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Giuseppe Langella » 1.Generalità e classificazione dei generatori di vapore


Generalità

Cos’è un generatore di vapore

Il modo più semplice per definire un generatore di vapore (d’ora in poi GV) è quello di identificarlo con un’apparecchiatura atta a trasformare l’acqua in vapore. Naturalmente parlare di vapore è assolutamente generico, dovendo distinguere tra vapore saturo, vapore saturo secco e vapore surriscaldato. Nella maggior parte dei casi il GV trasforma l’acqua in vapore saturo secco o in vapore surriscaldato, fornendo ad essa calore a pressione costante. Il vapore prodotto può essere utilizzato come fluido termovettore in numerosi processi impiantistici, o utilizzato per produrre lavoro in un ciclo termodinamico.

Generalità

Cos’è un generatore di vapore

Sono possibili diverse classificazioni dei GV a seconda degli aspetti che si intende rimarcare; si riportano di seguito le più comuni:

  • in base al combustibile impiegato
  • in base alla trasmissione del calore
  • in base alla circolazione
  • in base al contenuto d’acqua
  • secondo la pressione in camera di combustione.

A monte di tutte queste possibili classificazioni è bene però presentare le due possibili tipologie fondamentali di GV: quelli a tubi d’acqua e quelli a tubi di fumo. Tale dicotomia trae origine dal fatto che quasi sempre in un GV sono presenti dei banchi tubieri per consentire lo scambio termico tra i fluidi. A seconda che l’acqua o il vapore circoli all’interno dei tubi, o all’esterno, si ricade rispettivamente nella prima o nella seconda tipologia. Questa distinzione, per adesso molto grossolana, verrà approfondita nel corso delle lezioni, esaminando prima la tipologia a tubi d’acqua, impiantisticamente più complessa, e poi quella a tubi di fumo, caratterizzata da minori pressioni di esercizio e destinata alla produzione di vapore di processo.

Classificazioni

Classificazione in base al combustibile impiegato

In base al combustibile impiegato per la produzione di calore da trasferire all’acqua, i GV possono distinguersi in generatori ad olio combustibile, a gas naturale, a carbone, a biomassa, a rifiuti. I GV ad olio combustibile sono ormai scarsamente diffusi: nei decenni passati essi erano utilizzati negli impianti motori termici per la produzione di energia elettrica, funzionanti secondo cicli a vapore del tipo Hirn. Tali impianti richiedono la installazione di serbatoi di stoccaggio dell’olio, provvisti a loro volta di sistemi di riscaldamento, di solito a vapore, per mantenere il combustibile ad una temperatura e quindi una viscosità idonea al pompaggio e all’atomizzazione. La viscosità di tali oli varia tra i 25 e i 50 °E (gradi Engler) a 50 °C. I GV a gas sono largamente diffusi nella tipologia a tubi di fumo, mentre trovano attualmente scarso impiego come GV a tubi d’acqua: i grandi impianti per la produzione di energia elettrica infatti, quando alimentati a metano, sono quasi sempre del tipo a ciclo combinato e pertanto briciano il gas nella sezione del ciclo con turbina a gas e producono vapore con GV a recupero (di cui si parlerà in seguito). Negli impianti destinati alla produzione di vapore di processo a bassa pressione (inferiore ai 20 bar), tipicamente del tipo a tubi di fumo, il gas naturale costituisce il combustibile maggiormente utilizzato. Il gas naturale non è l’unico combustibile gassoso utilizzato per i GV. Alcuni di essi utilizzano gas di raffineria, gas di cokeria o gas d’altoforno, ove disponibili.

Classificazioni

Classificazione in base al combustibile impiegato

I GV a carbone sono quasi tutti del tipo a tubi d’acqua e vengono utilizzati nei grossi impianti per la produzione di energia elettrica funzionanti secondo il ciclo a vapore. Non sono largamente diffusi in Italia, dove si possono trovare a Brindisi e a Cagliari. In generale il carbone può essere bruciato con il sistema a griglia, o con bruciatori, se ridotto in polverino. I GV a biomassa sono quasi tutti alimentati con biomasse solide con sistemi a griglia. Il loro utilizzo trae spesso convenienza dalle politiche di incentivazione all’utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili, di cui le biomasse fanno parte. I GV a rifiuti, si stanno diffondendo negli ultimi anni grazie alla installazione di numerosi impianti di termovalorizzazione dei rifiuti. Questi ultimi possono essere bruciati nella modalità «tal quale» o in quella «CDR», con tecnologie a griglia, a letto fluido o a tamburo rotante.

Classificazioni

Classificazione in base alla trasmissione del calore

In base a tale classificazione i GV possono distinguersi in generatori a convezione, a irraggiamento e a riscaldamento indiretto. I meccanismi di scambio termico radiativo e convettivo coesistono nei generatori di vapore , tuttavia l’uno può prevalere sull’altro o viceversa. Pertanto per GV a irraggiamento si intendono quei generatori nei quali la parte preponderante di scambio termico è svolta dal meccanismo radiativo. Quest’ultimo è prevalente nelle situazioni in cui il fluido caldo è a temperatura molto elevata, come tipicamente accade nella zona ove si realizza il processo di combustione. Più precisamente si intende per GV a irraggiamento quelli nei quali il processo di evaporazione avviene maggiormente a spese del calore irraggiato: rientrano in questa categoria i grossi GV a tubi d’acqua ove i tubi evaporatori sono in vista di fiamma.

Classificazioni

Classificazione in base alla trasmissione del calore

Di contro, per GV a convezione si intende quelli nei quali l’evaporazione avviene prevalentemente grazie al meccanismo di scambio convettivo: sono classificabili come tali i GV a tubi di fumo, e quelli a tubi d’acqua di piccola e media potenza. Anche i GV a recupero, utilizzati negli impianti combinati rientrano in quest’ultima categoria: in essi infatti, sia nella tipologia «unfired», vale a dire senza posto combustione, sia nella tipologia «fired», con post-combustione, le temperature del fluido caldo sono sempre tali da privilegiare lo scambio termico convettivo rispetto a quello radiativo. Per GV a riscaldamento indiretto, si intendono quelli a fluido diatermico. Di tali GV si parlerà più avanti; per ora basti sapere che in essi il calore prodotto dalla combustione viene trasferito ad un fluido intermedio, di solito olio diatermico, che a sua volta cede calore all’acqua, trasformandola in vapore. Quest’ultimo passaggio avviene a temperature tali da fare prevalere i meccanismi convettivi di scambio termico; in quest’ottica anche questa tipologia di GV potrebbe definirsi a convezione, ma si utilizza di solito la terminologia «a riscaldamento indiretto» per sottolineare la presenza del fluido intermedio.

Classificazioni

Classificazione in base alla circolazione

In riferimento al tipo di circolazione dell’acqua i GV possono classificarsi come a circolazione naturale, a circolazione accelerata e a circolazione forzata. Nel primo tipo, la circolazione dell’acqua e del vapore avviene naturalmente grazie ai gradienti di densità che si realizzano nell’impianto. Tale situazione è tipica delle caldaie a tubi di fumo e della caldaie a tubi d’acqua a pressioni non troppo elevate. Per queste ultime, come avremo modo di approfondire, l’evaporatore comprende un circuito chiuso che fa capo al corpo cilindrico disposto nella parte superiore: dal corpo cilindrico di diramano tubi discendenti attraversati da liquido saturo, che poi risalgono come tubi evaporanti , attraversati da una miscela di vapore saturo che ritorna nel corpo cilindrico. A pressioni non molto elevate, la differenza di densità tra liquido e vapore è notevole, per cui il fluido nei tubi evaporanti, pur essendo a basso titolo (bassa concentrazione di fase vapore) , risulta considerevolmente più leggero di quello presente nei tubi discendenti, generando il moto di circolazione naturale.

Classificazioni

Classificazione in base alla circolazione

Nei GV a circolazione accelerata, l’architettura dell’evaporatore è la stessa, con circuito chiuso , corpo cilindrico e tubi discendenti ed ascendenti, ma la pressione elevata dell’acqua o del vapore determina una minore differenza di densità tra fase liquida e fase vapore , non sufficiente a innescare e alimentare naturalmente la circolazione. In tal caso si interviene con delle pompe che «accelerano» il fluido conferendo un ulteriore contributo alla differenza di pressione tra le colonne di discesa e di risalita dovuta alla differenza di densità. Al di sopra della pressione critica, che per l’acqua corrisponde a circa 220 bar, non vi è più differenza di densità tra fase liquida e fase vapore. I GV ipercritici, che lavorano al di sopra, appunto, della pressione critica, non presentano il circuito chiuso che fa capo al corpo cilindrico ma costituiscono un semplice sistema aperto detto anche sistema «monotubolare», non perché costituiti da un unico tubo, ma bensì da un unico circuito in cui la pompa di alimento funge anche da pompa di circolazione: in tal caso si parla di GV a circolazione forzata.

Classificazioni

Classificazione in base al contenuto d’acqua

In base al rapporto tra contenuto d’acqua e superficie riscaldata, i generatori si possono distinguere in generatori a grande, media, piccola e piccolissima massa d’acqua. Alla prima categoria appartenevano le caldaie Cornovaglia, che contenevano da 100 a 200 kg d’acqua per m2 di superficie riscaldata. Questa grande massa d’acqua rendeva necessario un notevole tempo di avviamento, ma rappresentava di contro un volano termico che rendeva la caldaia poco sensibile alle irregolarità dei fuochi e permetteva di supplire a immediate richieste di vapore, fungendo anche da accumulatore di calore. I generatori a media massa d’acqua contengono da 50 a 100 kg d’acqua per m2 di superficie riscaldata. Permettono un avviamento relativamente rapido e sono sensibili in misura relativa alla irregolarità dei fuochi. In una certa misura fungono da accumulatori di calore. A questa categoria appartengono le caldaie a tubi di fumo.

Classificazioni

Classificazione in base al contenuto d’acqua

I GV a piccola massa d’acqua contengono da 20 a 50 kg d’acqua per m2 di superficie riscaldata. Sono più elastici, ma naturalmente risentono di più della irregolarità dei fuochi. Alle variazioni di vapore richiesto devono rispondere con una certa rapidità le variazioni di combustibile bruciato, dato lo scarso volano termico. Essi pertanto richiedono una regolazione più accurata e una maggiore sorveglianza in esercizio. A questa categoria appartengono i generatori di vapore a tubi d’acqua a convezione, di piccola potenza. I GV a piccolissima massa d’acqua hanno caratteristiche analoghe a quelle dei generatori precedenti, con un avviamento rapidissimo e particolari esigenze per la regolazione e il trattamento dell’acqua. A questa categoria appartengono le unità maggiori a convezione e i grandi generatori a irraggiamento. Circa la possibilità di disporre di una riserva di calore, per sopperire a improvvise richieste di calore, con generatori a media massa d’acqua, non bisogna sopravvalutarla. La funzione di accumulatore di vapore era realmente esplicata dalle caldaie Cornovaglia, sia per la notevole massa d’acqua, sia per la limitata produzione specifica per cui il vapore liberato rappresentava una sensibile percentuale della produzione. Nel caso delle caldaie a tubi da fumo l’effetto è assai più modesto.

Classificazioni

Classificazione in base alla pressione in camera di combustione

I GV possono essere classificati in generatori con camera di combustione in depressione o pressurizzata. I primi GV erano concepiti come GV a tiraggio naturale, garantito dal camino, e presentavano quindi la camera di combustione in depressione. L’evoluzione dei GV ha portato a percorsi dei fumi sempre più complessi, caratterizzati anche da velocità maggiori, finalizzate ad ottenere maggiori coefficienti di scambio termico e quindi minori superfici di scambio. Tutto questo ha reso il tiraggio naturale del camino assolutamente insufficiente a garantire il flusso dei fumi all’interno del GV. Di qui si è reso necessario l’utilizzo di uno o più ventilatori per assicurare la circolazione adeguata dei fumi nell’impianto. L’adozione di due ventilatori, uno premente , l’altro aspirante, determina una configurazione del GV a tiraggio bilanciato. Il primo ventilatore è disposto a monte del preriscaldatore d’aria e spinge l’aria in ingresso al sistema, il secondo è posizionato immediatamente a monte del camino e aspira i fumi dall’impianto. In tale configurazione è possibile avere la camera di combustione in depressione.

Classificazioni

Classificazione in base alla pressione in camera di combustione

Ovviamente, trattandosi di movimentazione di aeriformi, si tratta di leggere depressioni, dell’ordine dei mbar (millibar). L’adozione di un unico ventilatore premente, disposto a monte del preriscaldatore d’aria, lato aria, determina, per forza di cose, una sovrapressione in camera di combustione, sempre dell’ordine dei mbar, come del resto in tutto il percorso fumi, che si trova tutto a pressione maggiore della pressione atmosferica, eccezione fatta per l’imbocco del camino. In tal caso si parla di tiraggio forzato. Il tiraggio bilanciato è tipico dei grossi generatori di vapore a tubi d’acqua utilizzati nelle centrali termoelettriche o negli impianti di termovalorizzazione; quello forzato invece è caratteristico delle caldaie a tubi di fumo e di quelle a tubi d’acqua di piccola e media potenza. Il vantaggio della seconda soluzione è innanzitutto energetico in quanto bisogna alimentare un solo ventilatore invece di due; vi è anche un ulteriore vantaggio dettato dal fatto che il ventilatore aspirante deve trattare fumi e non aria e come tale è soggetto a fenomeni di sporcamento continui. Infine la camera di combustione pressurizzata impedisce le rientrate d’aria che inevitabilmente abbassano il rendimento dell’impianto.

GV a tubi di fumo

Immagine semplificata di un generatore di vapore a tubi di fumo. Immagine da Wikimedia commons

Immagine semplificata di un generatore di vapore a tubi di fumo. Immagine da Wikimedia commons


GV a tubi d’acqua

Generatori di vapore a tubi d’acqua di piccola potenzialità. Immagine da Wikimedia commons

Generatori di vapore a tubi d'acqua di piccola potenzialità. Immagine da Wikimedia commons


GV a recupero

Generatori di vapore a recupero in costruzione. Immagine da Wikimedia commons

Generatori di vapore a recupero in costruzione. Immagine da Wikimedia commons


I materiali di supporto della lezione

D. Annaratone, Generatori di Vapore, Edizioni Libreria CLUP.

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