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Giuseppe Langella » 20.Caldaie ad olio diatermico


Fluidi termovettori

Tutti gli impianti che operano un riscaldamento indiretto, utilizzano fluidi termovettori, che hanno il compito di trasportare il calore prodotto dal processo di combustione, all’utenza che richiede l’energia termica. Storicamente i fluidi termovettori per eccellenza sono stati l’aria e l’acqua, quest’ultima sia in forma liquida che vapore.

L’evoluzione della tecnologia degli impianti termici ha tuttavia posto in evidenza alcuni limiti di tali fluidi in particolari situazioni impiantistiche, proponendo delle valide alternative:  per questo motivo si sono diffusi altri fluidi termovettori capaci di sostituire con notevoli vantaggi l’acqua ed il vapore in alcuni dei loro  campi di applicazione più tradizionali.

Tra i fluidi termovettori alternativi all’acqua e all’aria possiamo annoverare: l’elio liquido, il freon e gli altri fluidi refrigeranti, i sali di metalli fusi, i metalli liquidi e anche i fluidi diatermici, detti comunemente olii diatermici.

Olio diatermico

Circa la durata in esercizio di un buon olio diatermico, si può affermare che essa  si estenda per diversi anni, a patto che gli impianti che lo utilizzano siano progettati correttamente, tenendo conto delle caratteristiche  fisico-chimiche e termodinamiche del fluido nel dimensionamento delle varie sezioni d’impianto. E’ necessario inoltre che tutti i componenti siano accuratamente realizzati usando materiali adatti che non danneggino o non siano danneggiati dall’olio.

 

Definizione di olio diatermico

Per fluido diatermico s’intende un olio minerale o di sintesi la cui principale caratteristica è quella di avere, alla pressione atmosferica, una elevata temperatura di ebollizione (circa 400-500°C). Risulta subito chiaro il grande interesse che ne deriva: la possibilità di mantenere alte temperature senza dover ricorrere ad alte pressioni. Analizzando le proprietà chimico-fisiche dei fluidi diatermici, emergono inoltre numerosi altri vantaggi così come alcuni inconvenienti che verranno di seguito descritti.

Identifichiamo innanzitutto le prinicipali proprietà chimiche e fisiche.

Le proprietà fisiche

  • Temperatura di ebollizione elevata
  • Coefficiente di dilatazione elevato (circa 7% per 100°C)
  • Basso punto di congelamento
  • Piccola massa specifica (circa 0,9 Kg/dm3 a 0°C, 0, 7 kg/dm3 a 300°C)
  • Limitato calore specifico (da 0,4 a 0,7 Kcal/kg°C)
  • Mediocre coefficiente di adduzione termica (da 5 a 10 volte inferiore a quello dell’acqua)
  • Punto d’infiammabilità intorno ai 200°C.

Le proprietà chimiche

Le proprietà chimiche di seguito riportate sono valide per la maggior parte dei fluidi diatermici, in special modo per gli olii minerali.

  • Stabilità termica: i fluidi diatermici presentano una buona stabilità termica fino ad una temperatura che si attesta tra 320 e 350°C. Oltre tale temperatura si verifica un fenomeno di piroscissione con la conseguente rottura delle catene molecolari: tutto ciò conduce alla formazione di residui carboniosi e di particelle leggere a base di idrogeno
  • Reazione sui materiali: alcuni materiali reagiscono con i fluidi diatermici o fungono da catalizzatori nella loro ossidazione
  • Resistenza all’ossidazione: i fluidi diatermici si ossidano, in presenza di ossigeno, secondo una curva esponenziale in funzione della temperatura. Questo fenomeno, che può essere preso in considerazione solo per temperature superiori ai 50-60°C, si traduce in un invecchiamento del fluido con conseguente inspessimento ed aumento della sua acidità.

Utilizzazione dei fluidi diatermici

È bene precisare innanzitutto che, come l’acqua,  i fluidi diatermici possono essere utilizzati in tre modalità differenti:

  • in fase liquida, alla pressione atmosferica e quindi al di sotto del punto di ebollizione (vedi impianti ad acqua calda)
  • in fase liquida, sotto pressione, sempre al di sotto del punto di ebollizione (vedi impianti a acqua surriscaldata); il fluido diatermico dovrà in tal caso essere accuratamente scelto per evitare una possibile degradazione chimica
  • in fase vapore sotto pressione (vedi impianti a vapore d’acqua). In tal caso la scelta si orienta verso dei fluidi di sintesi, ad esempio a base di difenile o ossido di difenile.

Soltanto il primo caso può giovare al massimo dei vantaggi dei fluidi diatermici e  quindi è il più diffuso negli impianti correnti; per tale motivo in questa lezione sarà esaminato solo questo caso.

Utilizzo dei fluidi diatermici

Alcuni aspetti fondamentali vanno evidenziati, relativi all’utilizzo degli olii diatermici:

  • possibilità di raggiungere alte temperature alla pressione atmosferica; la massima temperatura raggiungibile è correlata all temperatura di inizio della decomposizione chimica. L’elevata temperatura condente inoltre di aumentare il rendimento di alcuni utilizzatori del calore o di ridurre la superficie di scambio
  • necessità di un serbatoio di espansione in grado di compensare la variazione di volume del fluido
  • necessità di progettare e installare utilizzatori del calore concepiti ad hoc  per olio diatermico; un aspetto peculiare è ad esempio il calore specifico che è sensibilmente più basso di quello dell’acqua
  • necessità d’installare una pompa di circolazione per garantire un efficiente scambio termico nei terminali e per tenere sotto controllo, nei generatori, la trasmissione del calore, facendo in modo che  la temperatura del film d’olio a contatto con le pareti calde si mantenga al di sotto della temperatura limite di stabilità chimica.

Vantaggi

Sinteticamente si riportano i vantaggi connessi all’utilizzo dell’olio diatermico:

  • Alte temperature
  • Assenza di pressione
  • Nessuna regolamentazione rigorosa
  • Assenza di corrosioni
  • Assenza d’incrostazioni
  • Nessun trattamento speciale del fluido
  • Nessuna servitù (spurghi, ecc.)
  • Nessun obbligo di personale specializzato
  • Basso punto di congelamento
  • Nessun rischio di rottura delle tubazioni in caso di congelamento
  • Possibilità di avviamento a bassa temperatura

Svantaggi

Sinteticamente si riportano anche gli svantaggi:

  • Prezzo sensibilmente elevato
  • Infiammabile
  • Necessità di una pompa di circolazione

Il tipo di generatore più usato e più adatto all’utilizzo dell’olio diatermico è la caldaia monotubolare (con olio diatermico circolante in serpentine in serie); si utilizzano tuttavia anche caldaie multitubolari (con serpentine in derivazione). Le caldaie a tubi di fumo usate nei normali impianti per riscaldamento di ambienti e per la produzione di vapore di processo, non possono invece essere utilizzate a causa delle basse velocità di circolazione del fluido termovettore al loro interno. Il calore è fornito per mezzo di bruciatori ad olio combustibile o a gas naturale,oppure con resistenze elettriche (per impianti più piccoli).

Criteri di dimensionamento

In alcune circostanze possono verificarsi dei surriscaldamenti locali dovuti a:

  • Troppa bassa velocità di circolazione dell’olio all’interno della caldaia
  • Eccessivo flusso di calore (ovvero carico termico specifico: rapporto frà quantità di calore oraria trasmessa e superficie ricevente)

Tali evenienze sono assolutamente da evitare per non incorrere nella decomposizione termica dell’olio, secondo meccanismi di cracking o piroscissione.

L’effetto dei due fattori menzionati si palesa sul valore  della temperatura del velo d’olio che lambisce la parete dei tubi in cui l’olio scorre all’interno del riscaldatore. Imponendo che tale temperatura non superi di oltre 25 ÷ 30 °C quella media dell’olio uscente dalla caldaia, e comunque si più bassa di 30 ÷ 40 °C rispetto a quella di cracking dell’olio impiegato, si scongiurerà il rischio di decomposizione termica con conseguente formazione di depositi carboniosi (che a loro volta, ricoprendo le superfici dei tubi di uno strato a bassa conducibilità, amplificano i fenomeni di surriscaldamento locale).Da tale limite, si deduce un valore minimo ammissibile della velocità dell’olio, per un dato valore del flusso termico della caldaia prescelta, o viceversa un valore massimo ammissibile del flusso termico per una data velocità di circolazione dell’olio.

Accorgimenti costruttivi

Arresto della circolazione ed mancata fornitura di energia termica.

Quando si arresta la circolazione dell’olio nell’impianto per sospensione del funzionamento (per revisioni, manutenzioni, ecc.) o per avaria della pompa principale, la velocità dell’olio all’interno della caldaia scende rapidamente dal valore di set point a zero.

Come già ricordato, velocità di circolazione molto basse generano il surriscaldamento dell’olio. In particolare, quando l’olio è in fermo, oppure in caso di una elevatissima resistenza alla trasmissione, con caldaia molto calda, dovuta all’assorbimento di energia termica  immagazzinata nei suoi elementi costruttivi, si determina un immediato aumento della temperatura delle pareti dei tubi e, di conseguenza, di quella del velo di olio che le lambisce. Il forte surriscaldamento porta quindi veloemente al cracking dell’olio.

Quando quindi, per un qualsiasi motivo viene interrotto il riscaldamento, la circolazione non deve essere fermata istantaneamente, ma deve continuare per il tempo necessario a far scendere la temperatura dell’olio al di sotto di 200°C, cioè tale da escludere fenomeni di surriscaldamento.

Accorgimenti costruttivi

Uniformità delle velocità di circolazione (per serpentine in parallelo)

È di fondamentale importanza fare in modo che la velocità di circolazione nelle serpentine della caldaia sia il più possibile uniforme, sempre per scongiurare surriscaldamenti. Per quanto possibile, è buona prassi disporre serpentine in serie. Nel caso si debbano per forza di cose adottare serpentine in derivazione (come per le caldaie di grossa potenzialità) occorrerebbe dotare ciascuna diramazione di un regolatore di portata automatico o almeno della strumentazione indispensabile ad effettuare un controllo.

Dispositivi di controllo e sicurezza

La configurazione minima della strumentazione di caldaia richiede almeno i seguenti elementi:

  • Termostato attivo sul bruciatore per mantenere fissa la temperatura di uscita dell’olio e termostato di sicurezza
  • Dispositivo di blocco del bruciatore in caso di arresto della circolazione dell’olio
  • Pressostato differenziale per la verifica della minima circolazione dell’olio diatermico in caldaia
  • Dispositivo di regolazione a “by-pass” che mantenga costante la portata (e quindi la velocità) dell’olio in caldaia quando si abbiano diminuzioni di portata negli utilizzatori in conseguenza di ridotta richiesta di calore
  • Dispositivo di azionamento della pompa di emergenza in caso di arresto della pompa principale e conseguente blocco bruciatore.

Scelta della pompa

La scelta della pompa di circolazione, è funzione, ovviamente delle perdite di carico totali e della portata di fluido.

La pompa può essere centrifuga o volumetrica rotativa. In generale sono preferibili le seconde  tuttavia, per ragioni economiche, di robustezza e semplicità di manutenzione, vengono spesso installate le pompe centrifughe, anche perché, con la nuova tendenza  di impiegare oli diatermici sempre più fluidi, sono praticamente superate le difficoltà di circolazione in fase di avviamento a freddo che si riscontravano con l’uso di tali pompe.

La portata si calcola dalla potenza  termica  che l’olio deve fornire agli utilizzatori, in base alla variazione di temperatura che l’olio subisce lungo il circuito, che in genere varia intorno a 25 – 45 °C, e in base alla velocità di circolazione all’interno del riscaldatore.

La prevalenza si calcola valutando le perdite di carico del circuito (caldaia, utilizzatori, filtri, tubazioni, raccordi, valvole ecc.) in base alle caratteristiche di viscosità dell’olio. Le curve caratteristiche delle pompe  consentono di  individuare il diametro ottimale della girante in funzione della portata e dell’altezza manometrica totale H. Per H si dovrà considerare un valore cautelativo, circa il 10% superiore al valore calcolato  delle perdite di carico totali.

Utilizzatori

I componenti destinati alla distribuzione del calore alle utenze  possono essere costituiti da:

  • Elementi tubolari all’interno dei quali  circola l’olio; serpentine con sviluppo a spirale , ad elica circolare o rettangolare; batterie di tubi ad U, batterie di tubi alettati; fasci tuberi
  • Elementi tubolari all’esterno dei quali circola l’olio: scambiatori di calore a fascio tubero con olio circolante nel mantello; tubi ad U coassiali ( scambiatori di calore a doppio tubo)
  • Serbatoi a camicia.

La superficie di scambio viene calcolata  tenendo conto della potenza termica che deve essere trasmessa all’utilizzatore, del salto di temperatura fra l’olio ed il fluido ricevente – in generale da mantenere entro i 50 ÷ 70 °C – della velocità di circolazione tale da assicurare il moto turbolento dell’olio e del coefficiente di trasmissione termica dell’olio.

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