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Giuseppe Langella » 10.Il preriscaldatore d'aria


I preriscaldatori d’aria

Si tratta di uno scambiatore di calore tra fumi esausti aventi una temperatura inferiore ai 300°C e l’aria comburente del processo di combustione. In questo modo è possibile riscontrare un aumento del rendimento, perché diminuendo la temperatura di uscita dei fumi, si riducono le perdite ai fumi ed al tempo stesso il calore recuperato viene ceduto all’aria e quindi risparmiato nel processo di combustione. I preriscaldatori si suddividono in due famiglie:

  1. recuperativi: sono scambiatori tradizionali caratterizzati da masse metalliche che, a regime, si trovano sempre alla stessa temperatura. Un classico esempio sono gli scambiatori a tubo e mantello o quelli a piastre, di cui si riportano due rappresentazioni
  2. rigenerativi: il calore viene rigenerato, cioè trasferito dai fumi ad una massa metallica che a sua volta lo trasferisce all’aria (fluido freddo) variando ciclicamente la sua temperatura. In altri termini le masse metalliche si riscaldano a contatto con i fumi, si spostano nella zona dell’aria e le cedono calore raffreddandosi, per poi continuare il ciclo.

Il preriscaldatore Ljungstrom

Quelli del tipo rigenerativo, maggiormente impiegati sono i preriscaldatori tipo Ljungstrom. Le ragioni di tali preferenze possono essere rintracciate nelle seguenti osservazioni.

  1. Entrambi i fluidi sono allo stato gassoso, quindi il trasporto di calore avviene attraverso i due strati limite quello del fluido caldo e quello del fluido freddo, per cui i coefficienti di scambio non sono eccessivamente elevati
  2. Non possiamo realizzare una miscelazione poiché si invierebbe nuovamente il gas combusto in camera di combustione. Dunque lo scambio deve avvenire attraverso parete
  3. I valori bassi delle temperature in gioco confermano la trascurabilità dei fenomeni radiativi per cui gli scambi sono sostanzialmente convettivi.

Il preriscaldatore Ljungstrom

Come si evince dalla figura, nel primo mezzo cilindro, passano i fumi caldi che lambendo i lamierini metallici, posti in direzione radiale a formare un tamburo rotante, li riscaldano. Nel secondo mezzo cilindro l’aria passa in controcorrente rispetto ai fumi e lambisce i lamierini caldi per cui prende calore da essi ed incrementa così la propria temperatura. Generalmente il tamburo ruota ad una velocità compresa tra i 2-4 giri al minuto. Essendo tale rotazione molto lenta, l’aria entrante uscirà in una posizione-direzione variata solo leggermente quindi si può affermare che tale corrente non si accorge della rotazione del disco. La temperatura dei lamierini varia dunque ciclicamente secondo un andamento periodico. Supponendo quindi una velocità di 2 giri al minuto, il generico lamierino è a contatto con i fumi per 15 secondi, durante i quali si porta quasi alla temperatura Tf; trascorso tale tempo, lo stesso lamierino entra in contatto con l’aria per altri 15 secondi, cedendo il calore acquisito nel primo mezzo giro e portandosi alla fine del giro completo quasi alla temperatura dell’aria.

Il preriscaldatore Ljungstrom

Parliamo di “quasi”, perché chiaramente in entrambi i mezzi giri il lamierino non può raggiungere le temperature di ingresso dei due fluidi. S’intuisce quindi che la determinazione del giusto valore della velocità di rotazione del tamburo rigenerativo è fondamentale. Di seguito riportiamo alcuni casi: Il caso a) è relativo alla velocità di rotazione ottimale: la permanenza nella corrente dei gas caldi termina in corrispondenza dello stabilizzarsi della temperatura superiore del lamierino e contemporaneamente la permanenza nella corrente di aria termina quando la temperatura del lamierino è scesa al valore minimo. Nel caso b)si mette in evidenza il tempo perso, perché praticamente il lamierino non si riscalda ulteriormente e per la lentezza della rotazione si rischia che il lamierino opposto a contatto con l’aria si porti ad una temperatura prossima a quella di ingresso aria, quindi non adducendo più calore. Nel caso c) la rotazione è troppo veloce e i lamierini non trasportano tutta la quantità di calore possibile, oscillando tra una temperatura massima e minima più vicine tra loro.

Il preriscaldatore Ljungstrom

Le dimensioni dei preriscaldatori d’aria possono essere veramente notevoli. In fig. 3 è riportata la foto di un rotore in costruzione, del diametro di ben 24 m.

Nella figura 4 si evidenzia il posizionamento tipico di un preriscaldatore d’aria rotativo del tipo Ljungstrom.

Esempio di preriscaldatore d’aria tipo Ljungstrom. Le dimensioni possono arrivare anche a diametri di oltre 20 m. Immagine da Wikimedia commons

Esempio di preriscaldatore d'aria tipo Ljungstrom. Le dimensioni possono arrivare anche a diametri di oltre 20 m. Immagine da Wikimedia commons


Il preriscaldatore Ljungstrom

Tipologie costruttive

Le tipologie costruttive di preriscaldatori Ljungstrom possono essere diverse.

La versione tri-settore ha il costo più basso mentre quella quadrisettore minimizza i trafilamenti e i contenuti di cenere nell’aria primaria. Il tipo concentrico è quello più versatile per una serie di applicazioni diverse, potendo variare le superfici riscaldanti nelle sezioni primaria e secondaria.

Il preriscaldatore Ljungstrom

Foto di un preriscaldatore Ljungstrom in fase di montaggio. Immagine da Wikimedia commons

Foto di un preriscaldatore Ljungstrom in fase di montaggio. Immagine da Wikimedia commons


Il preriscaldatore Ljungstrom

Le tenute

La inevitabile differenza di pressione tra aria a gas combusti richiede la presenza di un sistema di tenuta per evitare che il fluido a pressione maggiore confluisca in quello a pressione minore . Il sistema di tenuta comprende tenute assiali e radiali che delimitano le sezioni del gas e dell’aria e minimizzano le perdite dell’uno nell’altro, a valori accettabili. Per piccoli rotori, con diametri fino a 8 metri, la soluzione più economica è quella di adottare lamiere di tenuta radiale fisse rispetto alla cassa e tenute a foglia solidali al rotore. Tale sistema non può essere regolato in esercizio. Per preriscaldatori di maggiori dimensioni le tenute assiali e radiali sono del tipo regolabili in esercizio. Tali tenute a loro volta possono essere del tipo:

  • standard
  • elettromeccanico
  • ad alta tecnologia.

Il preriscaldatore Ljungstrom

La manutenzione

Il contatto con i gas combusti porta le superfici a due inconvenienti principali. Il primo è rappresentato dagli accumuli di fuliggine e quindi di intasamento dei canali tra i lamierini che periodicamente vanno quindi ripuliti. Molti preriscaldatori sono dotati di propri soffiatori di fuliggine integrati nel sistema stesso. Il secondo inconveniente è rappresentato da fenomeni corrosivi in presenza di zolfo nei combustibili che può dar luogo a condense acide sui lamierini.

I materiali di supporto della lezione

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

Esercitazioni di Generatori di Vapore

Appunti delle lezioni di Generatori di Vapore del Prof. G. Langella.

D. Annaratone, GENERATORI DI VAPORE, Edizioni Libreria CLUP.

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