Università degli studi di Bologna

D.I.E.M.Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche,

Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia

05_Generatori di vapore

rev. Ottobre 2009

1

Programma

• Bilancio della camera di combustione. Determinazione della temperatura di combustione. Temperatura di parete nei tubi vaporizzatori e surriscaldatori.

• Rendimento del generatore di vapore per via diretta ed indiretta. Influenza dell’eccesso d’aria e del carico sul rendimento del generatore di vapore.

• Estrazione di calore dai fumi. Preriscaldo dell’acqua e dell’aria. Rugiada acida. Carico termico volumetrico. Limiti al carico termico.

• Evoluzione dell’architettura dei generatori di vapore Caldaia ad irraggiamento, architettura e diagramma di scambio.

2

1Bilancio della camera di combustione

Determinazione della temperatura di

combustione

Temperatura di parete nei tubi

vaporizzatori e surriscaldatori.

3

1.1

BILANCIO

CAMERA DI

COMBUSTIONE

4

1.1 Bilancio camera di combustione

5

BILANCIO CAMERA DI COMBUSTIONE

metodo semplificato di Mullikin

Entalpia reagenti

( )

cfff

pc

b

irr

b

iirr

aaabbr

firrri

tcmH

TTm

S

m

Qq

tcmtcH

HqHK

=

−==

+⋅=

+=+

44

0

1

&&

&

σ

ε

Tutte le quantità sono riferite ad un kg di combustibile (J/kgcomb)

Entalpia fumi

Energia irraggiata

σ0 = 5.67 10-8 W/(m2 K4) costante di Boltzmann

6

1.2 Temperatura di combustione

7

1.2

Scambio termico parete piana

8

Potenza scambiata

convezione fluido caldo-parete (1 = c)

( )S

QTTTTSQ

c

pcpcc αα

&& =−⇒−= 11

( )S

sQTTsTTSQpppp λ

λ′

=−⇒′−=&

&2121

/

( )S

QTTTTSQ

f

fpfpf αα

&& =−⇒−=

22

conduzione attraverso la parete piana di spessore s’

convezione parete-fluido freddo (2 = f)

9

Coefficiente globale

di scambio termicosommando membro a membro i termini precedenti

e raccogliendo a fattore comune si ottiene:

SK

QTT

s

S

QTT

fc

fc

fc

&&

=−⇒

+′

+=−αλα11

( )fc TTSKQ −=&

fc

s

K αλα111

+′

+=avendo introdotto il

COEFFICIENTE GLOBALE

DI SCAMBIO TERMICO K

dato dalla:

Dalla quale si ricava la potenza scambiata:

10

Temperatura di parete

convezione fluido caldo-parete; convezione parete-fluido freddo

( ) ( )⇒−=−= fpfpcc TTSTTSQ αα&

( ) ppppp TTTsTTSQ ==⇒′−∞=⇒∞= 2121 /&λ

( ) ( )

cf

ffcc

p

ffpfpccc

fpfpcc

TTT

TTTT

TTTT

αα

αα

αααα

αα

+

+=

−=−

−=−

Trascurando la resistenza termica attraverso la parete piana di spessore s’

temperatura di parete

11

2

Rendimento del generatore di

vapore per via diretta ed indiretta

Influenza dell’eccesso d’aria e del

carico sul rendimento del

generatore di vapore

12

Bilancio del GENERATORE

13

2.1

Metodo diretto

14

RENDIMENTO DEL GENERATORE DI VAPORE

definizione - metodo diretto

i

oavap

ib

oavap

spesa

utileg

K

hhm

Km

hhm

P

P )()( −=

−==

&

&η

mvap è riferita ad un kg di combustibile (kgvap/kgcomb)

15

2.2

Metodo indiretto

16

RENDIMENTO DEL GENERATORE DI VAPORE

metodo indiretto – bilancio energetico

ufff

b

dd

apffapaabbr

fdavapovapri

tcmH

m

Qq

tcmtcmtcH

HqhmhmHK

=

=

≅+⋅=

++=++

&

&

1

ε

Tutte le quantità sono riferite ad un kg di combustibile (J/kgcomb)

Entalpia fumi

Entalpia reagenti

Energia dispersa

17

RENDIMENTO DEL GENERATORE DI VAPORE

metodo indiretto - 2

i

d

i

auff

g

auffdiig

auffdigi

auffdoavapi

K

q

K

ttcm

ttcmqKK

ttcmqKK

ttcmqhhmK

−−

−=

−−−=

−++=

−++−=

)(

)(

)(

)()(

εη

εη

ηε

ε

Tutte le quantità sono riferite ad un kg di combustibile (J/kgcomb)

Perdita per

“calore sensibile”

Energia dispersa

dalle pareti

Rendimento

combustione

18

Influenza

dell’eccesso d’aria (1)

19

Influenza

dell’eccesso d’aria (2)

20

e* e

Influenza del carico (1)

21

Influenza del carico (2)

22

3

Estrazione di calore dai fumi.

Preriscaldo dell’acqua e dell’aria

Rugiada acida

Carico termico volumetrico

Limiti al carico termico

23

Estrazione di calore dai fumi.

24

surriscaldatore

3.2 Rugiada acida

25

p = 0.05 bar

32.9

3.3

CARICO TERMICO

VOLUMETRICO

26

CARICO TERMICO VOLUMETRICO

τct Tempo di combustione totale

V

KmC ictv

&=

Condizione necessaria per avere la completa combustione:

τr Tempo di riscaldamento

τc Tempo di combustione

τp Tempo di permanenza

crctp ττττ +=≥

S

27

LIMITI AL CARICO TERMICO VOLUMETRICO

cc

ccfc

fcf

p

p

p

T

TVm

V

Vm

V

V

V

0

0

0&

&&===τ

ct

cc

ccf

itv

ctcc

ccf

i

ic

p

p

p

T

T

V

KC

p

p

T

T

V

K

Km

V

τ

ττ

1

0

0

0

0

0

0

≤

≥=&

28

CARICO TERMICO SUPERFICIALE

ϕϕ

ϕϕ

LC

L

LC

S

m

segue

LVLS

essendo

SK

VC

S

m

S

S

V

Km

V

KmC

tvtv

irr

c

i

tv

irr

c

irr

icictv

=∝

∝∝

=⇒==

2

3

32

:

;

:

&

&&&

S

Sirr=ϕ

Carico termico superficiale

Grado di raffreddamento (o di schermatura)

irr

cts

S

mC

&=

Limiti al

Carico termico

superficiale

29

4

Evoluzione dell’architettura dei

generatori di vapore

Caldaia ad irraggiamento

architettura e diagramma di scambio

Caldaie per la combustione dei rifiuti

30

4.1.1 Generatori a grossi corpi

31

Accessori (fondamentali) non rappresentati:

Passo

d’uomoIndicatore

di livello

Valvola di

sicurezza

4.1.2 Generatori a tubi di fumo

32

dzl

Sd

l

S tf

fc ππ == ;

Incremento di superficie di scambio

i=2d

22

1 45.360sin diS ≅°=

2

2

2

2

545.3

1

4 d

d

d

dkz

ff

p ≅=π

4505

1000

5=

⋅≅≅==

d

d

d

dz

d

dz

S

S f

ffc

tf

ππ

n. tubi di fumo:l

4.1.3 Generatori da locomotiva

33

4.1.4 Caldaia marina

34

4.1.5 Generatori a tubi d’acqua

35

4.2.1

Generatori ad

irraggiamento

36

4.2.1 Generatori ad irraggiamento

diagramma di scambio

37

4.3.1 Generatori con combustione

su griglie mobili

38

4.3.2 Forno a tamburo rotante

39

4.3.3

Combustore

a letto fluido

convenzionale

e

ricircolato

40

4.3.4 Forno ad aria controllata

41

4.3.5 Forno con

camera di post-combustione

42

Caldaia industriale

43

Coibentazione e

Separatore di vapore

44