24. Generatori di vapore

24.tDefinizionee descrizionegenerale

Figura 24.1-a - Generatore arecupero di calore di unaturbina a Eas da lg,F kg/s divapore a 2,6 tuIPa e 475 C inuna centrale di 45 MW(Sulzer).

si definisce generatore divapore oppure, più comunemente, caldaia l,apparecchcche trasferisce calore a un liquido in modo da generare vapore saturo o surriscalca.to oppure liquido avente una temperatura più elevata di quella presentata all'ingrm*so del generatore. ll calore è quello che può essere sviluppato dal combusib,,ebruciato in camera di combustione oppure quello generato d'a energia elettrica o careazioni nucleari oppule infine quello ricuperato (in questo caso si pàrla di generate.ri a ricupero) !a gas caldi provenienti da processi industriali, come, ad eseripio. scarico di motori Diesel e diturbine agas (Figura 24.1-a), processi chimici, forni da vetroll liquido a cui viene trasferito calore è di solito I'acqua, che, oltre a favorevoli cara:-teristiche termodinamiche, presenta un costo molto basso. Ma si possono utilizzareanche altri liquidi come, ad esempio, i fluidi diatermici (olio minerale, provenientecioè dalla raffinazione del petrolio, oppure un fluido organico)2a1. L'acqua, prima oessere immessa.nel circuito del generatore, deve essere opportunamente liberatasia dalle sostanze solide (processo di demineralizzazione), che darebbero luogo adepositi, sia dall'ossigeno o da altri gas che possono corroderne le superfici.Le caldaie per uso industriale coprono un ampio intervallo di dimensioni: dalle piùpiccole (Figure 24.1-b e 24.1-c) atte più grandi (Figura 24.2), ulilizzate negti impianttermoelettrici e alte fino a 80 m, che sono in grado di produrre oltre a tÒoo rgls o;vapore con pressioni e temperature piuttosto elevate (35 Mpa e 600 "C).

Figura 24.'í-b - Caldaia af I u i d o d i ate rnt ico {5eveso,tipa VúT-HAT-ílRA)"

Figura 24.2 - eenîralef'ermoejettffea Elrei di VadaLigure in quattrú seziani,efaseuna deffe quclr écesfifuita da! generatare divapore e da! relativainlpianta in grada disrt i I w ppar e si' lTnfiÍs€ttideli'altematryre J6 polenza di320 MW ccn u.rn eensumo diearbone pari a 23,3 kg/s: iEuattrg generatoti di vaPare,a cireoîaziane fqrzata,\tenqo,ta alirnentati c9nacqua alla taffiperatura di292 "C e sor:s in grada diprodurre, al carico nominaleeantinuo, 284 kgls di vaqore;id vofèifile della camere dicornbustisne e I'altezza dtciascuna calciaia sona Paqirisnettivamente a 4000 m- e60 m: I'altezza delleainniniere {,una per giascunacoppia di caldaie) è Pari a.?$E r:r.

Figura 24.1-c - Caldaia atocolare integrale pergenerazione da 10 a 8A kg/sdi vapore fino alla pressianedi 7 MPa (Babcock & Wilcox).

24 1 | f luidi diatermici sono caratte rizzati da un'elevata temperatura di ebol-

lizione; il loro impiego è quindi possibile, ad alta temperatura (compresa tra170 e 350 'C), in fase liquida e pressione atmosferica. Per l'esercizio dei g,e-

neratori a fluiai diatermici (Figura 24.1-b), la cui potenza generalmente è infe-riore a 5000 kW, non viene richiesto il conduttore patentato in quanto il fluidodi lavoro si trova alla pressione atmosferica. ll fluido diatermico di solito nonviene utilizzato direttamente, ma opera in circuito chiuso, cedendo a sua vol-ta calore, in uno scambiatore, all'acqua in modo da generare vapore; è perciòpiù costoso e di minor rendimento di un comune generatore di vapore.

239

Corpo cilindrico superiore

Corpo cilindrico inferiore

Figura 24.3 - Schemagenerale di una caldaia da 70kg/s di vapore alla pressionedi 10.8 MPa e allatemperatura cli 480 'C(Babcock & Wilcox).

Nella caldaia di un impianto termico sono ln genere presenti i seguenti elementi (Fr-gura 24.3):

- focolare E la zona dove awiene la combustione. Del focolare fanno parte lacamera di combustione, dove è situata I'apparecchiatura di combustione (solita-mente dei bruciatori), e il sistema di alimentazione del combustibile. Nelle cal-daie medio-piccole, al posto dei bruciatori, troviamo, nel caso di alimentazionea carbone, una griglia su cui awiene la combustione del carbone.

- economizzalore L'acqua di alimentazione viene preriscaldata prima dell'immis-sione nella parte delgeneratore destinato allavaporizzazione, ricuperando partedel calore contenuto nei gas di scarico.

- evaporatore All'uscita dall'economizzalore il liquido entra nella parte della cal-daia destinata alla generazione del vapore; questa parte è caratterizzata dalla pre-senza del corpo cilindrico superiore o corpo cilindrico in cui awiene la separazionetra ìl vapore (nella parte alta) e il liquido (nella parte bassa, sempre deí corpo ci-lindrico superiore). Lungo i tubi che escono dalla parte bassa dei corpo cilindricosuperiore, il liquido discende fino al corpo cilindrico inferiore2a2, a cui fanno ca-po i tubi costituenti il fascio tubiero vaporizzalore e i tubi di schermo delle paretidella camera di combustione.

- surriscaldatore Dalla parte più alta del corpo cilindrico superiore esce il vapo-re che, passando nel surriscaldatore lambito dai gas che escono dal focolare, siporta nelle condizioni di temperatura corrispondenti allo stato di surriscaldarnen-to desiderato. La pressione di surriscaldamento è naturalmente più bassa di quellache ha il liquido, all'uscita della pompa di alimentazione, a causa delle pérditedi carico che il fluido subisce nel passare attraverso le diverse tubazioni.

ll corpo cilindrico inferiore è di volume più piccolo in quanto qui è presente solo acqua la cui mas-sa.volumica è maggiore di quella della miscela liquido-vapore. Nei grandi generatori di vapore il corpocilindrico inferiore è spesso praticamente inesistente; il suo volume-viene jostituito dal volume Oei tL]Oiche appartengono al circuito in cui scorre I'acqua che scende dal corpo cilindrico superiore. Si pailaallora di generatori di vapore a.un corpo (cioè il solo corpo cilindrico superiore; per contrapposizioneai piccoli e medi generatori a due corpi.

240

Figura 24.4 - Sottiatore difuliggine ratante conugelli multiqIi.

- preriscaldatore d'aria L'aria mandata da un ventilatore premente, prima di en-

irare in camera di combustione, attraversa uno scambiatore di calore (il preriscal-

datore appunto) in cui assorbe parte del calore ancora contenuto nei gas di scarico

che escono dall'economizzalore, calore che altrimenti veruebbe scaricato nell'am-biente e quindi perso. L'aumento di temperatura dell'aria permette, a parità di

combustibile introdotto, di aumentare il rendimento e di ottenere temperature di

combustione Più elevate.

- camino I fumi che lasciano il preriscaldatore passano attraverso un ventilatoreaspirante e inviati al camino che prowede a scaricare i gas di combustione nel-

l'ambiente.

- ausiliari Sono le pompe di alimentazione dell'acqua, iventilatori necessari per

la circolazione dell'aria e deigas combusti, le apparecchiature per la preparazio-

ne e l'alimentazione del combustibile ai bruciatori oppure alla griglia, nel casodi impiego di carbone non polverizzato,

- strumentazione di regolazione e controllo I segnali degli strumenti di misuradi pressione e di temperatura, sistemati nei diversi punti della caldaia, vengonoelaborati dal calcolatore in modo da intervenire con appositi attuatori su valvoledisicurezza, organi di regolazione delle portate e altri organi che rendono possi-

bile il controllo dell'intero processo e in particolare della temperatura del vaporeprodotto dal generatore. Vengono misurate anche le concentrazioni di monossi-do di carbonio (CO), anidride carbonica (COJ e ossigeno (Or) in modo da poter

tener sotto controllo il processo di combustione'

- apparecchiature di manutenzione Sono molto numerose. Ricordiamo isoffia-tori Oi tutiggine utilizzati nella pulizia della superficie dei fasci tubieri; si tratta di

apparecchiature (Figura 24.4 che, attraverso getti di vapore oppure di aria, rimuo-

vono i depositi in modo da mantenere elevata I'efficienza dello scambio termico.

- apparecchiature antinquinamento Si cerca di ridurre la formazione di inqui-nànti gassosi, come gliossidi di azoto (NO e NOr), intervenendo, in sede di pro-

getto dell'impianto, per evitare il più possibile, la presenza, durante la combustione,di zone carallerizzate da una miscela aria e combustibile leggermente povera,

condizione questa che favorisce la formazione degli ossidi di azoto. Gli inquinantisolidi, costituitidalle polveri presenti neifumi, vengono rimossi con il precipitato-

re elettrostatico (Figura 24.5). Si tratta di un cassone suddiviso in scomparti dove

I IngressoI ana o vaporedi lavaggio

Figura 24.5 - Preciqitatoreelettrostatico,

Ingranaggi .per Ia trasmissione

24.2

Grandezzecaratteristiche

sono disposti un gran numero di fili e piastre metallici ai quali è applicata una tensio-ne altissima: le particelle vengono prima caricate elettricamente daifili e quindi so-no attratte dalle piastre su cui si depositano; le ceneri vengono poi fatte cadere intramogge ed evacuate.Discorso a parte merita I'anidride solforosa (SOJ su cui si interviene sia impiegan-do combustibili a basso tenore di zolto2as sia trattando chimicamente i gaé oiscarico.

- Garico delgeneratore [o/o] È il rapporto percentuale tra ilvapore effettivamen-te prodotto in date condizionie ilvapore prodotto in condizionidiprogetto. ll 1000/odel carico rappresenta perciò la produzione dí vapore al massimo carico conti-nuo corrispondente alle condizioni di progetto. Questo valore può essere supera-to, per brevi periodi di tempo, in funzione del surdimensionamento degli organiausiliari; in questo caso parliamo di carico di punta.

- carico specifico volumetrico della camera di combustione [wm3] È una po-tenza volumica, rapporto tra la potenza della camera di coóbustibne e il suovolume.

- carico specifico superficiale della camera di combustione [wm] È una po-tenza areica (cioè per unità di area), rapporto tra la potenza delia camera di com-bustione e la superficie della camera esposta all'irraggiamento dei prodotti dellacombustione.

- Consumo di combustibile [kg/s] È la portata in massa rho del combustibilebruciato.

- Indice di vaporizzazione [-] È un numero puro che esprime il rapporto tra laproduzìone di vapore rir" [kg/s], in condizioni di progetto, e la portata di combu-stibile bruciato ùo [kg/s].

- Potenza della camera di combustione [W] È il flusso di calore eo ottenuto fa-cendo il prodotto del consumo di combustibile riro per il suo poteréialorifico in-feriore H, [J/kg]:

- Potenza del generatore [W] E la potenza termica Q. ricevuta dal fluido nelgeneratore ed è data dalla produzione di vapore ú" [kg/s] per la differenza(18-17) tra I'entalpia del vapore, che esce dalla caldaia-nrpixg1, e I'entalpia ft,[J/kg] dell'acqua di alimentazione:

24-1

24-2Qs=m"(hr-h.t)

- Pressione di esercizio [Pa] È la pressione, di solito espressa rispetto alla pres-sione atmosferica (pressione relativa), in condizioni di funzionamento normale delgeneratore.

- Produzione di vapore [kg/s] E la massa di vapore rir" prodotta, nell'unità ditempo, in condizioni di progetto.

- Superficie riscaldata del generatore [m2] È la superficie di scambio, misura-ta dal lato fumi, tra i gas combusti e il fluido di processo (l'acqua nelle fasi liquidae vapore). Si fa riferimento all'area della superficie riscaldaia A per valutare lapotenza specifica del generatore (e"lA) e la produzione specífica di vapore(m,lA).

f::h."".t9"",n1o19]'l? 19,1 + 1ol0. Normalmente l'olio combustibile ha un conrenuto di zotfo pari a2

242

+ 2,5o/o (o/o in massa); esiste anche olio combustibile a basso tenore oi zortò ti o,s--dlri;;;itil; J"J".":

24.s

Rendimentoe perdite

ll rendimento ho del generatore di vapore è il rapporto tra la potenza termica rice-vuta dal fluido. nel generatore @r, data dalla24-2, e la potenza della camera di

combustione go che, per la 24-1, viene espressa dal prodotto del consumo di com-bustibile rho per il suo potere calorifico inferiore H'.

Q,ro = t'fr 24'3

Qualora nell'impianto si faccia ricorso a un risurriscaldamento del vapore, alla po-

tenza termica, data dalla24-2, occorre aggiungere il salto entalpico fornito dal risur-

riscaldatore e tenerne conto nel calcolo di Q. che compare al numeratore della24-3. Allo stesso modo, qualora, per il preriscaldamento del combustibile e dell'aria,venga ulilizzata una sorgente esterna al generatore, occorre aggiungere al termineùoÉ,, che figura al denominatore della 24-3, la potenza termica corrispondentealla sorgente esterna.La poteiza termica ricevuta dal fluido nel generatore Q. puÒ essere anche calco-lata come differenza tra la potenza della camera di combustione e la somma dellepotenze termiche relative alle diverse perdite che accompagnano il funzionamentodel generatore:

O. = úoH, - (éin"o'ou"ti * Qu^i * Qu^,i") 24'4

dove Oin"o,o,"ti è ilcalore perso nell'unità ditempo per incombustisolidie gassosi;

Qtu^i è il calore sensibile perso, nell'unità di tempo, con i fumi che la-

sciano la caldaia;

Òu^,i" è un termine, indicato genericamente come perdite varie, che tie-ne conto di perdite termiche per dispersione di calore all'esterno(ad esempio per irraggiamento) e dell'energia richiesta per aziona-re gli ausiliari.

La perdita di calore per incombusti sotidiè dovuta alle sostanze ancora combustibilicontenute nei residui della combustione (fuliggine e, nel caso di combustibili solidi,scorie del focolare e combustibile che cade sotto la griglia). Nel caso in cui il genera-

tore venga alimentato con combustibile gassoso questa perdita è trascurabile. Se

viene utiiizzato un combustibile liquido, come olio combustibile, può essere stimatapari aO,5o/o. Se infine il generatore viene alimentato con un combustibile solido il

calore perso nell'unità di tempo Qincombusti è dato da:

din"o,o,"ti = 34 MJ/kg x RESIDUI [kg/s] x COMBUSTIBILI 24'5

dove si sono moltiplicati per un potere calorifico pari a 34 MJlkg2a'a i RESIDUI del-la combustione (scorie e ceneri) e il contenuto di sostanze ancora COMBUSTIBILI(o/o in massa di carbonio incombusto), presenti nei residui'

la perdita di catore per incombusfl gassosl è funzione della quantità di monossidodi carbonio (CO) presente nei fumi. La concentrazione di CO, indice di non comple-ta reazione del combustibile con I'aria, è funzione dell'eccesso di aria che viene uti-lizzalo nella combustione ed è praticamente assente, se il bruciatore viene fattofunzionare in modo corretto.

La perdita per calore sensibite disperso dai f umi, che vengono scaricati ancora caldinell'ambiente, è, tra tutte, la perdita più consistente. La potenza termica Qru''persa viene calcolata con la 20-26 che, riferita ai fumi, viene così riscritta:

ón^i = rhtrrico,ruri(2, - I")

24 4 Si è considerato un potere calorifico piuttosto elevato (34 MJ/kg) in quanto si fa I'ipotesi che i resi-

dui contengano prevalentemente carbonio incombuslo.

24-6

243

dove úruriTu

è la portata dei fumi;è la temperatura dei fumi che lasciando il generatore non possonopiù.essere utilizzati (di solito è la temperàtura all'uscita del preri-scaldatore dell'aria);

T^ è la temperatura dell'ambiente esterno in cui scarica il camino;cp,rumi è la capacità termica massica a pressione costante dei fumi (me-

dia tra le temperature Tu e T^).

Le perdite varie comprendono le perdite termiche per dispersione di calore all'ester-no (ad esempio per irraggiamento), I'energia richiesta per azionare gli ausiliari e leeventuali perdite per spurghi di acqua che vengono scaricati senzà ricuperarne ilcalore. La potenza corrispondente alle perdite per irraggiamento rappresenta un'ali-quota della potenza del generatore e varia da circa zóÀ per potenze del generatoreinferiori a 1 MW fino a 0,5 o/o per potenze attorno a 20 MW e ó,4o/o per potenze anco-ra maggiori. Le altre perdite possono essere stimate pari a i ,Soto. Oi solito questeperdite, dette perdite non contabilizzabili, una volta tenuto conto dell'en"rgi"tòLìàper azionare gli ausiliari, vengono ottenute per differenza dalle altre perdì-te nàl Oilancio globale.

Un generatore di vapore viene alimentato con carbone pol-verizzato (mo = t kg/s) avente un potere catorifico infe-rjore H, = 33,5 MJ/kg. La portata di aria è m^ = 14 kg/s.La temperatura di uscita dei fumi è T, = lgg .C, meitrela temperatura dell'aria esterna è T^ = 20 "C; la capaci-tà termica massica dei fumi è c0,,,,, : 1,13 kJ/(kg . K). Laquantità di scorie e ceneri, aventi una percentuite di car-bonio incombusto pari al 120/o, è pari al 100/o det carbonebruciato.Determinare:a) la potenza termica fornita dat combustibile eo;bl le diverse perdite @incombusti , er^t € eu^,t.ic) la potenza termica ricevuta dat fluido e" e il rendimen-to del generatore qb.

SOLUZIONE

a) La potenza termica fornita dal combustibile è data dalla 24-.1:

Oo = ùrH, = 1 kg/s x 33,5 MJ/kg = 33,b MW

b) La perdita per incombusti solidi (24-5) si ricava, tenendo pre_sente che i residui rappresentano il 100/o del carbone consumato(0,'l x 1 kg/s)e illoro contenuto dicarbonio incombusto ètl jTo/o(0,12):

éincomrusti = 34 MJ/kS x RESIDUI [kg/s] x C0MBUSTIBILI =

= 34 MJ/kg x 0,1 x 1 kg/s x 0,12 = 0,408 MW

La perdita per calore sensibile disperso dai fumi si calcola conla24-6:

ór,, : ùr,,co.r^,(T, _ Tu)

La portata dei fumi 1,,,, è la somma della portata di aria rir. e dellaportata di combustibile riro:

úr,.i = riru + riro = 14 kg/s + 1 kg/s = 15 kg/s

Qr^,= 15 kg/s x 1,13 kJ/(kg.K) (193 "C - 20 "C) =: 2932,35 kW = 2,932 MW

Le altre perdite vengono stimate nella misura di 0,50/o per l,irrag-Siqpelt^o. (la potenza del generatore è infatti superiore a 20 lrlW;e di 1,50/o per le perdite varie non contabilizabili. In totale le oerdi_te varie assommano a 2o/o della potenza del generatore:

Q,u,i" = 0,02 x 33,5 MW = 0,67 MW

c) La potenza termica e' ricevuta dal fluido nel generatore, è perla 24-4 data da:

9, = troH, - (éin.o'o,,ri I Qn^', * Òu",i") =

= 33,5 MW - (0,408 rI; ;filr#w

+ 0,67 MW) =

e il rendimento del generatore rt, è (24-3):

o" 29.49 MW''o - aianH óJ,c rvrvv

COMMENTI

Le perdite in percentuale sono:

0.408 MW9rncomorsti = $J N,,W

100 = 1,220/o

. 2.932 MWq'u'i = -3S MW 100 = 8,75%

Si vede perciò che la perdita di gran lunga piu importante è quellaper calore sensibile dei fumi che escono dal generatore.

244

24,q

Alimentazionedel combustibilee Gombustione

24.n.r

Tipodi combustibile

I combustibili utilizzati nei generatori di vapore possono essere so/idr (rifiuti, coke,

antracite, carboni bituminosi a diverse percentuali di componenti volatili, carboni sub-

bituminosi, ligniti, coke di petrolio, legno), liquidi(oli combustibili'di vario tipo) e gas-

sosi (in primò luogo gas naturale: gas estratto da giacimenti del sottosuolo e costi-

tuito prevalentemeite da metano). La tendenza attuale, soprattutto nei grandi impianti

termoelettrici, è quella di poter disporre di un sislema di combustione in grado di

trattare in alternativa itre diversitipi di combustibili solido, liquido e gassoso. Men-

tre la sostituzione dell'olio combustibile con il gas naturale comporta problemi mo-

desti, come ad esempio il diverso potere emissivo (26-11), I'uso del carbone richiede

una camera di combustione notevolmente più grande e quindi impone I'adozionedi particolari soluzioni costruttive.

L'alimentazione del combustibile solido, soprattutto per problemi connessi con I'eli-

minazione delle ceneri e con I'inquinamento, viene ormai quasi esclusivamente rea-

lizzala con I'impiego del polverino di carbone; richiede perciò impianti specifici di

stoccaggio, trasporto e polverizzazione il cui costo puÒ essere giustificato soprattut-to negli impianti di grosse dimensioni. L'alimentazione a olio combustibile richiedeI'instàllazione di serbatoi di stoccaggio, di impianti di pompaggio e di sistemi di ri-scaldamento, realizzali elettricamente all'awiamento e successivamente con il va-pore, in modo da ridurre la viscosità dell'olio combustibile fino al valore richiesto per

una buona polverizzazione. ll gas naturale deve venir decompresso, dopo il prelievo

dalla rete di distribuzione, fino a raggiungere il valore pressione con cui vengono

alimentati i bruciatori (alcuni kPa al di sopra della pressione atmosferica)'

Oltre aicombustibilicitati, possono venire utilizzatianche combustibilipoveri(dicon-tenuto energetico), disponibili perché Foltoprodotti di particolari lavorazioni oppureper motivi sia di risparmio energetico sia di carattere ecologico come i rifiuti urbani'in genere questi combustibili sono bruciati su griglia. A causa del basso potere calo-

rifióo dei combustibili poveri e del grande volume dei gas prodotti, è necessario ri-correre a particolari soluzioni costruttive della camera di combustione.

A differenza dei combustibili gassosi, i combustibili solidi e liquidi danno origine a

ceneri e scorie che creano parecchi problemi al funzionamento della caldaia. Le ce-

neri possono dar luogo a depositi compatti che ricoprono le pareti della camera di

combustione e dei vàri elementi della caldaia che vengono a contatto con i gas di

combustione. Questidepositidevono essere rimossi periodicamente in modo da man-

tenere elevato il rendimento del generatore; essi infatti peggiorano notevolmente latrasmissione del calore e fanno aumentare le perdite di carico del gas combusto chepassa tra i vari tubi che costituiscono la superficie di scambio.

La quantità e la compattezza dei depositi è legata a sostanze presenti nel carbone, in primo

luogo a ossidi dei metalli alcalini (ossido di sodio [NarO] e ossido di potassio [KrO]); si è vi-

stolhe il grado di sporcamento delle superfici che scambiano calore per convezione nella

caldaia vidne ridotto quando vengono utilizzati carboni con un contenuto di ossido di sodio

inferiore a 0,3 o/o della massa del óarbone asciutto. Additivi come dolomite (carbonato doppiodi calcio e magnesio [CaCO.' MgCO.]), ossido di calcio (CaO) e ossido di magnesio (MSO)riescono a ridurre la còmpattèzza dei depositi. La dolomite è inoltre efficace nel neutralizzarel'acidità dei gas di combustione e nell'eliminare la condensazione dei prodotti condensabili,che porterebbero al progressivo intasamento delle estremità più fredde dei preriscaldatoridell'aria.Per quanto gli oli combustibili abbiano un contenuto di ceneri piuttosto basso (0,05 + 0,2Oo/o)

inferiore a ouello causato dalla combustione del carbone, tuttavia anch'essi possono dar luo-go a formazione di depositi, specialmente nelle zone a bassa temperatura, e corrosioni pro-

iocate dalle ceneri del combustibile, nelle zone ad alta temperatura. ll principale responsabileè ancora il contenuto di metalli alcalini dell'olio combustibile. La dolomite perciò, aggiuntain quantità uguale al peso delle ceneri prodotte dalla combustione dell'olio combustibile, rie-

sce a renderé più sofiici idepositi in modo che questi possano poi venire rimossi dai soffiatoridi fuliggine; i depositi cadono poi nelle tramogge oppure vengono trasportati dai fumi finoallo scarico, dove sono raccolti dai precipitatori elettrostatici.

245

24.q.2

Caricamentomeccanicodi combustibilesolido

Figura 24.6 - Griglia mobilealimentata per di sopra concenerario frontale (Babcock& Wilcox). Dalla tramoggia ilcarbone passa su un pìanoinclinato che la scivotare ilcarbone fino a un ratore,che, nella quantità voluta(dosatore), Io rovescia sullagriglia. il carbone vienetrascinato dalla griglia,mossa da un motoreelettrico, a una velocitàregolabile, in funzione delcarico termico che si vuoteruggiungere" L' immissionedell'aria, dal di sottoattraverso compartimentistagni e dal di sopra in piùparti, viene regolata in modotale che il carbone alla îinedel suo viaggio sulla gilgliaabbia completato la combu-stione.

I dispositivi per il caricamento meccanico di combustibile solido (ad esempio carbone di datapezzalwa) rappresentano lo sviluppo del sistema di caricamento a mano che costituì il primopasso nella storia dei generatori di vapore. Oltre ai problemi connessi con I'assenza di qual-siasi automatismo, il caricamento manuale, al momento dell'apertura della portella di caiica-mento, dà luogo dapprima a un'improwisa immissione di aria fredda con abbassamento dellatemperatura e successivamente a una violenta distillazione del carbone con notevole libera-zione di sostanze volatili che, non trovando l'aria necessaria per la combustione, produconoprodotti di incompleta combustione (in primo luogo fuliggine).I dispositivi di alimentazione meccanica permettono di ottenere velocità di combustione'ou piùelevate, che con il caricamento manuale, dal momento che è possibile raggiungere un buoncontrollo e un alto rendimento della combustione, con un letto di carbone di spèssore sottilee uniforme.I dispositivi di caricamento meccanico sono progettati per alimentare una griglia situata al-I'interno della camera di combustione e per poter rimuovere le ceneri. In bàsè al metodo diintroduzione del combustiblle nella camera di combustione, essi vengono classificati in duegruppi principali:

- griglie alimentate per di sopra ll carbone viene fatto cadere dall'alto in modo da rico-prire uniformemente la griglia, di solito mobile, su cui awiene la combustion e (Figura 24.6).E-il sistema più diffuso e viene utilizzato in caldaie che coprono produzionibi-vapore tra10 e.50 kg/s, in quanto rispo_ndono rapidamente a una variazione del carico e [ossonobruciare un ampla gamma di combustibili solidi.

- griglie alimentate per di sotto ll carbone viene spinto, mediante un meccanismo a vitesenza fine (coclea) o a stantuffo azionato idrodinamicamente, dal basso fino alla zona dicombustione. Nelle diverse versioni (griglia orizzontale oppure griglia inclinata), questosistema viene utilizzato per il riscaldamento e per piccole unità inAuétriali con pró'Oúzionedi vapore inferiore a 4 kg/s. Esso opera meglio a carichi costanti e presenta I'inconvenien-te di portare le scorie alla superficie della zona di combustione diminuendone la velocità,inconveniente tanto più grave quanto più vengono utilizzati combustibili che danno luogoa scorie aventi un basso Dunto di fusione.

24.q.s

Polverizzatoridi carbone

Le limitazioni di capacità imposte daidispositivi dicaricamento meccanico, ilcui usoè confinato a impianti di piccole dimensioni, sono state superate con lo sviluppo disistemi di combustione del carbone polverizzato e con i focolari a ciclone. Ambeduei sistemi permettono di aumentare notevolmente la superficie di contatto tra combu-stibife e ossidante con i seguenti vantaggii

- possibilità di utilizzare carbone di qualsiasi dimensione;

- risposta migliore alle variazioni di carico;

OA FPer velocità di combustione si intende il rapporto tra la potenza della camera di combustione o.

:,1 .::11!:.lî^r_yt"fj.lg::p9lli d"t carbone- Coni dispositivi d'i caricamento meòóaìicoì p"*ìÉi"i#

246

giungere velocità di combustione fino a 1,3 + 2.4 MW,m2.

Figura 24.7 - Sezione dipolverizzatore a sfere(Babcock & Wilcox).

- aumento del rendimento a causa del minore eccesso di aria richiesto2a6 e delleminori perdite di carbone rispetto ai dispositivi di caricamento meccanico;

- riduzione del numero di persone necessarie per il funzionamento dell'impianto;

- possibilità di bruciare carbone in combinazione con olio combustibile e gas na-turale.

Lapolverizzazione del carbone si ottiene con i polverizzalori. I polverizzatori si di-stinguono tra loro a seconda della velocità (bassa, media oppure alta velocità) e con-sistono in superfici affacciate che, scorrendo I'una sull'altra come le mole di un mulino,macinano il carbone fino alla linezza desiderata. ll polverizzatore a velocità media,illustrato nellaFigura24.T,ha un anello fisso in alto, un anello rotante in basso azio-nato dall'albero del polverizzatore e, tra i due anelli, una serie di sfere che costitui-scono gli elementi che macinano il carbone. La pressione necessaria, per ottenere

Uscita ariae polverino di carbone

(ai bruciatori)

Classificatore

Ingfessocaroone

Tenutad'aria

Anelloconduttofe

il grado dipolverizzazione richiesto'ot, è ottenuta attraverso la regolazione esternadi molle a doppia azione che agiscono sull'anello fisso. ll carbone fresco alimentalazona di polverizzazione, dove viene miscelato con quel carbone, già in parte ma-cinato, che costituisce il veicolo per trasmettere il carico delle sfere al carbone fre-sco da macinare. A ogni passaggio delle sfere, il carbone viene progressivamentemacinato finche diventa di dimensioni così piccole da poter essere trascinato via dauna corrente di aria che lo convoglia al classificatore, apparecchio che permette diseparare il carbone dellalinezza desiderata, che viene inviato all'ulilizzazione, dalcarbone di dimensioni ancora eccessive, che viene rimandato alla zona di maci-nazione.ll classificatore è un ciclone2as a ingressi multipli, con i condotti di ingresso regola-bili in modo da poter far variare la velocità di ingresso in funzione della finezza desi-derata per il carbone polverizzato.

24'6 ll minore eccesso d'aria richiesto è una conseguenza dell'aumento della superficie di contatto tracombustibile e ossidante che ne favorisce I'incontro. Questo minore eccesso d'aria è naturalmente ac-compagnato da temperature di combustione più elevate.

24'7 ll grado di polverizzazione richiesto varia con il tipo di carbone e con le dimensioni e il tipo di foco-lare; è di solito compreso tra 65 e 80 0/o qualora venga utilizzato un setaccio con dimensioni da 200 mesh.Questa dimensione corrisponde a un setaccio avente un'apertura nominale di 0,074 mm.

24'8 ll ciclone è un dispositivo meccanico per separare le polveri trasportate da un gas. La correntedi gas, entrando tangenzialmente in un cilindro verticale che termina in basso con un cono, descriveun percorso a spirale. Le particelle maggiori di 10 p vengono centrifugate, a causa della loro massa sucui si esercita appunto laÍorza centrifuga, contro le pareti del ciclone e sono poi raccolte in un serbatoioposto in fondo.

247

Figura 24.8 - Sistema a siloper carbone polverizzato(Babcock & Wilcox).

Figura 24.9 - Sistema acombustione diretta(Babcock & Wilcox).

24.t.aBruciatori

Nel polverizzatore I'aria entra con una temperatura variabile da 150 a 4oo "C, a se-conda del grado di umidità del carbone, in modo da essiccare il carbone; dal polve-rizzalore esce, con una temperatura compresa tra 55 e go oC, aria mista a polverinodi carbone. Nei sistemi di raccotta a_silo,il carbone e I'aria, provenientidal polveriz-zalore, vengono separati con cicloni2aT; il carbone viene successivamente immagaz-zinato in silo e quindi inviato al bruciatore nel momento in cui viene richieslo (Figura24.8). Questo sistema ha un interesse storico; esso veniva utilizzato quando gti im-

Dosatore Silo delpolverino

di carbonePreriscaldatore

Ventilatore dell'ariaAlla tramoggia

di alimentazionePolverizzatore

pianti di polverizzazione non avevano ancora raggiunto il grado di affidabilità e diflessjbilita che presentano attualmente. Adesso vengono impiegati isisfemi a com-bustione diretta: carbone e aria passano direttamente dal polverìzzatore ai bruciato-ri e la velocità di combustione voluta viene ottenuta regolando la velocità dipolverizzazione (F ig u ra 24.9).

Aria fredda Aria caldadal preriscaldatore

Silo delcarbone Pareti della camera

di combustione

Camera dell'ariadei bruciatori

Valvoladi controllo

Ventilatoredell'aria primaria Pavimento

Valvolaa farfalla

Lo scopo primario di un bruciatore di combustibile, sia questo rappresentato da car-bone polverizzalo o da olio combustibile oppure infine da gas naturale è quello dimiscelare e dirigere il flusso di combustibile e aria in modo da assicurarne la rapidaaccensione e completare la combustione. La quantità di aria necessaria per la com-bustione è maggiore di quella teorica; I'eccesso di aria richiesto dai diversi combu-

Scarico

Valvolaa farfalla

Bruciatori

Linee del polverinodi carbone

248

Figurc 24.10 - Bruciatorccircolare Per oliocombustibile (Babcock &Wilcox).

Figura 24.11 - Bruciatore acella per gas natwale(Babcock & Wilcox).

Collettore del gas

Elemento singolo

Alimentazione del gas

Accensione

Collegamento afticolatoper le serrande di registro

Supporti dícentragglo

con tubi fissati da vitiParete del focolare

raffreddato ad acqua

stibili è stato riportato nella Tabella 22.3. I bruciatori più utilizzati sono i bruciatoricircolari, come quello della Figura 24.10 per olio combustibile, e i bruciatori a cella,come quef fo della Figura 24.11 per gas naturale. Bruciatori di questo tipo vengonoimpiegati anche per il carbone polverizzato (Figura 24.12-a) oppure per la combu-stione di ciascuno dei tre combustibili principali (carbone, olio combustibile e gas)

sia da soli sia in combinazione tra loro (Figura 24.12-b). La massima potenza di com-bustione raggiungibile individualmente con il bruciatore circolare è pari a 50 MW,mentre con i bruciatori a cella si puo arrivare fino a 150 MW.Sia nel bruciatore circolare (Figura 24.10) che nel bruciatore a cella (Figura 24.11),i portelli dell'aria (serrande), disposti tangenzialmente e di apertura regolabile, forni-scono la turbolenza necessaria per miscelare il combustibile con I'aria in modo dadar luogo a fiamme corte e compatte. La miscelazione di aria e combustibile è pro-

mossa dall'elica, che è la parte del bruciatore di cui occorre effettuare con maggiorcura la manutenzione. L'aria necessaria per la combustione, viene distinta in ariaprimaria e aria secondaria. Parliamo di aria primaria per indicare I'eventuale aria

Anello di supportodel distributore

Asta di regolazione

Stabilizzatoredì fiamma

Elica

Serrandedi registro

Distributoredel gas

Gola

249

che è miscelata al combustibile prima dell'ingresso nel bruciatore e lo accompagna,lungo l'apposito condotto dedicato all'aria primaria, fino all'uscita, mentre con ariasecondaria intendiamo I'aria restante che deve essere inviata attorno al getto di com-bustibile, esternamente al condotto dell'aria primaria, in modo da completare la com-

Registro dell'ariaseconoana

Ugello del carbone

Asta di 1regolazione I

Parete del focolareraffreddata ad acoua

Figura 24.12-a - Bruciatorecircolare per carbonepolverizzato (Babcock &Wilcox).

Figura 24.13 - Schema di unbruciatore a oliocombustibile oppure a gasper bassi ass,di dì azoto(Sulzer):1 aria terziaria;2 gas di scarico ricircolato;3 sistema di accensione delbruciatorc;4 vapore che viene iniettatosulla Iinea dell'oliocombustibile quando ilbruciatore è alimentato conalio combustibile;5 olio combustibile;6 gas,'7 aria primaria e aria se-condaria,

250

Accenditore adolio combustibile

Cameradell'aria

Gola di refrattariocon tubi fissati da vìti

Figura 24.12-b - Bruciatore acella per carbonepolverizzato, oliocombustibile e gas naturale(Babcock & Wilcox).

Ariaprimariae, j=potvenno ot carDone

Stabilizzatore

Ugello del carbone

Collettore del gas

Atomizzatore diolio combustibile

Elica per carbone

Accensione

Serrandedell'aria secondartaAsta di azionamentodel registro dell'aria

Collegamento articolatoper le serrande dell'ariaTubo di alimentazionedei gas

Parete del focolareraffreddato ad acqua

Elica percarbone

bustione. Ad esempio, nel caso dei bruciatori di polverino di carbone (Figura 24.12-a),I'aria primaria, che va inizialmente miscelata con il combustibile per convogliare ilpolverino di carbone fino all'uscita del bruciatore e facilitarne l'accensione, è com-presa tra 15 e 250/o; I'aria secondaria costituisce perciò una quantità compresa tra85 e 750/o dell'aria totale fornita al focolare.Particolare attenzione viene rivolta alla riduzione degli inquinanti: la Figura 24.13

mostra lo schema di un bruciatore in cui la riduzione degliossidi di azoto viene rea-

lizzata facendo ricircolare parte dei gas di scarico nell'aria (secondaria e terziaria)che alimenta il bruciatore ; questi sono costituiti da inerti (CO, e HrO), che diluisco-no I'aria producendo un abbassamento della temperatura di cbmbustione e quindi

degli ossidi di azoto (Capitoli 22 e 37).I bruciatorisono installati in puntistrategicidelfocolare e su supporti mobili in modo

da poter variare la loro inclinazione e raggiungere così le migliori condizioni di com-

bustione (Figura 24.14). Vengono anche utilizzati bruciatori d'angolo (Figura 24.15);

la miscelazione dell'aria e del combustibile awiene allora nel focolare con una cen-

trifugazione della fiamma che esalta la turbolenza e favorisce il completamento del-la combustione.

Figun 24.1/t - Pannella ditubì di un angolo di catnercdi eambustione eon inseriti ibrucialori tangenziaiiinclinabili per otiocsmbustibile e earbonepalverizzato (Frcnca Tosi).

Figura 24.15 -

Centrifugazione detla fiammain una camera dicombustione con bruciatoritangenziatri (Franco Tasi)'

24.q.4r

Bruciatoridi oliocombustibile

Per ooter bruciare l'olio combustibile alle alte velocità richieste dai moderni generatori di va-pore è necessario prima preriscaldarlo elettricamente oppure con vapore fino a 80 + 100bC in modo da ridurne la viscosità e poi atomizzare il combustibile in modo da generare unanebbia di goccioline finemente disperse; la superficie di olio combustibile esposta al contattodell'aria diviene così estremamente elevata e ciò assicura una pronta accensione e una rapi-

da combustione.Sono ormai quasi del tutto abbandonati, a causa degli elevati consumi di vapore (oppure del-l'elevata potenza richiesta per generare aria compressa), gli atomizzalori a vapore (o ad aria),in cui veniva prodotta un'emulsione di vapore-combustibile (oppure aria-combustibile) che,all'ingresso del focolare, alomizzava l'olio combustibile a causa della rapida espansione delvaoore.

251

-l

Alimentazione dip1 - olio combustibile--'-k

- -_-tr1- Ritorno dell'olio(\ f combustibileItl It"li<lF

Piastrinadell'atomizzatore

Figura 24.16 - Particolare diatomizzatore meccanico conricircolo dell'oliocombustibile relativamentealta parte afÍacciatanel locolare,

Piastrina Testaintermedia dell,atomizzatore

Piastrinadell'atomizzatore

Testadell'atomizzaîore

Dadodi chiusura

Vengono invece utilizzati gli atomizzatori meccanici con ricircolo del combustibile (Figura 24.16),in cui il salto di pressione, che esiste tra la pressione impartita dalla pompa aÌ cómOubtiOitó(4 + 7 MPa) e la pressione del focolare, permette di disperdere I'olio combi.rstibile in goccioli-ne estremamente minule. ll combustibile, che scorre lungo le fessure (condotti) tangenzialipresenti nella piastrina, arriva alla camera <vorticosaD da cui esce, attraverso un-orifizìo dellapiastrina, nel focolare sotto forma di nebbia di goccioline. Dopo essere passato attraversoi condotti tangenziali, il combustibile in eccesso (quello cioè che eccede ia portata richiestadal generatore) viene rimandato dalla base della camera vorticosa al sistema di alimentazio-ne del combustibile.L'atomizzatore è il cuore del bruciatore (Figura 24.10): l'olio combustibile atomizzato vienemiscelato dall'elica all'aria secondaria che entra lateralmente attraverso le serrande regola-bili. In questo caso I'aria primaria è del tutto assente in quanto l'alimentazione di olio combu-stibile awiene pe( mezzo della pressione della pompa e non occorre aria per convogliarlo.

24.t.t.2Bruciatoridi gas

ll bruciatore a cella per gas naturale, presentato nella Figura 24.11 , ha una potenza di com-bustione pari a 50 MW. Le sue caratteristiche principali sono:

- la maggior parte del gas viene immesso davanti all'elica che viene utilizzala come stabi-lizzalore di accensione agli alti carichi;

- ciascun bruciatore di gas comprende diversi distributori, ciascuno dei quali è un tubo cheporta, all'estremità dei fori multipli, in modo da inviare il gas, per I'accensione, nella goladel bruciatore. A ciascun distributore è associato un contenitore (o stabilizzatore) di fiam-ma del diametro di 100 mm per poter stabilizzare l'accensione ai bassi carichi;

- i condotti del gas sono relativamente grandi in modo da minimizzare le possibilità di occlu-sioni per formazioni di depositi durante il funzionamento;

- | distributori di gas sono posizionati in modo tale da evitare di essere colpiti dal getto diolio combustibile qualora, come nel caso della Figura 24.12-b, siaprevista i'alimentazioneanche di questo combustibile.

24.+.c.s

Bruciatoridi carbonepolverizzato

Nel bruciatore di carbone polverizzato della Figura 24.12-a, al polverino, che arriva trasporta-to dall'aria primaria, viene imposto un moto elicoidale da parte dell'elica che ne favorisce,nel momento dell'uscita dal bruciatore, prima la dispersione e poi I'accensione quando vienea contatto con I'aria secondaria.ll sistema di accensione del carbone polverizzato è analogo a quello utilizzato per l'olio com-bustibile e per il gas, con la sola differenza che, nel caso del carbone, occorre manîenereil sistema di accensione in funzione anche per alcune ore finché la temperatura della zonadi combustione diventi sufficientemente alta da sostenere I'autoaccensione del combustibileprincipale. Di solito scendendo al di sotto di un terzo del massimo carico, le caratteristichedi autoaccensione del polverino di carbone sono tali per cui occorre mantenere in funzioneil sistema di accensione a olio combustibile. Qualora poi venga bruciato carbone con un con-tenuto di sostanze volatili inferiori al 25o/o, può diventare necessario attivare il sistema di ac-censione a olio combustibile anche agli alti carichi.

252

24.t.s

Focolatia ciclone

Carbone

Aria

ll focolare a ciclone (Figura 24.1n è progettato per bruc.iare carbone.che dà luogo a.ceneri

" n".tó punto di fusidnò e per trattenere buona iarte dette cene.ri sotto forma di scorie' che

vengono poi rimosse oai toòot"t" in modo da imfedirne il deposito sulle, superfici di scambio

oéi óèneràtore. Con quesiò ii.iér" di combustiohe il combustibile viene bruciato rapidamente

;;;ói;ilénte neit" pù"ór" ."t"ra del ciclone, mentre la camera di combustione princi-

pale del generatore, tu .ùié àffacciato il ciclone, viene usata soltanto.per scambiare calore

[o" ié"" Oi comOustionJ "f'é

éiòono dal ciclone. La maggior parte. della cenere del carbone

viene trattenuta sotto toirà ciiiorie liquide, che sono poi raccolte.in.un recìpiente posto sot

io-ii toóóÉre principale J"ig;*t"tore. La quantità di ceneri volatili è perciò piuttosto mo-qe--

sta e di dimensioni cosifinida non dar luogo a erosione delle superfici di scambio' anche

con alte velocità del gas.

Aria Aria secondaria+^-^^--i^l^prlmarla tdl lvEl rzrdrs

terziatia

Tubi

Bruciatore ad oliocombustibiled'emergenza

Aria secondaria

Ingresso del carbone

Bruciatori di gas

Apertura perspillare le scorie

tn pezzl

Aria terziaria

Aria primaria

Bruciatore radiale

Bruciatore ad oliocombustibile

Canne sostituibiliresistenti all'usura

Bruciatore ad oliocombustibile

Bruciatore di gas

Golarientrante

Fiaura 24.17 . Il facolare aciólone, che ha la torma diun cilindro orizzontale, ècompletamente raftreddatoad acqua attraverco uncotlegamento con il circuitop rincipale del generatore.Tutti i gas di combustioneescono dal focolare a cícloneattraverco la gola rientrantee passano nel locolarepiìncipate del generatore' I-e'scoriè

tiquide vengono lattescolare attraversoun'apertura nel focolateprincipale adiacente:a) schema;b) visfa in prosqettiva(Babcock & Wilcox)'

Fioura 24.18 - Disqosizíonedibruciatori a gas e a otiocombustibile in un focolare aciclone,

Valvola dell'aria' seconoarla

ll focolare a ciclone può essere uti-lizzato anche Per bruciare gas na-

turale opPure olio combustibile(Figura 24.18): il gas Puo venir bru'ciato attraverso delle aperture poste

all'uscita dei condotti dell'aria se-

condaria; I'olio combustibile può es-

sere introdotto assialmente nelciclone attraverso il bruciatore pri-

mario oppure tangenzialmente attra-verso un elemento posto sulcondotti di aria secondaria.

(b)

ll carbone in pezzatura non estremamente fine (dimensioni di 4 mesh invece dei 200 mesh

necessari pel i bruciatori a carOone) viene introàoto all'estremità del ciclone' Contempora-

neamente circa il zovo Oefr arià larià primaria; entra tangenzialmenîe.e impartisce un forte

moto vorticoso al carbone entranìe. Aiia secondaria, con una velocità.di circa 100 m/s' viene

;;g;à, ;;mpre nella stessa direzione tangenziale, lungo le- pareti del focolare a ciclone

e impartisce un ulteriore movimento vorticosó alle particelle di carbone' Infine una piccola

ó";i;à ài aria (= 5o/o), aria lerziaria' viene introdotta nel centro del bruciatore'

Le particelle di carbone óit pi"*i" biuciano in sospensione mentre le più grandi vengono

óàniiifugut" verso la p"tòt" è.t"tna del focolare a ciclone' A causa del suo rivestimento ap'

;i;;i.*"J scorie tuée,'iù"rt"l"rèt" trattiene una notevole quantità di particelle di Óarbone

fin.f,e non vengono Oruci'àte e lasciano la loro cenere fusa sulle pareti' La cenere fusa viene

fatta scolare fino all'inteino del focolare principale del generatore e poi, attraverso un'apertu-

ià poii" sul fondo del pavimento del focolare, viene falta Passare e raccolta in un recipiente

dell'oliodel gas

Bruciatore ad olio combustibile

253

24.4.a

Caratteristichecostruttivedel focolare

Figura 24.19 - Temperaturadi uscita dei gas dal Íocolarcin lunzione del caricospeciî ico su perf ici al e del I acamera di combustione perdiversi combustibili.

Figura 24.20-a - Paretemembranata (Seveso)"

Figurc 24.20-b - Costruzionedi una parete membranata(Babcock & Wilcox).

ll focolare o camera di combustione è lo spazio messo a disposizione per la combustionedel combustibile. Questo spazio confina con i prodotti della combustione ed è in grado di sop-portare le elevate temperature sviluppate e le pressioni necessarie per smaltire i prodotti del-la combustione.

r ['c]1 600

1 400

1200

1 000

800

6000 100 200 300 400 5oo 600 7ooCarico specifico superficiale IkW/m'z]

La Figura 24.19 moslra la temperatura dei gas all'uscita del focolare nei diversi casi di ali-mentazione del generatore con carbone, olio combustibile oppure gas naturale. In ascissaè stata riportata la potenza della camera di combustione riferita all'estensione della superfi-cie esposta allo scambio termico della camera di combustione, superficie che riceve caloreprevalentemente per irraggiamento.ll focolare dei moderni generatori di vapore ha tutte le pareti raffreddate ad acqua. Questonon solo riduce I'onere della manutenzione delle pareti del focolare, ma anche contribuiscea ridurre la temperatura dei gas che entrano nei fasci tubieri convettivi fino al punto in cuii depositi di ceneri o di scorie e la corrosione del surriscaldatore possono essere controllatidai soffiatori di fuliggine.I tubi della parete del focolare sono situati piuttosto vicini tra loro per ottenere il massimo as-sorbimento di calore. La costruzione a tubi tangenti, utilizzata nelle unità non molto recenti,è stata sostituita dalle pareti membranate, ottenute interponendo tra i tubi un'aletta continuadi acciaio o membrana saldata (Figura 24.20). Questo tipo di costruzione, utilizzata nella qua-si totalità degli attuali generatori di vapore, consiste in sezioni di parete piana composte dapannelli contenenti una fila di tubi tra loro spaziati di una distanza maggiore del diametro ecollegati per mezzo di una membrana saldata nel mezzo del tubo. La parete si presenta per-ciò con una superficie continua di costruzione ruvida e a tenuta di pressione in grado di tra-sferire la massima quantità di calore al tubo. I pannelli individuali sono di ampíezzae lunghezzaadatti per la costruzione e I'assemblaggio in officina (Figura 24.21).

Figura 24.21 - Pannello ditubi saldati per la parteinîeriore della camera dícombustione di un granèlegeneratore di vaporc (FrancaTosi).

Ui DOne I Ivetìz tU z?4.\1

I77,/r Olio c rile

254

24.q.2

Tiraggio

24.q.2.t

Pressionein cameradi combustione

Figura 24.22 - Caldaia contiraEgio bilanciato (Babcock& Wilcox).

Durante la combustione e iltrasferimento di calore che awiene attraverso le super-fici di scambio, è necessario mantenere una differenza di pressione tale da supera-re le resistenze al flusso imposte prima all'aria di alimentazione nei condottì checonvergono nei bruciatori e dopo ai prodotti della combustione nel loro percorso at-traverso i fascitubieri degli scambiatori, i cambiamenti di direzione, la canna fuma-ria e il camino. La resistenza ai flussi dell'aria e del gas dipende dalla disposizionedei diversi elementi del generatore e varia con le velocità del flusso e con le tempe-rature dell'aria e del gas di combustione.ll termine tiraggio indica la differenza tra la pressione atmosferica e la pressionepiù bassa esistente nel focolare o nei passaggi del gas all'interno del generatore.La perdita di carico relativa al tiraggio viene definita come la differenza nella pres-sione statica di un gas tra due punti, ambedue al di sotto della pressione atmosferi-ca, ed è il risultato della resistenza al flusso. L'origine di questi termini è legata all'usodelfe cosiddette unità atiraggio naturale, unità in cui le differenze dipreséione sonoottenute per mezzo di un camino (o ciminiera) che è in grado di creare valori di pres-sione statica inferiore alla pressione atmosferica in corrispondenza alle diverse con-dizioni di funzionamento del generatore. Questi termini ormai mal si applicano aimoderni generatori di vapore dove I'impiego dei ventilatori fa sì che la pressione nelgeneratore possa essere, anche sensibilmente, superiore alla pressione atmosferica.ll camino non ha più perciò la funzione che aveva una volta di aspirare i gas combu-

Al camino +Uscita dei

gas combustl

255

24.t.2.2

Effettocamin0

sti, dato che la circolazione dell'aria e dei gas è affidata ai ventilatori; al camino vie-ne adesso affidato il compito di scaricare il gas prodotto dalla combustione a un'al-lezzalale da poter essere disperso nell'atmosfera senza inquinare il suolo mentreil suo tiraggio naturale viene utilizzato per superare le perdite di carico proprie delcamino.ff termine tiraggio forzato viene utilizzato quando I'aria e i gas di combustione, chefluiscono lungo i vari elementi situati all'interno del generatore, vengono mantenutialdisopra della pressione atmosferica per mezzo di un ventilatore premente dell'a-ria: la pressione assume valori via via decrescenti passando dal ventilatore al cami-no. La camera di combustione risulta così in pressione e ciò, se da una parte richiedela perfetta tenuta del generatore e strutture particolari per resistere alle spinte dovu-te alla pressione, dall'altra parte permette di evitare una diminuzione del rendimen-to conseguente all'ingresso nel generatore di aria non voluta (aria falsa), aria chepotrebbe entrare, qualora parti del generatore fossero in depressione.f ltermine tiraggio aspirato viene utilizzato quando I'aria oppure i prodotti di combu-stione fluiscono lungo il generatore sotto I'influenza di una pressione, che progres-sivamente diminuisce rispetto a quella atmosferica. Quando è il camino che, da solo,fornisce il tiraggio sufficiente per superare delle deboli perdite di tiraggio (o di cari-co), allora siamo nel caso del tiraggio naturale; più spesso il tiraggio, provocato dalcamino, viene integrato con ventilatori aspiranti in modo da raggiungere differenzedi pressione maggiori: il tiraggio aspirato deve essere, in questo caso, consideratoartificiale per la presenza del ventilatore.ll tiraggio bilanciato (Figura 24.22) si verifica infine quando si adottano ventilatoriprementi dell'aria e ventilatori aspiranti dei gas di combustione: in questo caso lacamera di combustione è in leggera depressione ed esiste il problema dell'aria falsagià citato precedentemente.Ventilatori prementi, che trattano aria fresca, forniscono la sorgente di energia, eco-nomicamente più conveniente, per produrre un flusso attraverso unità di elevata po-lenza. Ventilatori aspiranti, che trattano i gas combusti, richiedono maggiore potenzae sono soggetti all'erosione provocata dai composti volatili contenuti nelle ceneri.Le unità vengono perciò sempre più spesso costruite con la camera di combustionein pressione in modo da eliminare la necessità di ricorrere a ventilatori aspiranti.

L'effetto camino è la differenza di pressione Ap"", causata solamente dalla diffe-renza di quota tra due posizioni di un condotto verticale che convoglia i gas caldi.Come il tiraggio naturale, I'effetto camino è il risultato dell'azione della forza di gra-vità. La differenza di pressione 4p"", è cioè il risultato della differenzalra la mas-sa volumica p" dell'aria fredda circostante il condotto allo Z e la massa volumicamedia dei gas caldi go, prodotti dalla combustione, che scorrono all'interno:

24-7

In questa equazione le masse volumiche p dell'aria e dei fumi vanno calcolate conI'equazione di stato dei gas 15-4 per tener conto di condizioni di pressione p e tem-peratura ?" diverse da quelle assegnate go nelle condizioni normali di riferimento(101,32 kPa e 0 oC = 273,15 K):

273,15 KQ=Qo T

p101 ,32 kPa

24-8

Di sofito2a'e si assume per I'aria una massa volumica Qu = 1 ,17 kglm3, mentre lamassa volumica dei gas combusti es viene calcolata con una formula semplificatain funzione della temperatura media f, tKl (è la media aritmetica delle temperatu-re deifumi all'entrata e all'uscita deltratto di condotto considerato), nell'ipotesi chela pressione rimanga costante e uguale a quella atmosferica:

24-9273 K

Ts

256

Qn = 1,33 kg/mg

Abbiamo parlato dell'effetto camino definito con la 24-7. Noto il valore dell'effetto camino,è possibile risalire altiraggio teorico, quello cioè calcolato nell'ipotesi che la velocità del gas,all'interno del condotto, sia nulla (si veda l'Esempio 24.3). ll tiraggio netto del camino è ladifferenza tra il tiraggio teorico e le perdite di carico dovute al gas che scorre nel camino.Nel caso più generale possiamo esprimere il flusso dei gas lungo il camino con I'equazionedel bilancio energetico dei fluidi incomprimibili 5-21 , schematizzando il camino con il condot-to della Figura 24.23-a, dove con g, (prima citata come Qo) e Q" (prima citata come qJ si so-no indicate rispettivamente le massa volumica del fluidci interno ed esterno al condotto:

In questa equazione abbiamo:

l, = 0 in quanto il condotto è fisso e non vi è un organo mobile in grado di racco-gliere il lavoro /,;

% = 0 in quanto la sezione 1 di ingresso è molto grande;

4 = O in quanto è il livello di riferimento da cui vengono conteggiate le quote;

8,3 mm HrO

Figura 24.23-b - Caminorclativo arr Esempio 24.3.

P,É,,Pzuiq* Z *gz1 +li=;* Z +gz"+gY

Figura 24.23-a - Schema dicamino,

24'9 Nelle condizioni normali di riferimento di 101,32 kPa (pressione atmosferica) e 0 'C (273,1! K) lamassa volumica dell'aria umida (reale), con un umiditi relativa del 600/0, vale p"o = 1,282 kg/m" men-tre.quella dell'aria secca (teorica) e pàri a 1,293 kg/m3. Alla pressione aimosteì'Èa e per unitemperq-tura dell'aria ambiente di 300 K, la massa volumica dell'aria umida è, per la24-8, Q" = 1,17 kg/m'.Sempre nelle condizioni di riferimento la massa volumica dei fumi Qso varia in funzione del contenutodi vapor d'acqua e assume i seguenti valori:

- eso = 1,34 kg/m3 per un contenuto di acqua del 30/o;

- Qoo = 1,32 kg/m: per un contenuto di acqua del 50lo;

- A"o = 1,27 kglm' per un contenuto di acqua del 100/0.

ll valóre di 1,33 kg/m3, che figura nella 24-9, rappresenta perciò un valore della massa volumica di fu-mi con un contenuto di acqua del 4o/o.

HrO

257

I'1 -=\P'+

Pz= Po

zz=ZgY

e.gz) in.quanto nella sezione 1 la pressione è data dalla pressione atmosfericap, che esiste all'uscita 2 del condotto più la pressione g"gZ esercitata dal-la colonna fluida di altezza Z:

perdite continue elocalizzate del condotto (Paragrafo 6) al posto del termi-ne /" dell'equazione 5-21 dedicato alle perdite che si verificano all'internodi una macchina.

p" + Q.gz po=-+

Qi Qr

p"Q"-p"

- gt'

Qi Qi Qi

ou2

2-

t"

2

gZ+gY

+gZ+gY

24-10

La differenza di pressione, disponibile alla base del camino Ap.^^, è data dalla differenza trala pressione della colonna esterna di gas freddo e la colonna interna di gas caldo (24-7):

24-11

Una volta note le perdite di carico del condotto g f, dalla 24- 11 si ricava la velocità dei fumiall'uscita del camino. Le perdite di carico sono generalmente inferiori al 5o/o di Ap"", nel casodi unità con tiraggio naturale. Inoltre la parte della perdita dovuta all'energia cinetica di flussonon più ricuperabile (perdita di uscita) è da 3 a 7 volte maggiore della perdita di carico conti-nua. a seconda dell'altezza e del diametro del camino.

Ap"u = (s" - e) n, = n,(+ . n")

L'effetto camino esiste anche entro i vari elementi del generatore ed è molto pro-nunciato in unità alte con passaggi del gas verticali. La singola colonna di gas puòaiutare il carico prodotto dal ventilatore oppure dalla ciminiera se il flusso è ascen-dente, mentre puo ridurlo se il flusso è discendente. L'effetto camino può esserecalcolato con idati dellaTabella 24.1,tenendo presenti gli effetti positivi e quelli ne-gativi.

Tabella 24.1 Effetto caminoiealml

4p"", per ogni metro di altezza verticalealfa pressione atmosferica di 101 ,32 kPa

Temperaturamedia deifumil'Cl 4,5

Temperatura dell' aria esterna ['C]

15,5 26,7 37,8

120260540815

1 0951 370

3,355,728,019,079,81

10,21

2,855,237,528,669,329,72

2,454,747,038,178,839,32

2,044,336.627,768,428,91

Nel generatore con tiraggio bilanciato della Figura 24.22un ventilatore premente, con prevalenza, ft. = 330 mm dicolonna d'acqua, invia al focolare una portata di ariaÀ. = 54 kg/s prelevata dall'ambiente alla temperaturaT^ = 27 "C. Un ventilatore aspira i gas di combustioneaventi portata Àe = 57,3 kg/s e temperatura Ts = 182 "C

con prevalenza ls = 274 mm di colonna d'acqua. Nell'i-potesi di assumere un rendimento del ventilatore qu =0.75. determinare:

a) potenza del ventilatore premente P,,",.n,",'

b) potenza del ventilatore aspirante P".pi,"nt".

258

SOLUZIONE

a) L'aria trattata da un ventilatore può essere considerata un flui-do incomprimibile. La potenza assorbita P, si calcola allora con l'e-quazione 8-21 introdotta per le pompe:

o - i't'eIv

La massa volumica q, dell'aria viene considerata, così comespiegato nel commento alla 24-8, pari a 1 ,17 kgi m3 e la porlala V^

risulta allora data da:

. ú- 54 k/sV^ = : = -__:_:=-:___;__i_ = 46,15 m,/S" Q" 1,17 kg/m"

La pressione Ap,, corrispondente alla prevalenza l, espressa inmm di colonna d'acqua, è per la 4-9:

apu = er"ogl^ =

= 1000 kg/m3 x 9,81 m/s' x 0,33 m = 3237 Pa

La potenza P',...n,. assorbita dal ventilatore premente è allora:

p _ 46,15 m3/s x 3237 Pa = 199 183 \^r :r o,emonle - 0,75

= 199,18 kW

b) La massa volumica del gas go trattato dal ventilatore aspiran-te è oer la 24-9:

=1,33ks/m3 -@#W

e la portata in volume Vnvale:

rào 57,3 kg/s _ 7j A m3rnV^=- =

-

=/1,6fllYs' q Qs 0.80 kg/m3

La pressione Apo, corrispondente alla prevalenza l, espressa in

mm di colonna d-acqua, è per la 4-9:

apn = en,ogln =

: 1000 kg/m3 x 9,81 m/s'z x 0,274 m = 2688 Pa

La potenza Pu.o,,un* d0l ventilatore aspirante è:

Qs

71.6 m'/s x 2688 Pa

0,80 ks/m'

= 256.614 W =Paspirante =0,75

: 256,61 kW

All'uscita dal focolare i fumi percorrono itre passaggi dialtezza AB, BC e CD dove sono situate tre superfici discambio (Figura 24.23-b); di conseguenza la temperaturamedia dei fumi è diversa nei tre tratti del condotto. Nel pun-to D, punto in cui i fumi escono dal camino, la pressioneè quella atmosferica, il tiraggio è cioè nullo. Calcolare:

al I'effetto camino nei tre tratti AB, BC e CD;b) l'effetto camino complessivo tra A e D;

c) la pressione relativa in mm di colonna d'acqua letta damanometri posti in D, C, B e A.

SOLUZIONE

a) La differenza di pressione ap.,,, legata all'effetto camino pre-

sente nei diversi tratti del condotto, si determina con la 24-7:

Ap"u = (e. - eJgZ

La massa volumica dell'aria è q, = 1,17 kg/m3, mentre la massa

volumica dei gas si calcola con la 24-9:

" 273KQs : 1'33 k}ln" a

che, applicata ai diversi tratti, dà:

La differenza di pressione Ap.u, r'ìei vari tratti è allora:

AB:

BC:

CD:

aP"' =+ (1,17 kg/m3 - 0,33 kg/m3) 9,81 m/s'? x 15 m :

= +124Pa

ùpro^ =

- (1,17 kg/m3 - 0,45 kg/m3) 9,81 m/s'? x 30 m ='= - 212 Pa

. lp.u, =

BC: Qn = 1,33 kg/m3

CD: Qs = 1,33 kg/m3

273 K

(273 + 540) K

273 K

(273 + 120) K

= 0,45 kg/m3

= 0,92 kg/m3

Qs

+ (1,17 kg/m3 - 0,92 kg/m3) 9,81 m/s'z x 33,5 m =: +82Pa

ll valore di Ap.,,nel lratto BC è negativo in quanto l'effetto cami-n0 aiuta la corrente di gas che sale verso I'alto, mentre opp0ne re-sistenza alla corrente di gas che scende verso il basso. Perciò per

stabilire l'effetto camino nei singoli tratti del condotto viene asse-gnato il segno positivo alla corrente ascendente e il segno negativoalla corrente di gas discendente.

" 273K= 1.33 kg/m"

(2r3 + 815) K= 0,33 kg/m'

259

Agli stessi risultati si poteva anivare moltiplicando il 4p,., dato dal-laTabella 24.1 per la lunghezza dei vari lratti, dal momento che i

dati della Tabella sono riferiti all'unità di lunghezza del condotto:

AB: Ap"^ == + (8,17 Palm x 15 m) = + 123 Pa

BC: Ap.u, =

= - (7,03 Palm x 30 m) = - 123 Pa

CD: Ap"u =

= + (2,45 Palm x 33,5 m) = + 82 Pa

L'effetto camino complessivo tra A e D è la somma di tutti egli effetti e vale:

^-a f/càn _

= + 124Pa - 212Pa + 82 Pa = - 6 Pa

Questo effetto è negativo e quindi si oppone al flusso del gas. E

per queslo motivo che iventilatori ol'alleza del camino vanno sceltinon solo per provvedere il tiraggio necessario per superare le perdi-te di carico attraverso il generatore, ma anche per tener conto del-I'effetto camino comolessivo del sistema.

c) Se lungo i vari tratti (Figura 24.23-b) vengono posti dei mano-metri con I'estremità aperta all'atmosfera in modo da poter indica-re la pressione relativa, I tiraggil nei vari punti vale come pressionep [Pa] oppure come carico I ln di colonna d'acqual dato, per la4-1 1. da:

p lPal1000 kgim3 x 9,81 m/s'z

D: p:0Pa l=0mmdi colonnad'acqua

C: Tiraggio in D meno l'effetto camino tra C e D

P=0-(+82Pa)=-82PaI : - 8,3 mm di colonna d'acqua

Tiraggio in C meno l'effetto camino tra C e BB:

I : + 13,2 mm di colonna d'acqua

A: Tiraggio in B meno I'effetto camino tra A e B

p=+ 130Pa- (+124Pa) =+6PaÉ = r 0,6 mm di colonna d'acqua

llcarico è stato moltiplicato per 1000 (conversione daimetriaimil-llmetri di colonna d'acqua) per evitare di avere numeri piccoli.

COMMENTIEssendo la direzione delle somme (da D ad A) opposta al flusso delgas, i diversi effetti camino vengono sottratti nel calcolare le diver-se pressioni statiche (o tiraggi). Se al contrario la somma venissefatta nella direzione del flusso del gas, gli effetti camino dovrebberovenire sommati.

.,p(- 'oq

b)Ire

AD:

24.s

Gircolazionedel fluido

L'elemento essenziale della caldaia è costituito dal sistema di generazione del va-pore rappresentato dai fasci tubieri di vaporizzazione; possono infatti mancare sial'economizzatore (organo che eleva la temperatura dell'acqua di alimentazione) siailsurriscaldatore (organo che porta ilvapore alle condizioni disurriscaldamento) madovrà essere sempre presente il sistema di evaporazione dell'acqua di alimentazione.La generazione del vapore e il controllo delle temperature dei tubi metallici in tuttii circuiti dell'unità richiedono un flusso adeguato di acqua e di miscela liquido-vapore.Questa circolazione può essere naturale, accelerata oppure forzata.La'torza disponibile per produrre il flusso nella circolazione naturale è originata dalladifferenza di massa volumica fra I'acqua satura che scende lungo i tubi di cadutae la miscef a di acqua- vapore che risale nei tubi vaporizzatori. La Figura 24.24 mo-stra uno schema semplificato di un sistema di circolazione naturale. Lungo il tubodi caduta, situato a sinistra nella zona relativamente più fredda del generatore, scendel'acqua proveniente dal corpo cilindrico superiore (Figura 24.2q, elemento in cui sonopresenti sia I'acqua che il vapore, e viene immessa nel corpo cilindrico inferiore. Neltubo vaporizzalore (a destra nella figura), che si trova in una regione a temperaturapiù elevata perché lambito direttamente dai fumi, si forma una miscela acqua-vaporeche, essendo dotata di massa volumica minore della massa volumica del fluido con-tenuto nel tubo di caduta, risale dal corpo cilindrico inferiore fino a quello superioredove le due fasi si separano; I'acqua così si raccoglie in basso e ricomincia il percor-so, che abbiamo appena descritto, scendendo lungo il tubo di caduta, mentre il va-pore si libera in alto e da qui procede verso I'utilizzazione. In conclusione, la differenzadi massa volumica tra i due rami del circuito, giustificata dalla diversa situazione

260

Uscita vapore

:--:E:------:::::---:.Y--:/

-:':

Ingresso acquadi alimentazione

Figura 24.24 - Circuitose mpl iîicato d i ci rcolazi o nenaturule della miscela acqua-vapofe comprendente ilseparatore del vapore nelcorpo cilindrico superiore.

FiEura 24.25 - Aperazione diforaturu del corpo cilindricosuperiore di un generatore divaporc tipo vu-60 (Frcncofosi).

1 000

Figura 24.26 - Massavolumica di acqua e traporealla temperatura disaturazione per valori dellapressione carnpresi tra lapressione atmosterica e lapressione critica.

-<l--

(ú

a)

0)Eo )

vap' e salu

E Boo

:.8 oooEl

ì +ooqaCÚ

12 16 20

Pressione IMPa]

28

termica (ramo a sinistra nfreddou e ramo a destra ncaldo,) è la fonte della circola-zione naturale (per gravità) del fluido. Questo effetto di pompaggio è tanto maggiorequanto:

- più ilfluido, presente neitubi dicaduta, è acqua prossima alle condizioni di satu-razione (sono cioè assenti bolle di vapore che ne farebbero diminuire la massavolumica);

- maggiore è il diametro dei tubi in modo tale da rendere minime le perdite di carico.Neigeneratoridivapore, che lavorano a elevate pressionidiesercizio, è tuttavia ne-cessario limitare il diametro deitubi per motivi di resistenza meccanica. Diminuisceinoltre, all'aumentare della pressione di esercizio, la differenza di massa volumicatra acqua e vapor saturo (Figura 24.26). Perciò, a elevate pressioni di esercizio, ilsistema di circolazione naturale (Figura 24.27-a) diventerebbe grande e costoso, do-vrebbe cioè essere dimensionato in modo tale da permettere una circolazione suffi-ciente a evitare la formazione di sacche di vapore che porterebbero alsurriscaldamento locale delle superfici di scambio.Una pompa inserita nei tubi di caduta (Figura 24.27-b), diviene allora il mezzo piùeconomico per assicurare la circolazione del fluido, e quindi il corretto raffreddamento

261

Figura 24.27-a - Schema dicaldaia con circolazionenaturale; è presente un solocorpo cilindrico (quellosuperiore) in quanto ilvolume del corpo cilindricoinferiore è quello del circuitoin cui sono inseùti i tubi dicaduta; sono inoltrerappresentati i bruciatori,I',economizzatore con Iapompa di alimentazionedell'acqua e ilsurriscaldatore.

Figun 24.27-c - Schema dicaldaia con circolazioneforzata,

262

dei tubi, senza dover ricorrere a un surdimensionamento dell'impianto nel caso incui, data la ridotta differenza di massa volumica tra liquido e vapore, la circolazionenaturale non è più sufficiente: l'acqua, che esce dal corpo cilindrico, entra nella pompadi circolazione che fornisce la pressione necessaria per far sì che la miscela acqua-vapore possa scorrere all'interno del circuito dei tubi vapotizzatori per ritornare alcorpo cilindrico dove l'acqua e il vapore vengono separati. Questo tipo di circolazio-ne prende il nome di circolazione accelerata o assistita e ulilizza un corpo cilindri-co (superiore) simile a quello utilizzato nelle caldaie a circolazione naturale. Laquantità totale di acqua pompata varia da 4 a 6 volte la quantità di vapore generato;

Figurc 24.27-b - Schema dicaldaia con circolazioneaccelerata o assisfita.

la prevalenza della pompa corrisponde a un aumento di pressione di circa 0,21 +0,28 MPa, mentre la potenza assorbita è pari a circa lo 0,5 o/o della potenza termicaimmessa nella caldaiaNei generatori a circolazione lorzata (Figura 24.27-c),I'acqua viene mandata dauna pompa, che assolve contemporaneamente alle due funzioni di alimentazionee di circolazione, percorre un circuito aperto,lungo il quale si realizza I'evaporazio-ne, e, alla fine, esce nelle condizioni volute di surriscaldamento; mancano perciò

Acqua

Pompa dialimentazione

I@l I

Economizzatore

EEEvaporatore

Vapore

llSurriscaldatore

Surriscaldatore

Surriscaldatore

24.6

Gontenutod'acquadel generatore

il corpo cilindrico e i tubi di caduta. La presenza della pompa, analogamente ai ge-neratori a circolazione accelerata, permette di utilizzare tubi di diametro più piccólocon la possibilità di realizzare generatori più compatti. A causa dell'eliminazione delcorpo cilindrico e della ridotta superficie di scambio, il tempo necessario per l'awia-mento del generatore è piuttosto breve. Nei generatori a circolazione forzata la por-tata in massa di acqua è la stessa di quella del vapore; al massimo carico, occorreulilizzare velocità del fluido maggiori di quelle necessarie per le unità a circolazionenaturale oppure forzala in modo da mantenere velocità adeguate anche a basso ca-rico e garantire così soddisfacenti valori di temperatura di parete a tutti i carichi. Pro-prio per garantire una velocità dell'acqua adeguata nei tubi vaporizzalori, non èpossibile scendere al di sotto di un terzo o un quarto del massimo carico2ot0. La cir-colazione Íorzata viene impiegata nei generatori di elevata potenza che funzionanoin prossimità della pressione critica (22,5 MPa); per valori di pressione infatti ugualio superiori (generatori ipercritici) alla pressione critica, la transizione da liquiào avapore awiene senza che si verifichi una variazione di massa volumica (Figura 2a.26);fa separazione del vapore dall'acqua è quindi impossibile e occorre utililzare la cir-cofazione îorzala.

Tra i generatori distinguiamo quelli a grande, a medio oppure a piccolo volume d'ac-qua, in base al rapporto tra il contenuto d'acqua e I'area della superficie riscaldatadel generatore. Grandi volumi d'acqua, mentre da una parte rendono più rapida larisposta del generatore alla variazione del carico, presentano dall'altra parte un'e-strema lentezza all'awiamento. La tendenza moderna è quella di costruire genera-tori con piccolo e, al limite, piccolissimo volume d'acqua, facendo affidameÀto, perle variazioni della produzione divapore, sulla pronta risposta dei bruciatori, che, co-me abbiamo visto, hanno realizzalo notevoli progressi sia nella meccanica che nellaregolazione automatizzata.

Generatori a grande volume d'acqua (100 + 200 kg di acqua per m'di superfi-cie riscaldata) Sono le vecchie caldaie Cornovaglia a tubi di fumo, ormai abbando-nate. Queste caldaie sono dette atubi difumo,in quanto ilfumo scorre all'internodei tubi, mentre I'acqua lambisce l'esterno di questi.

Generatori a medio volume d'acqua (50 + 100 kg di acqua per m'di superficieriscaldata) Sono sempre caldaie a tubi di fumo, come la caldaia scozzese impie-gata una volta in marina.

Generatori a_piccolo volume d'acqua (20 + 50 kg di acqua per m, di superficieriscaldata) Sono i generatori a tubi d'acqua; questa volta I'acqua scorre alltinternodei tubi, mentre il fumo si trova all'esterno di questi. Si realizzacosì un migliore scam-bio termico con un aumento del rendimento e un awiamento estremaménte più ra-pido, dell'ordine delle decine di minuti contro le ore necessarie per awiare i generatoria grandi volumi d'acqua.

Generatori a piccolissimo volume d'acqua (inferiore a 20 kg di acqua per m2 disuperficie riscaldata) Sono soprattutto le unità dei grossi impianti termoelettrici.

24"to La turbina, associata al.generatore di vapore, può tuttavia lavorare anche a carichi più bassi uti-

lizzando un sistema che invia il vapore in eccesso a un accumulatore di vapore per il recupero del calo-re. Un'aftra soluzione è rappresentata dalla circotazione combinatai si tratta ài uniià a circolazione forzata,in cui parte dell'acqua, che esce dai circuiti del focolare, viene fatta ricircolare, miscelandola con I'acquadi alimentazione, in modo da fornire adeguate velocità dell'acqua durante l'awiamento e il funzionamentoa basso carico del generatore. L'impiego della circolazione combinata fa aumentare la velocità dell,ac-qua nei tubi del focolare ai bassi carichi senza portare all'aumento della velocità, e quindi della resisten-za al flusso ai carichi elevati, in quanto la ricircolazione non viene più mantenuta ai carichi elevati.

263

24.2

Diversi tipicostruttividi generatori

24.2.t

Generatoria tubi di fumo

Figura 24,28 - Caldaìe a tubidi fumo alimentate a oliocombustibile o gas naturale:a) a due passaggi confocolare ondulata e Íandoasciutto;bl a tre passaggi con îandaasciuttg;cl a due passaggi can fondobagnato;

d) generutore a tre giri difumo (Seveso, tipoTGN-TGN/RA).

Questo tipo di generatore è stato il primo a essere utilizzato, sia nella trazione ferroviaria sianegli impianti navali. Si tratta di generatori a grande oppure medio volume d'acqua che fun-zionano a pressioni di esercizio piuttosto modeste (fino a 2 MPa) e con produzione di vaporefino a 10 kg/s. La trasmissione del calore awiene prevalentemente per convezione.Esempio tipico è stata la caldaia Cornovaglia, costituita da un involucro cilindrico nel cui in-terno è situato il focolare formato da un grosso tubo di acciaio molto spesso e ondulato, siaper aumentare la superficie di scambio sia per contenere le dilatazioni e resistere meglio allapressione dell'acqua che si trova all'esterno. Più recentemente sono stati aggiunti, in fondoal focolare, una serie di tubi percorsi all'interno dai gas combusti (tubi di fumo): tali tubi sonosuddivisi in varie sezioni (passaggi) lungo i quali i gas procedono dal fondo del focolare versoil fronte del generatore e viceversa (Figura 24.28-a con due passaggi e Figura 24.28-b contre passaggi).Un'ulteriore distinzione tra i generatori a tubi di fumo è quella tra fondo asciutto (Figure 24.28-ae 24.28-b) e fondo bagnato (Figura 24.28-c): nel caso di fondo asciutto la prima camera diinversione è situata all'esterno della piastra tubiera posteriore e non è quindi lambita dall'ac-qua; nel caso invece di fondo bagnato la prima camera di inversione è lambita dall'acquae quindi l'estremità del focolare è arretrata rispetto alla piastra tubiera posteriore. La Figura24.28-d mostra un moderno generatore a tubi di fumo.fl generatore a tubi di fumo, fatta eccezione per ulilizzazioni particolari caratterizzate da ri-chieste di vapore estremamente variabili nel tempo, richieste che possono essere soddisfattedall'elevato contenuto di acqua di questo tipo di generatore, è ormai pressoché abbandona-to, dopo aver realizzato il primato infausto di esplosioni quando si è tentato di forzarlo a ope-rare a pressioni di esercizio più elevate di quelle citate precedentemente (2 MPa).

D)

264

24.2.2

Generatoria tubi d'acqua

24.2.s

Generatoria tubi d'acquaa convezione

Figura 24.29-a - Generatoredi vapore integrale perproduzioni di vapore tra '10 e20 kg/s îino alla pressione di6 MPa (Babcock & Wilcox).

La maggiore sicurezza delle caldaie a tubi d'acqua è stata riconosciuta più di centoanni fa; da allora queste caldaie hanno preso progressivamente il posto delle cal-daie a tubi di fumo, fatta eccezione di casi particolari rappresentati da piccole cal-daie e dai generatori a ricupero (Paragrafo 24.1), che operano a pressioni di eserciziomedie oppure basse.Nei generatori di vapore a tubi d'acqua i tubi vaporizzalori, di piccolo diametro, sonopercorsi, all'interno, da acqua e, all'esterno, sono lambiti dai gas caldi originatisi nellacombustione. ll generatore a tubi d'acqua presenta, rispetto a quello a tubi di fumo,i seguenti vantaggi:

- migliore trasmissione di calore tra prodotti della combustione e fluido di lavoro;

- possibilità di raggiungere pressioni di esercizio più elevate in quanto il minor dia-metro dei tubi permette, a pari spessore di parete, una maggiore resistenza mec-canica; perciò con questi generatori è possibile lavorare ad alte pressionisubcritiche e anche a pressioni supercritiche;

- rapporto elevato tra superficie di riscaldamento e superficie occupata in pianta(oppure volume del generatore); questo fatto si traduce in un notevole aumento,a parità di ingombro, della produzione di vapore;

- messa in funzione estremamente rapida a causa del basso contenuto di acqua(Paragrafo 24.5).

In pratica i generatori di vapore a tubi d'acqua non presentano i limiti dei generatoria tubi di fumo nella produzione del vapore. Si possono, ad esempio, costruire cal-daie con superficie di riscaldamento di oltre 40.000 m con produzione di vapore di1200 kg/s alla pression e di 24 MPa e alla temperatura di 550 'C. Possiamo suddivi-dere i generatori a tubi d'acqua in generatori a convezione oppure in generatori airraggiamenfo proprio perché I'appartenenza all'una oppure all'altra famiglia sottin-tende differenze sostanziali nella costruzione e nell'utilizzazione.

Questi generatori (Figura 24.29) sono dotati di un non trascurabile fascio di tubiva-porizzalori in quanto la trasmissione del calore ai tubi vaporizzatori awiene in granparte per convezione (e in minor parte per irraggiamento a cui, come nel caso dellaFigura 24.29-c, viene rivolta un'attenzione particolare). Si tratta di caldaie a piccolae media potenza destinati a impieghi industriali con produzione di vapore spessoper utilizzatori diversi.

Figura 24.29-b - Sezione digeneratore di vapore afocolare integrale perproduzioni di vapore tra 20 e28,5 kg/s fino alla pressionedi 6 MPa (Babcock & Witcox).

265

,G;

Figura 24.29-c - Generataredi vapore a tubi d'acqua contrcsmissione a convezione ei fi agg i am enta l$d:!,/ese, frpoSKN/RA)"

ln passato sono stati costruiti generatori a tubi suborizzontali, costituiti da un fasciodi tubi vaporizzatori diritti leggermente inclinati (10" + 15' rispetto all'orizzontale);è per questo che venivano chiamati suborizzontali. Tali generatori sono ormai ab-bandonati e sostituiti da generatori a tubi verticali solitamente a due corpi cilindricisovrapposti disposti parallelamente alla fiamma per basse produzioni di vapore (Fr-gura 24.29), oppure trasversalmente alla fiamma per produzioni di vapore più eleva-le (Figura 24.1-c).ll corpo cilindrico superiore, contenente acqua e vapore, grava sui tubi vaporizzatorioppure è appoggiato o, ancor meglio, sospeso a un'armatura metallica che circon-da la caldaia. ll corpo cilindrico inferiore, a cui fanno capo il fascio dei tubi vaporiz-zatori e i tubi che schermano le pareti della camera di combustione è appoggiatosu selfe oppure è sospeso aifascitubieri. La circolazione è naturale (Paragrafo 24.5):I'acqua scende lungo i tubi più nfreddi", quelli cioè investiti da un flusso termico piùbasso, mentre la miscela di acqua e vapore (meno densa dell'acqua) risale nei rima-nenti tubi vaporizzatori più "caldi" perché investiti direttamente dai gas combusti;quafora siano installati tubi di caduta esterni, tutti itubi vaporizzatorivengono coin-volti nella risalita della miscela liquido-vapore nel corpo cilindrico superiore. Moltospesso questi generatori sono dotati di surriscaldatore. Possono essere anche pre-senti economizzalori e preriscaldatori dell'aria in modo da raggiungere un rendimentopariaBS + 900/0. Lepressionidieserciziosonopreferibilmentenonelevate(= 10MPa), proprio per garantire rendimenti ancora buoni, con produzione di vapore finoa valori massimi di 100 + 150 kg/s.

Gf i esempi di Figura 24.29 e Figura 24.1-c rappresentano un importante passo nellosviluppo di queste caldaie destinate alla generazione di vapore per usi industriali;si tratta infatti di caldaie a focolare integrale, caldaie cioè in cui la superficie del fo-colare raffreddata ad acqua e la superficie dell'evaporatore sono messe in comuni-cazione in modo tale che tutte e due possano diventare parte integrale dell'unità.

266

24.2.q

Generatoria tubi d'acquaa irraggiamento

Figura 24.30 - Generatorc ai rragg iamento a ci rco lazi onenaturale tipo EI-Paso(Babcock & Wilcox).

All'inizio invece il raffreddamento ad acqua del focolare disponeva di un sistema dicircolazione essenzialmente indipendente dalla circolazione dell'evaporatore.Le caldaie a focolare integrale, per una produzione di vapore fino a 30 kg/s, posso-no essere spedite come insieme completo per ferrovia o per strada oppure per pro-duzioni maggioridivapore in moduliche vengono poiassemblatisulposto. Un altroparticolare interessante, che ritroveremo come norma nelle caldaie a irraggiamen-to, è l'adozione quasi sempre del focolare a pareti membranate descritto nel Para-grafo 24.4.6.

Questi generatori, che trovano il loro impiego in grandi unità, ad alta pressione ead alta temperatura, per produzioni di vapore comprese tra 60 e 1300 kg/s, sonodestinati prevalentemente a impianti termoelettrici. Nei generatori a irraggiamentopoco o quasi nulla del vapore prodotto viene generato per convezione sulle superficidestinate allo scambio termico in quanto tutto il vapore viene virtualmente generatonei tubi che formano le pareti, che racchiudono il focolare, dal calore che viene tra-smesso per irraggiamento a questitubiper mezzo deigas caldidella combustione.Quindi in questi generatori a irraggiamento i tubi vaporizzatori rivestono completa-mente le pareti della camera di combustione costituendone lo schermo, mentre ilfascio tubiero vaporizzalore, quando presente, è di modeste dimensioni. Di solitotutto il generatore è in pressione con valori decrescenti dall'ingresso dell'aria finoal camino e quindi anche la camera di combustione rivestita da pareti membranate;non mancano tuttavia i casi in cui viene adottato il tiraggio bilanciato (Paragrafo24.4.7.l). La circolazione del fluido puo essere naturale, assistita oppure forzata (ocombinata) ed è in base al tipo di circolazione che solitamente vengono classificatii generatori a irraggiamento.ll sistema che costituisce il generatore è sospeso, mediante tiranti, a una strutturaportante in modo da essere libero di dilatarsi in tutte le direzioni; tale struttura vieneprogettata per sopportare il peso del generatore e allo stesso tempo per resisterealle notevoli spinte orizzontali dovute alvento e a possibili scosse provocate daiter-remoti.Nei generatori a irraggiamento con circolazione naturale oppure assistita il corpocilindrico è situato in alto: I'acqua satura esce dal corpo cilindrico alimentando i col-fettori inferiori a cui arrivano itubi vaporizzalori di schermo del focolare; i collettoridi uscita convogliano poi la miscela acqua-vapore che risale nel corpo cilindrico. LaFigura 24.30 moslra un generatore a irraggiamento a circolazione naturale dotato

267

Fìgura 24.31-a - Modellodella caldaia CE (Sulzer); lacaldaia, alta 80 m, èalimentata con polverino dicarbone per una produzionedi 5000 kg/s di vaporc a 25,4MPa e 541 "C più unsu rriscald ame nto i nte rm ed ioa 569 "C per due gruppi diturbine da 600 MW.

di surriscaldatori, risurriscaldatore, economizzatore e preriscaldatore d'aria e in gradodi bruciare olio combustibile e gas naturale sia separatamente sia in combinazionetra loro. Tra il surriscaldatore primario e quello secondario, è situato l'attemperatorea spruzzo, che miscela acqua e vapore surriscaldato in modo da regolare la tempe-ratura finale del vapore24 11.

Nei generatori a irraggiamento a circolazione forzata vengono a mancare (Paragra-fo 24.5) il corpo cilindrico e i tubi di caduta, mentre il circuito dei tubi vaporizzalo(i,propri dell'evaporatore, è estremamente diverso da quello dei generatori esaminatiprecedentemente; rimane tuttavia invariata la disposizione reciproca degli elementiprincipalidel generatore: evaporatore, surriscaldatore, risurriscaldatore, economiz-zalore e preriscaldatore d'aria. Si tratta di generatori realizzali per potenze moltoelevate, anche oltre 1000 MW, e in grado di raggiungere rendimentipari a 0,93 (Fi-gura 24.31).Nel generatore della Figura 24.32 sono evidenziati, oltre agli elementi principali cita-ti precedentemente, i bruciatori costituiti da focolari a ciclone che si contrappongo-no sulle pareti della camera di combustione. Si osserva poi il sistema per ricircolareparte dei fumi, costituito da un ventilatore e da due condotti: il condotto più basso

Figura 24.31-b - Duegeneratoil di vapore arisurriscaldamento apressione ipercritica cancircolazione combinata pergruppi da 660 Mw ciascunacon produzione di vapore di600 kg/s a pressione di 27MPa e temperatura 540 'C(Frcnco Tosi).

24"1'l L'attemperatore è un apparato che viene utilizzato per ridurre e controllare la temperatura di unvapore surriscaldato oppure di un fluido che lo altraversi. Possono essere classificati in due tipi:

- attemperatore a superficie, costituito da un fascio di tubi sommersi nell'acqua dell'evaporatore, at-traverso i quali viene convogliato il vapore surriscaldato, in tutto o soltanto in parte, in modo da cede-re il suo calore e regolare così la temperatura finale del vapore;

- attemperatore a contatto diretto a spruzzo, il più diffuso, in cui acqua estremamente pura vienespruzzata, attraverso un ugello, nella linea del vapore surriscaldato.

268

Figura 24.32 - Generatorc air ragg iamento a ci rco lazì oneforzata con focolare aciclone; il generctore acircolazione forzata vieneanche chiamato a pressioneuniversafe perché in grado difunzionare a tutte letemperuture e pressionisubcritiche o ipercritichecome il tipo mostrato infigura e costruito da Babcock& Wilcox.

Condotti dirngresso pefraffreddare i

gasdel focolare

Risurriscaldatorepensile

Surriscaldatore, primaflo

Risurriscaldatoreorizzontale

Economizzatore

acqua a tubi

Condotti perricircolare .

ifumi

Cameradell'aria

Focolaria ciclone

24,s

Surriscaldatore(e

risurriscaldatore)

delle scorie

immette i fumi nella zona di combustione, mentre quello superiore immette i fumiall'uscita della camera di combustione. ll ricircolo dei fumi2a12 permette di diluire i

gas caldi di combustione con i fumi relativamente freddi che escono dall'economiz-zalore o dal preriscaldatore dell'aria; in questo modo vengono ridotte, con effettotrascurabile sul rendimento del generatore, le temperature o nella parte centrale dellacamera di combustione, dove si affacciano i bruciatori, o all'uscita e parallelamenteviene tenuto sotto controllo I'assorbimento del calore degli elementi principali delgeneratore al variare delle condizioni di esercizio. In particolare il ricircolo dei fumi,all'uscita della camera di combustione, permette di mantenere la temperatura dellesuperfici di scambio per convezione a un livello per cui rimangono libere dai depositiprodotti dalla combustione del carbone.

L'aggiunta di calore al vapore dopo I'evaporazione è accompagnato da un aumentodella temperatura e della entalpia del fluido. ll calore viene aggiunto al vapore neglielementi del generatore chiamati surriscaldatore e risurriscaldatore, costituiti dafasci di tubi esposti all'elevata temperatura dei prodotti della combustione. Nel Ca-pitolo 23 abbiamo visto che I'operazione di surriscaldamento (quando viene trattatovapore ad alta pressione) o di risurriscaldamento (quando viene trattato il vaporea bassa pressione che ha già ceduto parte della sua energia durante I'espansionenello stadio ad alta pressione della turbina) permette di alzare la temperatura massi-ma del ciclo Rankine e quindi di aumentare il lavoro che puÒ essere fatto dalla turbi-na dal momento che il punto finale di espansione è limitato dal liquido presente nelvapore (titolo) che può essere ancora trattato dalla turbina senza portare all'usuraeccessiva delle palette.Originariamente i surriscaldatori (e i risurriscaldatori) erano sostanzialmente del tipoa convezione, in quanto erano sistemati in zone del generatore piuttosto lontane dalfocolare, dove ormai le ternperature dei prodotti della combustione erano al di sottodi quei valori che consentono di trasmettere il calore per irraggiamento. La tempera-tura del vapore che esce dal surriscaldatore a convezione aumenta all'aumentaredel carico del generatore, poiché, diminuendo la percentuale del calore immesso

Quando, analogamente a quanto awiene in un motore a combustione interna alternativo, il ricir-colo awiene miscelando l'aria (ossigeno più azoto) con i fumi (gas inerti composti da azoto, anidridecarbonica e vapor d'acqua, ma ormai privi di ossigeno), allora la riduzione della temperatura massimadi combustione è accompagnata da una riduzione degli ossidi di azoto, inquinanti particolarmente nocivi.

Uscitadei gas

dell'aria

lnnci N H ffrt'aria:í:j'-4.!^++^ !^llr^-i^ruuLLU uEil o"o j Ventilatore oer ìlSeOOn0afla ';ai'aarn Aai {r rm

269

che viene assorbito dal focolare, rimane una maggiore quantità di calore dispc - r *per essere assorbita da parte della superficie del surriscaldatore. Essendo poi 51 sísÍdi calore per convezione pressoché direttamente proporzionale alla produz-cre 3vapore, I'assorbimento totale per kg di vapore del surriscaldatore a conveziorre a,-menta al crescere della produzione di vapore del generatore (Figura 24.33). Qlemeffetto è tanto più pronunciato quanto più il surriscaldatore viene posto lontanc :afocolare, e cioè quanto più bassa è la temperatura dei gas di combustione che:r.-trano nel surriscaldatore. D'altro canto, il calore assorbito da un surriscaldatore s-tuato sulle pareti del focolare in cui praticamente tutto il calore viene trasmessc syirraggiamento, non aumenta in diretta proporzione con il carico del generatore. -8.a una velocità sensibilmente minore, e la curva del surriscaldatore a irraggiarne-nrha un andamento decrescente all'aumentare della produzione di vapore del ge-e'ratore. Si arriva perciò a una combinazione in serie di elementi di scambio per mr-vezione e per irraggiamento in modo da ottenere una curva piuttosto piatta oe .atemperatura finale di uscita del vapore dal surriscaldatore al variare delle condizicrrdi carico del generatore (Figura 24.33).

Figuru 24.33 - Caratteristichedella temperatura del vaporeall'uscita del suftiscaldatoreal variare della produzionedel vapore per surriscaldatoria convezione e airraggiamento; è possibileraggiungere una temperaturafinale del vaporesostanzialmente unilorme, sututto il campo di produzionedel vapore, attraverco ladisposizione in seile dicomponenti delsurriscaldatore airraggiamento e a eon-vezione.

Temperr ura finale de vapore

rldatore in s€

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Yq.Qn,u%.--Q'

.gCd

E-o(ú

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c)

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(ú-60)

F

80 100

Vapore in uscita Io/o]

Essendo il surriscaldatore posto in zone dove la temperatura è relativamente eleva-ta, è preferibile che gli sforzivengano sostenuti dagli stessitubi che prowedono poia trasferirli aitubi vaporizzalori situati nella parete pet mezzo di alette in leghe conalto contenuto di cromo-nichel saldate da una parte ai tubi vaporizzatori e dall'altraai tubi del surriscaldatore; supporti a sella permettono inoltre i moti relativi tra com-ponenti adiacenti del surriscaldatore (Figura 24.34-a). Al crescere delle dimensionidell'unità, lalunghezza dei tubi del surriscaldatore può divenire talmente elevata chequesti non possono più essere sostenuti alle estremità, ma devono essere appog-giati su traversine di tubi aventi un passo inferiore a quello dei tubi vaporizzatori si-tuati nella parete. Meno problemi pongono i surriscaldatori pensili, disposti cioèverticalmente, i cui punti di appoggio sono situati al di fuori della corrente dei gasdi combustione.Itubi del surriscaldatore vengono poi raccolti in collettori, come quelli mostrati nellaFigura 24.3p.La regolazione della temperatura del vapore all'uscita del surriscaldatore viene rea-lizzata con diversi sistemi tra cui ricordiamo, oltre ai più importanti già citati comeil ricircolo dei gas di combustione e gli attemperatori, la quantiti di eccesso d'arianella zona di combustione e I'adozione di bruciatori orientabili.

6040

270

Figura 24.34-a - Sezione diu n su rri scal d atore orizzontal econ tubi supportatiall'estrcmità (Babcock &Wilcox).

Figurc 24.34-b - Sezione diu n su r ti scald atore orizzo ntalecon tubi di supporto disPostitrasversalr.l,ente (Babcock & Wilcax).

24,e

Ricuperatoridi calore

24.e.1

Economizzatore

Tubonelldparete

Supporto estruso

(b)

Figura 24.35 - Coilettori diuscita surriscaldatore erisuffiscaldatore di altatemperatura per gruP?o apressione ipercritica da 660MW (Franco Tosi).

Dopo essere passati attraverso itubivaporizzatori e il preriscaldatore, i gas di com-bustione si trovano a temperatura ancora moderatamente elevata. L'economizzato-re rimuove parte di questo calore, facendo lambire I'esterno dei tubi, di cui ècomposto, dai gas che cedono il calore all'acqua di alimento, che scorre all'internodei tubi, prima della sua immissione nel circuito di generazione del vapore. A ogni20 'C di diminuzione della temperatura dei fumi, corrisponde mediamente un au-mento def rendimento del generatore pari a 1o/o.

Sempre nelle grandi unità e qualche volta anche nelle unità di media e bassa poten-za, l'economizzalore è seguito dal preriscaldatore d'aria; I'economizzatore rappre-senta così il penultimo stadio incontrato dai gas combusti prima di abbandonare il

(a)

271

generatore. Lq !emne13!ura dei gas combusti, all,uscita dell'econom izzatore, è an_cora elevata (300 + gpo 'c), in quanto deve subire successivamente un,urterioreriduzione nel preriscaldatore, menire parallelamente la temperatura dell,acqua di ali-mento aumenta partendo da un livello iniziale anche i.inrioìrr"nte superiore a100 "c (200 + 250'c), ottenuto preriscaldanoo t'acquà mào"nt" scambiatori adalta pressione con vapore spiilato daila turbina. n queitè ;i;;;" remperature der_I'acqua e dei fumi è assenté il pericolo di corrosione esternariià del materiale checostituisce il fascio dei tubi del ricuperatore; viene a cadere int"tti t" possibilità cheil.vapor d'acqua conte.nuto nei gas combusti possa condensare e che la combina-zione dett'acqua con |anidride éorforosa (sorl origin;i;;;6;"rfo, spesso conte_nuto in elevata concentrazione nel comouòtioi"te, pórà ó"r rrógì "o

acido solforico(l.i7ur1 ?4'36)' Le superfici di scambio possono percio essere rcatizzaîe in tubi liscidi acciaio.

120

110

100

O

o

=(ú

f(ú

o)

o-

130

Figura 24,36 - Temperaturalimite per evitare corrosionedella superticie esterna ineconomizzatori ep re riscald atori de Il, ari a net tacombustion e d i co mbusti bi I icontenenti zolfo.

0,001 0,01 0,1 1,0 3,0 5,0Zolto nel combustibile Io/o in massa]

0,0001

Flgura 24.37 .Economlzzatore a tubicontinul con disposizioneparte ln controcorrente eparte in equicoftente,

Quando invece, come nei generatori di bassa potenza, r,economizzatore rappresentaI'unico sistema di ricupero del calore, laùemperatura dei fumi all,uscita dell,econo-mizzatore può scendere anche ar di sotro oi igo ;ò ;, .; ià;fieratura de'acquadi alimento è inferiore a 100.oc, ailora è opportuno uririzzaretubi in ghisa, materiarepiù resistente dell'acciaio alla corrosione; questi tubi sono "À"n"

alettati per per_mettere, a causa dell'elevata superficie di scambio, un r"éóiór" raffreddamento deifumi con ingombri ridotti deilo icamOiaioie.la Figura 24.57 mostra lo schema di un grande econo_mizzalore con disposizione in controcorrente, in corri_spondenza della sezione di ingresso dell,acqua,-é inequicorrente, in corrispondenzideila sezione ài uscita.

13Nel progetto dell,economizzatore va anche considerato il pro_blema derra possibire corrosione interna a cau-s"'oi-"i"u"," concen-trazioni di ossigeno defl'acqua cne scorre àit'inì"ì.io o"i tubi. Tare

5;"Jjiff si risotve con procedimenti Oi oeàreazìoné oelt,acquaai

lconomizzatore

)

Flusso dei fumi

24.s.2

Preriscaldatored'aria

f l preriscaldatore d'aria, situato a valle dell'economizzalore, rimuove parte del calo-re ancora posseduto dai gas di combustione, prima che vengano scaricati, attraver-so il camino, nell'atmosfera. ll calore rimosso dai furni viene trasferito all'aria cheviene utilizzata per la combustione; I'uso di aria preriscaldata fa aumentare la tem-peratura in camera di combustione e porta a:

- accelerare I'accensione;

- promuovere la rapida e completa combustione del combustibile;

- migf iorare il rendimento del generatore realizzando un risparmio di combustibilepiuttosto sensibile (Figura 24.38).

lngressodell'aria fredda

Uscita del gas

Farfalla diDy-passdell'aria

Diaframmi

12

I: .100)

-o.Eq^

E

E6E

x^.9tÍ.

100 150 200

Temperatura ["C]

eqn

Figura 24,39 - Prcriscaldatored'aria tubolare incontrocoftente e con by-passdell'aria per controllare Iatempeatura del metallo dallapafie cli ingresso dell'aria(Babcock & Wilcox).

Uscitadell'aria dal

preriscaldatoreFigura 24.38 - Frazione dicombustibile risparmiatoall'aumentare dellatemperatura dell'ariautilizzata per Ia combustione,

Giunto didilatazione

Ingresso dei gas

Cenerario

Essendo le temperature dei fluidi che circolano nel preriscaldatore ancora più bas-se di quelle caratteristiche dell'economizzalore, devono, a maggior ragione, essererispettati determinati limiti della temperatura della superficie (Figura 24.36) e devo-no essere scelti quei materiali che consentono di evitare i problemi di corrosioneda acido solforico.I preriscaldatori d'aria vengono solitamente classificati in ricuperativi e rigenerativi.In ambedue i tipi la trasmissione di calore dalla corrente dei gas combusti all'ariaawiene per convezione e la superficie di scambio, a differenza dell'economizzato-re, è sempre piuttosto estesa in quanto, essendo ambedue ifluidi dei gas, il coeffi-ciente globale di trasmissione del calore risulta piuttosto basso.Neltipo di preriscaldatore ricuperativo, esemplificato da quello tubulare mostrato inFigura24.39,le paretidi metallo deitubi, nelcuiinterno scorrono ifumi, definisconoil confine attraverso il quale, per conduzione, il calore passa dai gas caldi all'ariafredda. Sempre dello stesso tipo ricuperativo, esistono anche preriscaldatori a pia-stre con disposizioni le più diverse.

273

Cassa

Superficieesterna calda

StrutturaI centrale

ffi aoerta

-ll llllf, superrcie

/iln\ esterna fredoa

THll-

lIHltlTIU]J

Sezionedel rotore

tr

Figura 24.40-a -Preriscaldatore d' ariarigenerativo ruotante ad asseorizzontale (Babcock &Wilcox).

'i,n:,i!"'"f;!!.1"-0,",,"rigenerativo ruotante ad asaeverticale con aria e gas incontrocorrente (Babcock &

Esistono due tipi di preriscaldatori d'aria rigenerativi: rotante (Figura 24.40)derivato da quello ideato da Ljungstróm-, oppure Íisso (Figu-ra 24.41).'ll primo preriscaldatore consiste iÀ un rotore rotante attorno a un asseorizzontale (Figura 24.40-a) oppure verticale (Figura 24.40-b) a una velo-cita molto bassa (0,05 + 0,07 giri/s) e composio da diversi cestelli cheal loro interno contengono paccheilídi lamierini ondulati. r canàii dei la_mierini, trascinati in rotazione dal rotore, si affacciano alternàtivamenteal condotto che convoglia i gas caldi di combustione, provenÈntì d"ll'"-conomizzatore, e al condotto che convoglia I'aria fredda, aspirata dal-l'ambiente esterno mediante il ventilatore]Nel momento in cui'alliinternodei lamierini scorre il gas caldo si accumula del calore che successiva-mente viene ceduto ail'aria fredda, quando, spostandosi ir rotore, i cana-li vengono percorsi dall'aria da preriscaldare.Nel secondo tipo di preriscaldatore rigenerativo a piatti fissi (Frgura 24.41),ilflusso alternato di gas caldi e di arià fredda è controllato ruo"tànào sem_plícemente le bocche di ingresso e di uscita dei due fruidi.

radlale circonferenziale

Ingresso Uscita Ingressooer gas dell'arìa dei gas

Sezione A-A

Figura 24.41 - Preriscaldarcred'aria rigenerativo incontrocorrente con piattifissi (Babcock & Wilcoil.

Ingresso dei gas Uscita dell'aria

Sezione B-B

Uscita Ingresso Uscitader gas dell'aria dej

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