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:
Quelli del tipo rigenerativo, maggiormente impiegati sono i preriscaldatori tipo Ljungstrom. Le ragioni di tali preferenze possono essere rintracciate nelle seguenti osservazioni.
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.
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.
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
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.
Foto di un preriscaldatore Ljungstrom in fase di montaggio. Immagine da Wikimedia commons
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:
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.
1. Generalità e classificazione dei generatori di vapore
2. Combustibili
6. Tecniche di denitrificazione
11. Il circuito acqua - vapore
12. L'economizzatore
13. L'evaporatore
15. Incrostazioni calcaree e corrosione nei tubi
16. Degasaggio e demineralizzazione
17. Generatori di vapore e termovalorizzazione - Parte Prima
18. Generatori di vapore e termovalorizzazione - Parte Seconda
19. I materiali impiegati nei generatori di vapore
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.