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Giuseppe Langella » 14.I surriscaldatori


I surriscaldatori

Con il termine di surriscaldatori si intendono quelle sezioni del GV nelle quali il vapore, nelle condizioni di vapore saturo secco, o surriscaldato, riceve calore dai fumi, incrementando la propria temperatura, a pressione costante.

In realtà l’ipotesi di pressione costante è solamente ideale in quanto il passaggio del vapore nel surriscaldatore determina in ogni caso una perdita di carico e quindi di pressione.

In genere sono costituiti da un insieme di banchi di tubi in acciaio, calati nel volume a disposizione del passaggio dei fumi. Nella figura riportata nella slide successiva si può individuare la posizione tipica del surriscaldatore, di solito in cima alla camera di combustione, nella zona in cui i fumi invertono la direzione per scendere nel secondo passo di caldaia, dove incontrano successivamente l’economizzatore e infine il preriscaldatore d’aria.

Il surriscaldatore in genere non è costituito da un’unica sezione di scambio termico ma è composto di più parti attraversate in serie dal vapore. Una prima distinzione, a tale proposito si può fare tra surriscaldatori a convezione e surriscaldatori a irraggiamento.

Il surriscaldatore nel GV e nella centrale termica

Vista schematica di una centrale termoelettrica. Si noti lam posizione del surriscaldatore (19) in cima alla camera di combustione). Immagine da Wikimedia commons

Vista schematica di una centrale termoelettrica. Si noti lam posizione del surriscaldatore (19) in cima alla camera di combustione). Immagine da Wikimedia commons


Il surriscaldamento nel piano T-S

Le curve che rappresentano il processo di surriscaldamento, a pressione costante sono ben visibili nel diagramma T-S riportato a fianco, nella sezione a destra della curva a campana.

Il surriscaldamento, nel suo complesso, parte ovviamente da un punto del ramo destro della curva a campana, sede dei punti in condizione di vapore saturo secco ai vari valori della pressione.

In realtà, essendo il surriscaldatore diviso in più sezioni, alcune di esse potrebbero ricevere vapore già in condizioni di surriscaldato (e quindi non sulla curva a campana), per riscaldarlo ulteriormente.

Diagramma T-S del vapore. Immagine da Wikimedia commons

Diagramma T-S del vapore. Immagine da Wikimedia commons


Classificazione dei surriscaldatori

Una prima distinzione si può fare tra surriscaldatori a convezione o a irraggiamento.

I primi ricevono calore prevalentamente attraverso un meccanismo convettivo. in genere non sono i primi ad essere investiti dai fumi ma sono i primi ad essere percorsi dal vapore, in uscita dall’evaporatore. Si trovano nella parte alta del GV ma non in vista di fiamma.

I secondi ricevono calore prevalentemente per scambio radiativo con le fiamme in quanto sono in vista di esse. Tali banchi infatti sono i primi, del surriscaldatore,  ad essere lambiti dai fumi e si trovano in una posizione tale da riuscire ads essere irraggiati direttamente dalle fiamme.

Una  seconda distinzione si può fare tra surriscaldatore primario e secondario. In genere sono enytrambi a convezione e sono separati da una sezione di attemperamento per la regolazione della temperatura finae del vapore.

Una terza distinzione riguarda i surriscaldatori e i risurriscaldatori. I secondi riscaldano il vapore ad una pressione più bassa dei primi. Il vapore infatti, alla pressione massima del GV, attraversa tutto il surriscaldatore, per andare nella turbina di alta pressione. All’uscita dalla turbina di alta pressione, il vapore torna nel GV dove viene ulteriormente surriscaldato, ma ad una pressione ovviamente inferiore della precedente; di qui ritorna nella turbina di media e poi di bassa pressione per completare l’espansione.

Caratteristiche costruttive

Come detto, le sezioni di surriscaldamento, definite surriscaldatori, sono costituiti da banchi di tubi in acciaio, di qualità superiore a quella utilizzata per gli evaporatori. La superiore qualità è richiesta dal fatto che, pur essendo in una zona più fredda del GV, rispetto all’evaporatore, il surriscaldatore non può giovarsi degli elevati coefficienti di scambio che si realizzano nei tubi del’EVA e quindi la differenza di temperatura tra metallo e vapore e maggiore rispetto all’EVA. Se poi si considera che anche il vapore è più caldo, rispetto all’EVA, perchè sta incrementando la sua temperatura rispetto a quella di saturazione, si capisce come la temperatura del metallo nei SURR possa arrivare anche a 600 °C.

Di solito i tubi dei surriscaldatori hanno diametri dell’ordine dei 60 mm e spessori dell’ordine dei 6 mm. Nei surriscaldatori a convezione i tubi sono staccati gli uni dagli altri, in quelli a irraggamentto possono essere accoppiati mediante piattine di collegamento, tanto da prendere anche il nome di surriscaldatori a piastre.

Foto di un banco di tubi surriscaldatori nel condotto fumi circondato da pareti tubiere dell’evaporatore. Immagine da Wikimedia commons

Foto di un banco di tubi surriscaldatori nel condotto fumi circondato da pareti tubiere dell'evaporatore. Immagine da Wikimedia commons


Surriscaldatori e attemperamento

L’attemperamento del vapore, come già accennato, consiste nell’immettere nella corrente di vapore surriscaldato una portata di liquido saturo, in genere prelevata dall’economizzatore, che, a contatto con il vapore più caldo vaporizza, sottraendo calore e riducendone la temperatura.

Tale esigenza nasce dalla circostanza impiantistica di dover fornire vapore alla turbina, sempre alla stessa pressione e temperatura: la turbina infatti viene regolata di solito in portata. In altri termini se la centrale deve produrre meno energia, la turbina deve produrre meno lavoro e ciò si realizza parzializzandola in portata di vapore, ma fornendolo sempre nele stesse condizioni termodinamiche di pressione e temperature.

Per sua natura, tuttavia, il GV, all’aumentare della portata di combustibile bruciato, tende a produrre vapore ad una temperatura maggiore. Per tale motivo il GV si progetta in modo da poter raggiungere una data temperatura del vapore surriscaldato in uscita, al minimo carico. Al carico massimo l’attemperamento mitiga l’effetto di maggiore riscaldamento e consente di ottenere una portata maggiore, ma sempre alla stessa temperatura.

Per non stressare termicamente e inutilmente i tubi del surriscaldatore, l’attemperamento non viene fatto nella sezione finale, abbbattendo una temperatura inutilmente troppo alta, ma in una sezione intermedia, in modo da raggiungere solo a fine surriscaldamento la temperatura voluta.

Disposizione dei surriscaldatori

Per tale motivo il surriscaldatore a convezione viene diviso in primario e secondario, in modo da prevedere l’attemperamento intermedio. La portata di attemperamento, vale a dire la portata di liquido saturo spillata dall’economizzatore, varia a seconda del carico del GV: a pieno carico sarà pressocchè nulla, a carico minimo sarà massima. La regolazione è continua ed è fatta leggendo la temperatura finale del vapore surriscaldato e variando di conseguenza la portata di acqua di attemperamento.

Seguendo il percosro del vapore, in uscita dall’evaporatore, nel caso più completo esso attraversa in serie e in successione i seguenti elementi: il surr. primario, l’attemperatore, il surr. secondario, il surr. a irraggiamento, la turnina di alta pressione e infine il risurriscaldatore.

I surriscaldatori a convezione e a irraggiamento hanno un comportamento opposto rispetto alle variazioni di carico del GV. I primi lavorano meglio agli alti carichi, i secondi ai bassi carichi. Quando si dice che lavorano meglio, si intende che nel lassaggio attraverso di essi, il vapore subisce un incremento di temperatura maggiore.

Disposizione dei surriscaldatori

Nel caso del SURR a convezione, ai carchi elevati, la portata di fumi è più elevata in quanto si brucia più combustibile e si fornisce più aria comburente; di conseguenza la velocità dei gas che lambiscono esternamente i tubi aumenta e con essa il coefficiente di scambio termico convettivo. Lo scambio termico diveta più efficiace e il vapore che passa all’interno dei tubi, pur essendo in maggiore portata, riesce comunque a conseguire un maggiore incremento di temperatura.

Nel caso del SURR a irraggiamento invece, agli alti carichi, la portata di vapore che attraversa i tubi aumenta, ma la quantità di calore irraggiata dalle fiamme e pressocchè la stessa in quanto dipende dalla temperatura della fiamma che rimane pressocchè inalterata col carico. Ne deriva che, a parità di potenza termica in ingresso per irrraggiamento, una maggiore portata di vapore, consegue un minore incremento di temperatura.

In conseguenza di ciò i surr a convezione e a irraggiamento generano un positovo effetto di compensazione reciproca che tende a diminuire le variazioni di temperatura del vapore al variare del carico. Tutto ciò riduce anche la portata necessaria all’attemperamento.

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