Vettori energetici: il vapore

Vettori energetici

Caldaie a vapore

Nel XVIII secolo, quando iniziarono le applicazioni del vapore come produttore di energia meccanica, si sviluppò anche la tecnologia delle caldaie. Nei primi generatori di vapore, la caldaia era un recipiente metallico, di solito cilindrico, al disotto del quale veniva fatto bruciare il carbone. Questi modelli, non differenti nel principio dalle moderne pentole a pressione (recipiente chiuso posto su una fiamma esterna, con uscita su cui agisce una contropressione controllata), si passò al tipo, ancor oggi usato anche se solo sporadicamente, Cornovaglia

Caldaia Cornovaglia

Caldaie a vapore

Con l'aumentare dell'uso del vapore, tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX secolo, il semplice focolare della Cornovaglia, che non permetteva grandi superfici di scambio, venne gradualmente sostituito da sistemi a fascio tubiero che, oltre ad aumentare la superficie di scambio, consentivano un migliore controllo del moto convettivo dell'acqua: le caldaie a tubi di fumo, dette anche a medio volume d'acqua

Caldaie a vapore

Caldaie a Vapore

Verso la fine del XIX secolo, nel 1867, gli statunitensi George Babcock e Stephen Wilcox concepirono una caldaia, da loro definita non esplodente in cui all'interno dei tubi, anziché i fumi di combustione, veniva fatta circolare l'acqua da vaporizzare, creando così migliori coefficienti di scambio e, dato che si potevano usare tubi più piccoli e tortuosi, maggiori superfici di scambio, ottenendo così caldaie più piccole a parità di produzione; ulteriori vantaggi erano il ridotto volume d'acqua, che consentiva un avviamento molto più rapido, e le dimensioni minori delle parti a pressione, che venivano così ad avere minori spessori (da qui il nome non esplodente). Infine, la caldaia a tubi d'acqua presenta una superficie assai elevata (rispetto alla tubi di fumo) esposta all'irraggiamento diretto del focolare.

Caldaie a vapore

Consumi stimati per attività industriali

Consumi stimati per attività industriali

Steam trap

Steam trap

Steam trap

Steam trap

Ritorno delle condense

Caldaia

Nella caldaia si distinguono essenzialmente:il focolare o il bruciatore, che costituiscono l'organo di

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

Caldaie

L'ambiente in cui è presente il focolare (o il bruciatore) è detto camera di combustione. Nel caso di focolari a combustibile solido, è prevista una camera, detta cinerario, solitamente sottostante la griglia deil focolare, in cui si accumulano le ceneri di combustione e da cui queste vengono estratte. La camera di combustione è solitamente in leggera depressione nel caso di combustibile solido; in presenza di un bruciatore la camera è a volte a pressione superiore all'atmosferica.

Caldaie

il duomo, specifico delle caldaie a tubi di fumo, che è di fatto una camera di calma nella parte alta della caldaia in cui si ottiene una separazione per gravità del vapore (leggero) dalle goccioline d'acqua (pesanti) che vengono trascinate dal vapore stesso.

Caldaie

il corpo cilindrico, che nelle caldaie a tubi di fumo è l'involucro contenente la caldaia stessa; in quelle a tubi d'acqua ve ne è di norma due o più, uno inferiore avente la funzione di collettore dell'acqua calda non vaporizzata per favorirne il moto convettivo, e uno o più superiori, dei quali in uno avviene l'evaporazione dell'acqua (e la separazione delle gocce trascinate), e gli eventuali altri hanno funzione simile a quello inferiore. Nelle caldaie a tubi di fumo, la funzione del corpo cilindrico superiore è compiuta dal duomo (vedi sopra). Nelle caldaie di tipo marino a tubi d'acqua è comune porre due corpi cilindrici inferiori e uno superiore, a causa del limitato ingombro in altezza che rende più difficoltoso il moto convettivo.

Caldaie

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

Caldaie

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

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

Caldaie

il surriscaldatore (vedi fig. 5). Per comprenderne la funzione, si deve considerare che la caldaia come finora descritta produce vapore d'acqua alla temperatura di ebollizione,

cioè saturo; se la caldaia è ben fatta il vapore è saturo secco, ha cioè assorbito tutto il calore latente di

vaporizzazione possibile. Ma il vapore saturo è adatto solo alla fornitura di calore per condensazione; se inviato

in turbina, sarà allo scarico saturo umido e quindi permetterà salti di pressione relativamente bassi.

Caldaie

Si fornisce allora ulteriore calore al vapore saturo, in modo di aumentarne la temperatura a pressione costante. Nelle grandi caldaie condizioni normali di fornitura del vapore sono dell'ordine di 250 bar (25 MPa) a 600 °C (873 K). Per raggiungere queste temperature non è possibile sfruttare la sola conduzione attraverso i fumi, e i tubi del surriscaldatore lavorano normalmente per irraggiamento, sono disposti cioè a vista della fiamma e comunque nel punto più caldo possibile;

Caldaie

gli economizzatori. Allo scopo di ridurre il consumo di combustibile, si cerca di recuperare anche il calore residuo a bassa temperatura, attraverso apparecchi detti appunto economizzatori. Questi consentono in pratica il preriscaldamento dell'acqua di alimento e dell'aria comburente, in modo da ridurre il calore sensibile da fornire a questi, a scapito del calore usato per la vaporizzazione.

Caldaie domestiche

Sono generalmente realizzate con uno scambiatore in acciaio e consentono la necessaria compattezza dimensionale; gli scambiatori utilizzati in questi tipi di caldaia sono in acciaio austenitico atto a resistere alle temperature di fiamma ed alla inevitabile corrosione legata al processo di combustione. Questo tipo di generatore di calore è in molti casi dotato di bollitore di ridotte dimensioni per la produzione di acqua calda sanitaria ed alta capacità di scambio o, in molti casi, dotato di scambiatore sanitario a scambio rapido a forma di bollitore a serpentina di piccole dimensioni detto boilerino o scambiatore a piastre (produzione acqua calda di tipo istantaneo). Le caldaie murali si suddividono in base alla tipologia in tre tipi:

Caldaie domestiche

Tipo A: a camera aperta senza canna fumaria: non è più a norma e poteva essere collocata solo in spazi aperti;

Tipo B: a camera aperta con canna fumaria a tiraggio naturale: deve essere collocata in locali areati (con assoluta esclusione di bagni, camere di letto e di locali dove siano presenti camini privi di autonoma presa d'aria) o preferibilmente all'aperto al fine di prevenire la formazione nei locali di ossido di carbonio per carenza di ossigeno;

Caldaie domestiche

Tipo C: a camera chiusa con canna fumaria a tiraggio forzato: poiché stagna l'aria di combustione viene prelevata dall'esterno attraverso una tubazione e la caldaia può quindi essere collocata in qualsiasi locale (con l'unica esclusione delle autorimesse), purché ventilato (al solo fine di prevenire concentrazioni di gas a seguito di perdite dalle giunzioni);

Caldaie domestiche

Anche per effetto della normativa vigente (Legge 10/91 e DPR 412) tendente anche a garantire la necessaria sicurezza relativamente allo scarico dei prodotti di combustione, il mercato italiano si è andato evolvendo sull'installazione di caldaie a camera stagna a tiraggio forzato. In questo tipo di caldaia la combustione avviene in una camera chiusa (stagna) rispetto all'ambiente circostante, ciò comporta la necessità di prelevare aria comburente direttamente dall'esterno tramite apposite condotte, con conseguente necessità di dotare la caldaia stessa di un elettroventilatore con funzione di prelievo dell'aria esterna e per forzare (tiraggio forzato) l'espulsione dei prodotti di combustione verso il camino che li disperde.

Caldaie domestiche

Se da un lato quest'ultimo tipo di caldaia garantisce la sicurezza (ai fini dell'eventuale travaso di gas di combustione all'interno degli ambienti), dall'altro fa insorgere altre problematiche legate allo scarico dei prodotti della combustione ed alle relative condotte di fumisteria che risultando essere in pressione e che devono necessariamente garantire (anche nel tempo) le necessarie doti di tenuta. Le caldaie murali possono essere del tipo per installazione interna o adatte all'installazione esterna in appositi armadi di contenimento.

Caldaie domestiche

Un'evoluzione tecnica di questo tipo di caldaia si è avuto con l'introduzione sul mercato delle caldaie a condensazione. Questo tipo di generatore di calore ha la prerogativa di recuperare il calore di condensazione ed è caratterizzato da rendimenti termici eccezionali, con un'emissione di ossido di carbonio e di altri residui pericolosi assai contenuto. Queste caldaie sono quasi sempre del tipo a tiraggio forzato con combustione realizzata premiscelando l'aria al combustibile e rappresentano il futuro nella realizzazione di generatori di calore. Riescono ad ottenere notevoli risparmi di combustibile anche con i termosifoni tradizionali, ma ottimizzano il loro rendimento soprattutto se abbinate a soluzioni ad irraggiamento come i pannelli radianti.