi d'acqua, dove vaporizza. Il vapore saturo si raccoglie nella parìe alta dei collettori e passa quindi nel surriscaldatore S. I fumi della combustione seguono il percorso indicato dalle frecce.A causa della veloce circolazione dell'acqua e della ridotta capacità specifica, le caldaie a tubi d'acqua consentono di ottenere normalmente vapore saturo a 15-^25 bar e vapore surriscaldato a 30-r60 bar, con temperature di surriscaldamento molto elevate e notevoli produzioni specifiche; non comportano particolari rischi di esplosione e possono essere facilmente e rapidamen portate in pressione.Vi sono anche caldaie, dette a radiazione totale, nelle quali la camera e: combustione è direttamente delimitata dai tubi d'acqua .

Caldaie mono – tubolari

Sappiamo che alla pressione critica (221,2 bar) l'acqua vaporizza istantaneamente, passa cioè direttamente dallo stato liquido allo stato di vapore saturo secco, senza variazioni di volume. Per pressioni molto elevate, e in particolare per le pressioni superiori alla pressione critica, si usano oggi le caldaie mono- tubolari, dette anche a passaggio unico o a circolazione forzata (Fig. accanto ) nelle quali tutta l'acqua introdotta evapora al primo passaggio, senza il collettore. Per evitare corrosioni e incrostazioni, l'acqua di alimentazione per queste caldaie deve essere depurata, priva di sali. Un apposito sistema automatico di regolazione deve provvedere ad adeguare momento per momento la portata d'acqua e la combustione alla portata di vapore richiesta.

In figura lo schema del sistema di circolazione di una caldaia mono- tubolare Benson. L'acqua fornita dalla pompa di alimentazione vaporizza nel serpentino C; il vapore si surriscalda nel surriscaldatore S, e passa alla motrice per una prima espansione; ritorna poi nella caldaia, dove viene di nuovo surriscaldato nel surriscaldatore S2 per passare infine ad una seconda turbina.A) Acquo di alimentazione; Vs) Vapore saturo.

Vapore normale

Le caldaie possono produrre vapore saturo o surriscaldato, a bassa, media alta o altissima pressione. Volendo confrontare la potenzialità di caldaie diverse non si fa quindi riferimento al vapore effettivamente prodotto ma al vapore normale, cioè al vapore saturo secco prodotto alla pressione atmosferica. quindi alla temperatura di 100 °C, partendo dall'acqua a O °C; la produzione < 1 kg di vapore normale richiede circa 2680 kJ. Volendo determinare la produzione in vapore normale di una caldaia si deve ricavare dal diagramma di Mollier la differenza di entalpia fra il vapore prodotto e l'acqua disponibile (hv - ha); la produzione in vapore normale è data quindi, in kg/h, dalla relazione:

mVn

con mVn = potenzialità in vapore normale ; mV = vapore prodotto in un ‘ ora .

Impianto di combustione

Nel focolare delle caldaie di piccola o media potenzialità i combustibili solidi vengono in genere distesi in strati su una griglia metallica ; l’aria comburente arriva da sotto attraverso gli interstizi della griglia. Attualmente sono di uso comune le griglie rotanti a caricamento automatico, a catena ( vedi Fig. ) o a coclea.Lo schema di un impianto di combustione con griglia a catena per combustibili in pezzi, è il seguente :

I ) Camera di combustione; 2) Tramoggia di caricamento del carbone; 3) Albero comando avanzamento della griglia a catena; 4) Condotti dell'aria comburente; 5) Ugello aria comburente; 6) Raccoglitori delle ceneri.

Il carbone cade dalla tramoggia sulla griglia, formando uno spessore che può essere regolato; l'aria comburente investe il combustibile dal basso (attraverso i condotti 4) e dall'alto (attraverso l'ugello 5). Dai raccoglitori 6 la cenere viene asportata per mezzo di scaricatori ad elica.Le caldaie con forti produzioni di vapore possono essere dotate di impianti a carbone polverizzato. In questo caso il carbone viene preventivamente ridotto in polvere, da mulini a rulli o a sfere, e la polvere viene inviata ai bruciatori mediante una corrente d'aria calda; spesso i bruciatori sono disposti ai quattro angoli della camera di combustione, in modo da determinare all'interno di questa una forte turbolenza, per favorire la migliore miscelazione del combustibile con l'aria comburente.

I combustibili liquidi vengono iniettati nelle camere di combustione finemente polverizzati, per favorirne l'intima mescolanza con l'aria comburente. Nella maggior parte dei casi si tratta di nafta pesante, preventivamente riscaldata e filtrata.La polverizzazione si ottiene facendo effluire la nafta sotto forte pressione attraverso un piccolo foro; all'uscita del bruciatore si forma così un getto conico costituito da goccioline minutissime; l'aria comburente viene immessa intorno al bruciatore. La pressione sulla nafta è esercitata da un'apposita pompa; vi sono anche sistemi di polverizzazione che utilizzano un getto di vapore in pressione o un getto d'aria compressa.

I combustibili gassosi vengono semplicemente spinti nella camera di combustione mediante appositi ugelli.I grandi impianti possono anche essere predisposti per poter bruciare indifferentemente carbone polverizzato, nafta o gas.Nelle vecchie caldaie a combustibili solidi il tiraggio, cioè la circolazione d'aria necessaria per assicurare la quantità di ossigeno richiesta dalla combustione, era naturale; il tiraggio artificiale si può realizzare insufflando aria nella camera di combustione mediante un ventilatore (tiraggio forzato) oppure aspirando i gas combusti nel camino, provocando una depressione che richiami aria dall'esterno (tiraggio aspirato).L'andamento della combustione può essere regolato, mediante appositi apparecchi, in relazione alla composizione dei gas combusti .

Surriscaldatori

I surriscaldatori servono per trasformare il vapore saturo prodotto dalla caldaia in vapore surriscaldato. Sono generalmente costituiti da serpentine di tubi di piccolo diametro, investite dai fumi della combustione, posti in una zona del generatore di vapore sufficientemente calda, se necessario anche nella camera di combustione . Il riscaldamento può essere per irraggiamento o per convezione.La superficie dei surriscaldatori si può calcolare con la formula seguente:

As

dove: Q ' = quantità di calore scambiato in un'ora fra i fumi e il vapore; te e tu = temperature di entrata e di uscita dei fumi nel surriscaldatore; tv = temperatura di entrata del vapore umido; ts = temperatura di uscita del vapore surriscaldato; kÉ = coefficiente di trasmissione totale (per un surriscaldatore 125-=-170 kJ/m2 • h -°C)

Economizzatori

Gli economizzatori hanno la funzione di preriscaldare l'acqua di alimentazione della caldaia, ad una temperatura prossima a quella di evaporazione, utilizzando il calore residuo dei fumi della combustione prima dello scarico al camino.Sono normalmente costituiti da un fascio di tubi percorsi all'interno dal l'acqua e lambiti dai fumi di scarico, situato nel condotto fra la caldaia e il camino (Figg. 18.3 e 18.4).La superficie dell'economizzatore si può calcolare con la formula seguente:

Ae

dove: Q' = calore scambiato; t'f e tf= temperature di ingresso e di uscita dei fumi nell'economizzatore; te e tu = temperature di ingresso e di uscita dell'acqua nell'economizzatore; kp = coefficiente di trasmissione totale (normalmente 50-^80 kJ/m2 • h • °C).

Apparecchi di alimentazione

Durante il funzionamento della caldaia l'acqua che si trasforma in vapore deve essere continuamente sostituita con altra acqua. Perché sia garantita la continuità dell'alimentazione in qualsiasi situazione, i generatori debbono essere dotati di due apparecchi di alimentazione indipendenti, in grado ciascuno di fornire una portata pari al doppio della quantità d'acqua richiesta dalla caldaia a regime.Nella maggior parte dei casi si usano pompe di alimentazione centrifughe a più giranti. L'acqua di alimentazione deve essere preventivamente depurata: nei grandi impianti viene distillata.Le incrostazioni dovute ai sali rimasti nell'acqua si possono eliminare intro-ducendo periodicamente nella caldaia sostanze chimiche disincrostanti ed estra-endo poi periodicamente la fanghiglia residua attraverso le apposite valvole di spurgo.

Preriscaldatori d’aria

I preriscaldatori dell'aria comburente consentono un ulteriore recupero del calore contenuto nei fumi di scarico, favorendo un miglior rendimento della combustione. Possono avere forme diverse e sono in genere inseriti nel condotto del fumo, a valle dell'economizzatore.La superficie Ap si può calcolare con la formula già vista per gli economizzatori.

Rendimento dei generatori di vapore

In pratica, per cause diverse (aria comburente in difetto o in eccesso perdite attraverso la griglia, ecc.), la quantità di calore che effettivamente ottiene dalla combustione di 1 kg di un dato combustibile è sempre infero* all'energia interna massica dello stesso, cioè alla quantità di calore che 1 kg combustibile può sviluppare bruciando completamente. Il rapporto fra la quantità di calore Qc effettivamente sviluppato dalla combustione e la quantità calore Q corrispondente all'energia interna massica è detto rendimento della combustione:

η

Non tutto il calore effettivamente sviluppato nella combustione viene : trasmesso all'acqua; la perdita più consistente è costituita dalla quantità di calore Qf asportata dai fumi che si scaricano nell'atmosfera attraverso il can (perdita al camino o perdita per calore sensibile). Indicando con w/la oraria dei fumi sviluppati dalla combustione di 1 kg di combustibile (compi la massa d'aria comburente), con cpy il calore specifico medio dei fumi a p costante nell'intervallo di temperatura fra tt (temperatura dei fumi del camino) t0 (temperatura dell'aria comburente), si ha:

Qf

II calore effettivamente utilizzato (Qa ) risulta:

Qu=Qc-Qf =Qc-

Trascurando le perdite di calore per la dispersione nell'ambiente (nei grandi ripianti non supera 1%), per il rendimento della caldaia si ha quindi:

ηg =

Si può valutare il rendimento della caldaia anche considerando l'entalpia del vapore prodotto (hv)e l'entalpia dell'acqua di alimentazione (ha ). Indicando con mv la produzione oraria di vapore, il calore utilizzato in un'ora risulta:

Qu=

La quantità di calore speso è invece data dal prodotto del consumo orario di combustibile (mc) per l’energia interna massica:

Qs= mc Qi

Per il rendimento della caldaia si ha quindi :

ηg =

Se la caldaia è dotata di un economizzatore, una parte del calore residuo contenuto nei fumi della combustione viene utilizzata per il preriscaldamento dell'acqua . In questo caso rimane invariato il calore speso ma aumenta quantità di calore utilizzato e quindi il rendimento; per la determinazione rendimento si deve infatti tener conto non dell'entalpia dell'acqua l'ingresso della caldaia ma dell'entalpia, inferiore, all'ingresso dell'economizzatore.Volendo ottenere il rendimento termico utile del generatore (ηu), si deve giungere al calore speso per il vapore il calore esterno eventualmente utilizzato per il preriscaldamento del combustibile o dell'aria comburente e si deve sottrarre calore utilizzato la quantità di calore

corrispondente alle energie spese per i servizi (tiraggio, alimentazione del combustibile, alimentazione dell'acqua, ecc.);

nel caso più generale si ha:

ηu =

dove: Qv - contenuto termico del vapore utilizzato; Qa - contenuto termico dell'acqua di alimentazione; Q s= calore sottratto; Qw ... = equivalenti termici elle energie spese per i servizi; mc = massa del combustibile bruciato; u = energia interna massica del combustibile;

Qac e Qc = quantità di calore relativo rispettivamente all'aria comburente e al combustibile prima e dopo il preriscaldamento sorgenti di calore esterne al generatore.