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4. Le caldaie: fondamenti e componenti SOMMARIO

4. LE CALDAIE: FONDAMENTI E COMPONENTI..........................................................1

4.1. Cenni storici ........................................................................................................................................................ 2

4.2. Classificazione e componenti delle caldaie ....................................................................................................... 6

4.3. Bilancio termico e scambio termico nelle caldaie .......................................................................................... 13

4.4. Cenni a tecnologie innovative: boiler Once-Through e super-critici ........................................................... 13

4.5. Esercizi applicativi ........................................................................................................................................... 13

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I ORA

4.1. Cenni storici Nell'accezione generale, viene detta caldaia un recipiente riscaldato contenente acqua (o eventualmente altro liquido), che quindi aumenta di temperatura per effetto di un riscaldamento esterno. Come caso particolare, se tale apparecchiatura è destinata a provocare il cambiamento di stato dell'acqua, da liquido ad aeriforme, in modo continuo e in condizioni controllate, viene meglio definita generatore di vapore. La prima caldaia di cui si ha notizia è la sfera di Eliogabalo, costituita da un recipiente metallico cavo di forma sferica, chiuso salvi alcuni ugelli tangenziali; posta sulla fiamma, l'acqua contenuta vaporizzava e, per effetto dell'espansione conseguente, il vapore fuoriusciva dagli ugelli tangenziali ponendo la sfera stessa in rotazione; si era in presenza quindi di un assieme caldaia - motore a vapore. La sfera di Eliogabalo non ebbe seguito pratico, né vi furono tentativi concreti di sfruttare il vapore fino al tardo XVII secolo; le ragioni di ciò essendo la mancanza di utilizzatori e la mancanza di combustibile adatto (il legno, specie se verde, ha bassissimo potere calorifico e non è adatto alla generazione di vapore se non con particolari accorgimenti, relativamente più recenti). Nel XVIII secolo, quando iniziarono le applicazioni del vapore come produttore di energia meccanica, si sviluppò anche la tecnologia delle caldaie. Dai primi modelli, non differenti nel principio dalle moderne pentole a pressione (recipiente chiuso posto su una fiamma esterna, con uscita su cui agisce una contropressione controllata), si passò al tipo, ancor oggi usato anche se solo sporadicamente, caldaia Cornovaglia (vedi figura 1). Le caldaie da riscaldamento odierne (che però non sono generatori di vapore) sono molto simili al tipo Cornovaglia.

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Figura 1: Caldaia tipo Cornovaglia Con l'aumentare dell'uso del vapore, tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX secolo, il semplice focolare della Cornovaglia, che non permetteva grandi superfici di scambio, venne gradualmente sostituito da sistemi a fascio tubiero che, oltre ad aumentare la superfice di scambio, consentivano un migliore controllo del moto convettivo dell'acqua: le caldaie a tubi di fumo (vedi figura 2). Questo è il modello generalmente usato nelle locomotive a vapore. Verso la fine del XIX secolo, nel 1867, gli statunitensi George Babcock e Stephen Wilcox concepirono la caldaia a tubi d’acqua, da loro definita non esplodente in cui all'interno dei tubi, anziché i fumi di combustione, veniva fatta circolare l'acqua da vaporizzare, creando così migliori coefficienti di scambio e, dato che si potevano usare tubi più piccoli e tortuosi, maggiori superfici di scambio, ottenendo così caldaie più piccole a parità di produzione; ulteriori vantaggi erano il ridotto volume d'acqua, che consentiva un avviamento molto più rapido, e le dimensioni minori delle parti a pressione, che venivano così ad avere minori spessori (da qui il nome non esplodente) (Figura 3).

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Figura 2: Caldaia a tubi di fumo Delle caldaie a tubi d'acqua vennero anche realizzati in quel periodo tipi particolari, in cui la circolazione viene assicurata da una pompa esterna: le caldaie a circolazione forzata, di cui il tipo principale è la caldaia tipo La Mont. Il sistema è oggi largamente usato, specie nelle grandi caldaie destinate all'alimentazione di turbine per produzione di energia elettrica. Parte dell'evoluzione delle caldaie è dovuta all'evoluzione dei combustibili. Dal legno dei primordi, si è passati al carbone verso il XVIII secolo, e questo è rimasto per un secolo e mezzo il combustibile principe; la combustione avveniva nel focolare, sostanzialmente una griglia, su cui veniva posto il combustibile solido, in modo più o meno meccanizzato e da cui venivano evacuate le ceneri, anch'esse in modo più o meno meccanizzato. Nel XX secolo il carbone è stato gradualmente soppiantato dai combustibili liquidi; ciò ha richiesto la sostituzione del focolare con altri sistemi, in grado di iniettare miscele combustibile liquido - comburente gassoso nella camera di combustione. Tali dispositivi sono detti bruciatori.

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Figura 3: Caldaia a tubi d'acqua

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4.2. Classificazione e componenti delle caldaie

Si possono classificare le caldaie secondo:

• il profilo di circolazione dell'acqua e dei fumi (a tubi d'acqua/tubi di fumo) • la circolazione dell'acqua (naturale, assistita o forzata) • il contenuto d'acqua in rapporto alla superficie (grande, medio, piccolo, piccolissimo) • la pressione massima di esercizio • la produzione massima oraria di vapore • il tipo di combustibile

Si possono inoltre classificare per:

• tipo di installazione (fissa, semifissa, locomobile, locomotiva)

La maggior parte delle caldaie sono concepite per uso continuativo e definito, e vengono installate in un punto preciso definito in base a considerazioni pratiche. Sono quindi installate in modo permanente, e possono essere rimosse solo dopo importanti lavori di demolizione. Queste sono le caldaie fisse. Esempio: generatori di vapore a tubi di fumo per la generazione di vapore di processo per l’industria chimica o petrolchimica. Alcune caldaie, pur essendo installate in punti definiti da altre considerazioni, hanno una relativa facilità di spostamento; tipicamente la caldaia in quanto tale è un monoblocco completo di accessori, esclusi l'alimentazione del combustibile ed eventualmente accessori esterni quali il camino. Queste sono le caldaie semifisse. Esempio: caldaie a biomassa per alimentazione di rete di teleriscaldamento. Esistono poi caldaie che contengono in sè tutti gli accessori necessari al funzionamento, incluso un serbatoio del combustibile (solido, liquido o gassoso), e che spesso hanno mobilità facilitata, essendo montate su ruote e quindi trainabili; utilizzate ad esempio per usi di cantiere. Queste caldaie sono delle locomobili. Esempio: le vecchie (XIX secolo) caldaie-motori-a-vapore utilizzate dai pompieri per il pompaggio dell’acqua. Infine, una caldaia locomobile in cui l'energia di spostamento è data dalla caldaia stessa grazie all'installazione di un motore a vapore è detta locomotiva. Ne è ovviamente un esempio la motrice a vapore dei treni.

• tipo di focolare (a combustibile solido, a combustibile liquido, a recupero).

Vale la pena di citare anche le caldaie a recupero. Molti processi industriali avvengono con forte sviluppo di calore, sia prodotto dal processo stesso, come la combustione dello zolfo per la produzione di acido solforico, sia apportato dall'esterno al processo, come la fusione dell'acciaio in cubilotti e forni elettrici. Da questi processi si liberano dei fumi a temperature elevate, che possono essere raffreddati facendo cedere loro calore all'acqua, che quindi vaporizza in una vera e propria caldaia. La particolarità di queste caldaie a recupero è la mancanza di focolare o bruciatore. Un caso particolare di caldaia a recupero è quello presente nelle centrali elettriche a ciclo combinato. In queste, parte dell'energia elettrica viene prodotta da alternatori collegati a motori endotermici, di solito turbine a gas ma anche grandi motori alternativi marini. I fumi di combustione uscenti dai motori passano in una caldaia a recupero (denominata HRSG, Heat Recovery Steam Generator) , in cui si può produrre vapore ad elevate pressioni (>150 bar), che può essere inviato a turbine a vapore, che a loro volta azionano altri alternatori.

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Alcuni esempi di focolari in caldaie convenzionali sono riportati in Figura 5-6, mentre focolari non convenzionali sono riportati nelle successive figure 8-11.

Nella caldaia si distinguono essenzialmente:

• il focolare (fig. 1) o il bruciatore (fig. 4), che costituiscono l'organo di ingresso dell'energia termica. Sul focolare, o grazie al bruciatore, si costituisce una miscela quasi perfettamente stechiometrica tra il carbonio contenuto nel combustibile e l'ossigeno contenuto nell'aria, in modo da realizzare una fiamma tale da trasmettere il calore sia per convezione termica tramite i fumi caldi di combustione, sia per irraggiamento.

• il corpo cilindrico (fig. 2 e 3) o evaporatore, che nelle caldaie a tubi di fumo è l'involucro contenente la caldaia stessa; in quelle a tubi d'acqua ve ne è di norma due o più, uno inferiore avente la funzione di collettore dell'acqua calda non vaporizzata per favorirne il moto convettivo, e uno o più superiori, nei quali si ha la separazione tra la fase liquida e la fase vapore. Nelle caldaie a tubi di fumo, la funzione del corpo cilindrico superiore è compiuta dal duomo, in cui si ottiene, anche a mezzo di schermi, la separazione delle gocce dal vapore saturo. Un esempio di evaporatore industriale a tubi d’acqua è riportato in Figura 7.

• il fascio tubiero (non presente nelle caldaie tipo Cornovaglia), ossia un assieme di tubi che collegano, nelle caldaie a tubi di fumo il focolare al camino, e in quelle a tubi d'acqua i corpi cilindrici. Il fascio tubiero ha la funzione di aumentare per quanto possibile la superficie di scambio tra fumi e acqua.

• il camino, condotto esterno di evacuazione dei fumi di combustione esausti.

Oltre a questi componenti di base, si distinguono altre parti essenziali:

• la muratura (vedi fig. 3), un'opera edile solitamente non portante, e costituita da strati diversi di materiali fittili: uno strato di laterizio refrattario, resistente alle temperature elevate presenti in caldaia, e in particolare all'ossidazione; uno strato di laterizio o di costituzione diversa, detto isolante o coibente, avente la funzione di evitare le dispersioni di calore all'esterno, e infine, eventualmente, uno strato di finitura portante che può essere a volte sostituito da pannelli metallici o altre coperture. Nelle caldaie a tubi d'acqua, la muratura comprende anche le chicanes interne destinate a definire il giro dei fumi (vedi fig. 3)

• le portelle di ispezione, così dette se realizzate nella muratura allo scopo di evacuare le ceneri o di semplice ispezione visiva, e dette invece passi d'uomo se realizzate nelle parti metaliche.

• Iniettori di sorbenti o di gas esausti ricircolati in caldaia, allo scopo di controllare e ridurre

le emissioni inquinati.

• i surriscaldatori (vedi fig. 4, fig. 5 e fig. 6). Per comprenderne la funzione, si deve considerare che la caldaia come finora descritta produce vapore d'acqua alla temperatura di ebollizione, cioè saturo (punto a destra della curva limite superiore); se la caldaia è ben fatta il vapore è saturo secco, ha cioè assorbito tutto il calore latente di vaporizzazione ed ha titolo unitario. Ma il vapore saturo è adatto solo alla fornitura di calore per condensazione; se inviato in turbina, sarà allo scarico saturo umido e quindi permetterà salti di pressione

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relativamente bassi (l’uscita turbina non può avere titolo inferiore a circa 0.92 per problemi di erosione delle goccioline sugli ultimi stadi della turbina a vapore di bassa pressione). Si fornisce allora ulteriore calore al vapore saturo, in modo di aumentarne la temperatura a pressione costante. Nelle grandi caldaie per la generazione elettrica condizioni normali di fornitura del vapore arrivano oltre i 250 bar (25 MPa) e 560°C (833 K). Per raggiungere queste temperature non è possibile sfruttare la sola conduzione attraverso i fumi, e una parte dei tubi del surriscaldatore lavorano normalmente per irraggiamento, sono disposti cioè a vista della fiamma e comunque nel punto più caldo possibile. Per proteggere il primo banco di surriscaldatori la caldaia nella parte superiore è dotata del cosiddetto naso, una protuberanza refrattariata che protegge una parte del banco surriscaldatori dalla vista diretta della fiamma.

• gli economizzatori. Allo scopo di ridurre il consumo di combustibile, si cerca di recuperare anche il calore residuo a bassa temperatura, attraverso apparecchi detti appunto economizzatori. Questi consentono in pratica in preriscaldamento dell'acqua di alimento fino a circa 5°C in meno rispetto la temperatura di saturazione, che costituisce l’ingresso dell’evaporatore (la differenza tra temperatura di uscita economizzatore e la temperatura di saturazione alla pressione data è detta ∆Tsubcooling; ∆Tsubcooling deve essere >0 per evitare che la vaporizzazione cominci nell’economizzatore, con il conseguente stress termico).

Figura 4: Parti costituenti la caldaia

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Figura 5: Schema concettuale-costruttivo di caldaia a tubi d’acqua con singolo surriscaldamento

Figura 6: Schema concettuale-costruttivo di caldaia a tubi d’acqua con risurriscaldamento

naso

Preriscaldatorearia di

combustione

Qpreriscaldo [kW]Collettore inferiore

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Figura 7: Banco di tubi d’acqua dell’evaporatore di una caldaia industriale e corpo cilindrico con separazione acqua/vapore

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Figura 8: Focolari non convenzionali: generatore di vapore con focolare a griglia mobile (o fissa)

per la combustione di rifiuti

Figura 9: Focolari non convenzionali: forno/combustore rotante per combustibili ad alto contenuto

di umidità

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Figura 10: Focolari non convenzionali: combustore a latteo fluido bollente o ricircolante

Figura 11: Focolari non convenzionali: focolare con camera di post-combustione

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II ORA

4.3. Bilancio termico e scambio termico nelle caldaie Presentazione: Bilancio e scambio termico delle caldaie III ORA

4.4. Cenni a tecnologie innovative: boiler Once-Through e super-critici

Presentazione: BENSON Boilers for Maximum Cost-Effectiveness in Power Plants. IV ORA

4.5. Esercizi applicativi Bilancio Energetico di una caldaia (pag. 359 del testo di riferimento) Testo di riferimento: Boilers, Evaporators, and Condensers, by Sadik Kakac, John Wiley & Sons Inc., New York, 1991.