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Giuseppe Langella » 12.L'economizzatore


Generalità

L’economizzatore è la sezione del GV che ha il compito di riscaldare l’acqua di alimento fino alla condizione di liquido saturo, alla quale l’acqua esce per entrare successivamente nell’evaporatore.

L’economizzatore è sempre presente nei GV di grossa taglia e pressione, ma può essere assente in caso di bassa pressione del vapore prodotto. In tal caso, in assenza anche del preriscaldatore d’aria, l’evaporatore costiruirebbe l’ultima sezione di scambio termico attraversata dai fumi prima di essere rilasciati in atmosfera; ciò è lecito in quanto la temperatuta di evaporazione può essere tanto bassa (a 12-15 bar è nel campo 190-200 °C ) da giustificare una temperatura fumi in uscita di 230-240 °C e rendimenti tra 88,5 e 89,5 %.

Tale soluzione è adottata frequentemente nei generatori di vapore a tubi di fumo, dove la pressione difficilmente supera i 15 bar, e in diversi GV a tubi d’acqua di piccola potenza e pressione. In ogni caso è sempre conveniente l’installazione di un preriscaldatore d’aria.

Spesso l’installazione dell’economizzatore è sconveniente quando si ha a che fare con combustibili ad alto tenore di zolfo, come l’olio combustibile: i possibili danni corrosivi derivanti dagli SOx dei fumi portano all’adozione di tubi in ghisa alettati, che sono particolarmente costosi.

Problematiche di corrosione

Nei GV di grossa taglia, a tubi d’acqua, l’economizzatore è il penultimo elemento di scambio termico che i fumi attraversano e precede il preriscaldatore d’aria. In questi casi i gas di combustione che investono l’ECO sono ancora abbastanza caldi e l’ECO stesso è attraversato da acqua a temperatura abbastanza elevata in quantom preriscaldata nei rigeneratori alimentati da spillamenti di vapore dalla turbina a vapore (si ricordi la tecnica della rigenerazione mediante spillamenti, adottata per incrementare il rendimento dei cicli a vapore).

In genere i fumi escono dall’economizzatore a una temperatura tra 350 e 400 °C e l’acqua di alimento entra nell’ECO a una temperatura tra 200 e 250 °C. In tali condizioni termiche il metallo non è attaccato dalle condense dei gas acidi in quanto tali gas rimangono ancora allo stato aeriforme e quindi non c’è bisogno di utilizzare la ghisa, ma si possono adoperare anche tubi lisci in acciaio.

Ovviamente, nel caso di combustibili privi o quasi di zolfo, il problema delle condese acide non si pone e l’economizzatore può essrer realizzato in tubi d’acciaio anche se lavora a basse temperature.

Tubi alettati

Le alette dei tubi accrescono notevolmente la superficie di scambio e, nonostante la trasmittanza sia inferiore rispetto al caso di tubi lisci a pari velocità dei gas, la potenza termica trasmessa a parità di ingombro risulta molto maggiore.

Il passo tra due alette è un parametro importante e va ottimizzato per far fronte a esigenze diverse: alette troppo distanti non incrementerebbero sufficientemente la superficie di scambio globale; alette troppo fitte, oltre ad aumentare la perdita di carico lato fumi per riduzione della sezione disponibile al loro passaggio, presenterebbero un problema di facile intasamento e quindi drastica riduzione del coefficiente di scambio termico e della efficienza.

In ogni caso è necessario prevedere degli interventi di pulizia periodica per rimuovere gli accumuli di fuliggine che intasano le alette. Tale operazione viene effettuata con soffiatori di fuliggine, ad aria o a vapore.

Tubi dell’economizzatore

I tubi alettati in ghisa possono essere tutti di ghisa oppure di acciaio inghisato. I tubi in ghisa possono avere varie forme nell’ingombro esterno dell’aletta: quadrati, rettangolari, circolari. I tubi inghisati sono invece di acciaio all’interno e di ghisa all’esterno, e presentano quindi un doppio strato metallico. E’ ovviamente fondamentale che i due strati siano perfettamente aderenti, per evitare la presenza di scacche d’aria che si comporterebbero da isolante al passaggio del calore.

Per questo motivo sono praticate tre possibili tecniche costruttive:

  1. la ghisa viene fusa direttamente sul tubo di acciaio
  2. il tubo di ghisa è costruito a parte con diametro interno inferiore al diametro estarno del tubo d’acciaio; successivamente il tubo di ghisa viene riscaldato in modo da dilatarsi e quindi si infila al suo interno il tubo di acciaio. Raffreddandosi il tubo di ghisa si stringe su quello in acciaio, senza lasciare spazi vuoti
  3. il diametro interno del tubo di ghisa è leggermente superiore al diametro esterno del tubo d’acciaio; quest’ultimo si  infila nel primo, dopodichè, con un mandrino scorrevole nel tubo di acciaio, lo si allarga fino ad aderire perfettamente al tubo di ghisa.

Tubi dell’economizzatore

La ghisa non ha una elevata resistenza a trazione, pertanto, la soluzione del tubo inghisato si rende necessaria quando la pressione è elevata e c’è bisogno dell’acciaio per resistervi. Tale necessità vi è anche nel caso in cui nell’economizzatore si realizza anche una parziale evaporazione con condeguente aumento di volume che la ghisa non reggerebbe.

Circa le alette è bene sottolineare che non solo il passo, ma anche l’altezza e lo spessore delle alette sono parametri di ottimizzare al meglio.

L’aumento di spessore ha un effetto migliorativo sullo scambio termico in quanto fa diminuire la sezione di passaggio a disposizione dei fumi e quindi fa aumentare la loro velocità, a vantaggio del coefficiente di scambio convettivo esterno tubo. Inoltre aumenta la conduzione termica nell’aletta stessa con conseguente minore differenza di temperatura tra base e apice dell’aletta. Un aumento eccessivo dello spessore tuttavia incremente il peso e quindi il costo dei tubi, oltre che amplificare il problema dell’intasamento.

Circa la lunghezza delle alette, un valore eccessivo può portare a facili rotture e non incrementa l’efficienza di scambio in quanto l’aletta lunga offre resistenza al passaggio del calore per conduzione dall’apice verso la base.Esistono in definitiva dei valori ottimi: l’altezza varia in genere tra 25 e 40 mm, il passo tra 15 e 25 mm e lo spessore tra 5 e 6 mm.

Manutenzione

Aspetti manutentivi

Gli economizzatori di vapore a tubi alettati sono oggetto di fenomeni di sporcamento dovuto ad accumuli di particelle solide in sospensione trascinate dai prodotti della combustione. Al crescere delle ore di funzionamento, tale accumulo aumenta sempre più fino spesso a riempire gli interstizi tra le alette, con il chiaro effetto di ridurre la superficie globale di scambio e di aggiungere uno strato di materiale che si comporta da isolante: di conseguenza lo scambio termico peggiora, il liquido può arrivare all’evaporatore al di sotto della temperatura di ebollizione e i gas possono lasciare l’economizzatore a temperatura più alta con ovvie ricadute negative sul rendimento.
Sui GV dotati di economizzatori, quali i GV a Tubi d’acqua, bisogna prevedere periodici interventi di pulizia, effettuata in genere con getti di vapore o di acqua in pressione.

Come già accennato, in presenza di zolfo nel combustibile, come nel caso di carbone, di olio combustibile o di biogas, la formazione di SO2 e SO3 può portare alla condensazione di acido solforico sui tubi e quindi a fenomeni corrosivi. Periodicamente tali tubi vanno quindi controllati con metodi non distruttivi al fine di registrarne le riduzioni di spessore. I metodi generalmente utilizzati sono quelli ad ultrasuoni. Con l’utilizzo di liquidi penetranti è invece possibile rilevare eventuali cricche ed intervenire con riparazioni localizzate prima che si verifichino rotture.

Coefficienti di scambio

I coefficienti di scambio all’esterno dei tubi sono particolarmente bassi a causa delle basse velocità dei fumi che, raffreddandosi, vedono ridursi il loro volume specifico. All’interno, per la elevata densità e velocità dell’acqua, i coefficienti sono nettamente migliori. Riassumendo:

  • Ordine di grandezza del Coefficiente di scambio convettivo interno tubo: 103 W/m2K
  • Ordine di grandezza del Coefficiente di scambio convettivo esterno tubo: 10W/m2K.

Il coefficiente di scambio all’interno dei tubi può essere valutato più in dettaglio con la formula di Dittus e Boelter che fornisce il numero di Nusselt in funzione del numero di Reynolds e del numero di Prandtl:

Nu= 0,023•Re0,8•Pr0,4

Dal numero di Nusselt si ricava il coefficiente di scambio convettivo in funzione del diametro interno e del coefficiente di conducibilità k del liquido:   hc= Nu•k/D.

Coefficienti di scambio

Per quanto concerne il coefficiente di scambio convettivo all’esterno dei tubi, esso dipende dai seguenti parametri:

  • disposizione dei tubi allineati o sfalsati
  • diametro esterno tubi
  • passo trasversale del banco
  • passo longitudinale del banco
  • velocità del fluido prima di investire il banco
  • proprietà termodimaniche del fluido.

Anche in tal caso il passo longitudinale e trasversale del banco è frutto di una ottimizzazione tra l’esidgenza di migliorare lo scambio termico e quella di non eccedere con le perdite di carico.

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