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Giuseppe Langella » 9.Il circuito aria fumi


Circolazione dei fumi

Riferendosi al circuito aria-gas  le caldaie si dividono in due gruppi:

  • caldaie pressurizzate, con i soli ventilatori aria prementi
  • caldaie in depressione o a tiraggio bilanciato, con i ventilatori prementi e gli aspiratori gas.

All’interno delle prime regna una pressione superiore a quella atmosferica, dovuta ai ventilatori aria prementi VA, che mantengono una leggera sovrapressione lungo tutti i condotti dell’aria e dei gas fino alla base della ciminiera.

Nel tipo a tiraggio bilanciato la pressione nella caldaia è inferiore a quella atmosferica: ciò è dovuto al fatto che i ventilatori spingono esclusivamente l’aria nel primo tratto del circuito; successivamente prevale l’azione aspirante dei ventilatori indotti (aspiratori gas AG), che sono sistemati all’uscita della caldaia a valle dei preriscaldatori e che mantengono in leggera depressione la camera di combustione.

Vantaggi della pressurizzazione

A favore del sistema pressurizzato ci sono i seguenti vantaggi:

  • minor costo di installazione dei ventilatori: l’installazione di due ventilatori, anche se di potenza maggiore, costa meno di quella di quattro (due prementi e due aspiranti)
  • minor consumo di energia assorbita dai due ventilatori
  • soppressione delle rientrate d’aria nel circuito dei gas
  • maggiore semplicità del sistema di regolazione dell’aria comburente.

Svantaggi della pressurizzazione

A sfavore della pressurizzazione vanno però considerati i seguenti fattori:

  • maggiori oneri dovuti alla costruzione stagna di tutto il rivestimento di caldaia e dei condotti gas (l’insieme deve essere calcolato per resistere ad una sovrapressione interna di circa 600 mmH2O contro i 180 mmH2O per le caldaie non pressurizzate)
  • aggiunta di una serie di ventilatori per la tenuta del cielo di caldaia, per l’aria di raffreddamento e di pulizia dei rivelatori di fiamma
  • predisposizione, per tutte le varie aperture (oblò, portine d’ispezione, soffiatori, ecc.), di un sistema di iniezione di aria compressa per il raffreddamento e contro la fuoriuscita di gas ad alta temperatura.

Il percorso dei fumi

I fumi, che risalgono la camera di combustione e possiedono una temperatura molto elevata, giungono poi in corrispondenza di quell’insieme di tubi che, partendo dalla parete posteriore, formano una rientranza, detta naso, che scherma dall’irraggiamento i tubi pendenti del surriscaldatore finale e del risurriscaldatore. La brusca diminuzione di sezione della camera di combustione, provocata dal naso, ha anche lo scopo di incrementare la velocità e la turbolenza dei gas, favorendo la combustione di eventuali incombusti e migliorando la trasmissione del calore per convezione.

Dopo il naso i gas entrano nel condotto orizzontale, cedendo calore al surriscaldatore di media e di alta temperatura e al risurriscaldatore; all’uscita del condotto orizzontale deviano nuovamente, scendendo attraverso il condotto verticale posteriore, dove sono posizionati il surriscaldatore di bassa temperatura e l’economizzatore; infine escono dalla caldaia e attraversano i preriscaldatori d’aria, cedendo calore all’aria comburente che percorre gli stessi in senso inverso.

I fumi trasportano in sospensione una certa quantità di particelle solide (incombusti e residui della combustione); quindi, prima di essere inviati alla ciminiera ed essere dispersi nell’atmosfera, subiscono una depurazione ad opera dei depolverizzatori o precipitatori elettrostatici, i quali trattengono gran parte delle polveri presenti, che vengono raccolte in tramogge ed in seguito evacuate.

Il tiraggio

La ciminiera o camino rappresenta il tratto finale del percorso dei prodotti della combustione. La sua funzione è quella di innalzare il pennacchio dei fumi ad una quota tale da assicurarne una buona dispersione nell’atmosfera: deve quindi possedere buone doti di tiraggio ed un’elevata altezza. Il tiraggio naturale è dovuto al camino e la sua entità può essere ricavata applicando il teorema di Bernoulli successivamente fra la sezione di imbocco inferiore del camino e la sezione terminale del camino, seguendo una volta il percorso interno al camino ed una volta il percorso esterno. Detti:

  • h altezza del camino
  • γa peso specifico dell’aria
  • γf peso specifico dei fumi
  • ρ0 pressione atmosferica alla quota di uscita dal camino
  • ρ1 pressione alla base del camino
  • ρ2 pressione atmosferica alla quota della base del camino
  • ζ perdite di carico al camino
  • v2/2g perdita per velocità allo scarico.

Il Tiraggio

Si può scrivere:

Δp=p2-p1= h•(Υa-γf ) – γf • v2/2g – ζ

Il tiraggio naturale si aggira in pratica intorno a 0,5 mm H2O, per ogni metro di altezza del camino;  per ottenere un tiraggio sufficiente per le caldaie moderne occorrerebbero camini alti 1000 metri. Si ricorre perciò ai ventilatori e quindi, a seconda di dove sono installati, al sistema di tiraggio forzato, indotto o misto.

Il tiraggio forzato si realizza installando ventilatori prementi, che mandano l’aria in pressione alla camera di combustione. Il tiraggio indotto (che è poco usato) si realizza installando ventilatori che aspirano i fumi al camino; la camera di combustione è in depressione.

Il tiraggio misto o bilanciato viene ottenuto installando sia ventilatori prementi che ventilatori aspiranti; la camera di combustione è in genere mantenuta in leggera depressione.

Lo scarico in atmosfera

La diffusione nell’atmosfera dei fumi prodotti dalla combustione e la concentrazione dei relativi inquinanti al livello del suolo sono governate dalle leggi sulla diffusione dei gas, la cui applicazione nei casi pratici è complicata dall’influenza di azioni meteorologiche variabili e non facilmente valutabili. Si deve tenere conto, in primo luogo, dell’effetto spinta dovuto alla velocità di sbocco dei fumi dal camino e alla differenza di temperatura tra i fumi e l’aria, fattori che determinano una sopraelevazione del pennacchio rispetto alla sommità del camino. Sulla spinta influiscono inoltre fattori meteorologici e in particolare la velocità del vento alla quota di sbocco.

Esistono diverse formule di calcolo della sopraelevazione suddetta. In particolare nella Valle Padana, per la sua situazione morfologica e ambientale, si riscontrano normalmente sopraelevazioni del pennacchio multiple di alcune volte l’altezza della ciminiera.

Determinata così la conformazione del pennacchio all’uscita della ciminiera, va presa in considerazione la diffusione vera e propria dei gas nell’atmosfera circostante, anch’essa influenzata dalla velocità del vento, dalla turbolenza dovuta alla presenza di moti verticali e dalla densità dell’aria (fattori questi ultimi che dipendono dal gradiente termico verticale). La distanza a cui il lembo inferiore del pennacchio lambisce il suolo è naturalmente funzione della velocità del vento e può raggiungere per piccole velocità, quali si riscontrano in Valle Padana, valori anche superiori a 20 volte l’altezza della ciminiera.

Lo scarico dei fumi in atmosfera

Come già detto, la dispersione del pennacchio è grandemente influenzata dal gradiente termico esistente negli strati bassi dell’atmosfera. Con gradiente negativo verso l’alto (adiabatico 25 e superadiabatico) viene favorito l’innalzamento del pennacchio; per contro l’atmosfera diviene instabile ed il pennacchio è soggetto a sbandamenti in senso verticale. Con gradiente nullo o positivo verso l’alto (fenomeno dell’inversione) l’innalzamento del pennacchio viene contrastato; per contro la presenza di aria più fredda in basso impedisce il ritorno dei fumi verso terra ed il pennacchio assume un andamento filante.

Sovente il gradiente termico subisce un’inversione in quota, passando da positivo a negativo. Alla quota di inversione si crea uno strato stabile che funge da barriera al passaggio dei fumi che, così intrappolati, si addensano e si diffondono verso il suolo. E’ questa l’origine della cappa di fumi che si nota sopra le città e le zone industriali. Se invece il pennacchio riesce a bucare lo strato stabile, i fumi si diffondono verso l’alto, raggiungendo un grado di diluizione molto elevato. Altezza delle zone di inversione e formazione degli strati stabili sono oggetto di continua osservazione e studio. Ai fini pratici è importante fare delle previsioni sulle condizioni di stabilità dell’atmosfera. All’uopo molto utile è la classificazione del grado di turbolenza dell’aria, effettuata in funzione del grado di irraggiamento solare e della velocità del vento (classificazione di Pasquill).

Lo scarico dei fumi in atmosfera

E’ possibile costruire un modello matematico dello spazio interessato alla presenza della centrale termoelettrica, in modo da poter prevedere l’evolversi di una situazione sfavorevole sulla base delle misure che vengono eseguite con continuità in diverse stazioni di rilevamento. Si possono così disporre in tempo utile opportuni provvedimenti per contenere il contributo al suolo di sostanze inquinanti entro limiti consentiti.

Per i grossi impianti l’altezza delle ciminiere è sovente superiore a 200 metri. La grande altezza del camino pone problemi di costruzione, dovendosi tener conto, per la stabilità, anche delle dilatazioni longitudinali e delle differenze di temperatura tra parete interna ed esterna.

Le soluzioni ricorrenti sono camini con canna esterna portante in cemento armato e canne multiple interne (una per ogni generatore di vapore) in acciaio o in mattoni refrattari antiacidi. La ciminiera pluricanna fa sì che la gran massa dei fumi scaricati ne facilita l’innalzamento perché riduce l’effetto frenante e raffreddante dell’aria che li avvolge.

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