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Si definisce generatore di vapore un "insieme" di organi che servono a produrre calore e a trasferirlo al fluido che deve essere riscaldato e vaporizzato. Il termine "caldaia" utilizzato impropriamente in passato per rappresentare questo insieme è quindi solo una parte del generatore di vapore in cui avviene la trasformazione del fluido (passaggio di stato) da liquido a vapore. Il vapore d'acqua fu inizialmente utilizzato soprattutto per il funzionamento delle motrici a vapore. L'uso del vapore in pratica rese così possibile la trasformazione dell'energia termica in energia meccanica, avviando il moderno processo di innovazione industriale. Il vapore, negli impianti di notevole potenza, viene utilizzato in particolare per la generazione di energia elettrica mentre negli impianti di piccole e medie dimensioni, rappresenta un valido veicolo per il trasferimento del calore necessario nei processi industriali (scambiatori per riscaldamento di reattori chimici, autoclavi, cilindri asciugatori per cartiere e tessiture, radiatori per riscaldamento di ambienti etc.).
Uno dei tenti criteri per la classificazione di un generatore di vapore è la pressione nominale di esercizio:
- a bassa pressione fino a 1 bar;
- a media pressione da 1 fino a 15 bar;
- ad alta pressione da 15 fino a 100 bar;
- ad altissima pressione oltre i 100 bar.
Altra importante e fondamentale distinzione, molto utilizzata, è quella che riguarda il percorso dei fumi rispetto ai corpi che contengono l'acqua, si ha così:
- generatori di vapore a tubi da fumo: se l'acqua bagna la parete esterna dei tubi al cui interno circolano i fumi caldi
- generatori a tubi d'acqua: se è l'acqua a passare nell'interno dei tubi e i fumi passano invece dalla parte esterna
GENERATORI DI VAPORE
Il moderno generatore semifisso a tubi da fumo
Un generatore a tubi da fumo è essenzialmente costituito da un fasciame cilindrico, chiuso alle due estremità con piastre tubiere, cui è saldato il focolare (o due focolari). I tubi sono mandrinati alle piastre e a volte viene realizzato intorno a essi un cordoncino di tenuta. Il bruciatore è posto sul davanti del generatore. I gas caldi della combustione, dopo aver percorso il focolare, invertono il loro moto in una camera (camera di inversione posteriore) e si immettono nel gruppo di tubi (2° giro dei fumi) posto nella parte bassa del generatore. Giunti nella parte anteriore del generatore, i fumi subiscono una seconda inversione (camera di inversione anteriore) e imboccano i tubi posti nella parte alta della caldaia (3° giro dei fumi) per poi dirigersi al camino. I percorsi dei fumi possono essere 2 ovvero 3 come nel caso descritto, che è il più frequente, o più di 3.
All'interno dei tubi, allo scopo di migliorare la trasmissione del calore, possono essere sistemati elementi di varia forma (lamine metalliche ad andamento elicoidale oppure tubi ciechi coassiali, di diametro più piccolo dei tubi della caldaia) per imprimere al fumo un moto turbolento e aumentare la trasmissione del calore. Le camere d'inversione sono costituite da una parte cilindrica, di solito in prolungamento del fasciame esterno, chiusa da una parte piana. Su tale parte vi sono in genere due portelloni che, a caldaia ferma, permettono l'ispezione, la pulizia e la manutenzione. Il fasciame esterno è ricoperto all'esterno da materiale isolante e poi da un leggero lamierino di protezione.
Questi generatori vengono generalmente costruiti per pressioni di 10 - 18 bar, potenza fino a 10 t/h e rendimento dell'85 - 88%. La temperatura dei prodotti della combustione alla fine del percorso nel focolare è usualmente sui 900 - 950°C; la temperatura dei fumi all'uscita della caldaia è solitamente superiore di circa 50 - 70°C rispetto alla temperatura del vapore saturo corrispondente. Come per tutti i generatori di tipo moderno occorre una particolare attenzione al trattamento dell'acqua. Per quanto riguarda la pulizia del generatore, lato fumi, si fa rilevare che all'interno dei tubi si deposita con una certa facilità la fuliggine, per cui è necessario procedere frequentemente alla loro pulizia per non ridurre lo scambio termico e quindi il rendimento.
I moderni generatori di vapore a tubi d'acqua
Le caldaie a tubi d'acqua sono nate per far fronte alle richieste di più elevati valori di pressione e produzione dove la miscela acqua/vapore fluisce all'interno dei fasci e i gas di combustione ne lambiscono la parte esterna. Le soluzioni costruttive più frequentemente adottate sono a due corpi cilindrici (in particolare le caldaie a D per la forma dei tubi che delimitano la camera di combustione) o a un solo corpo cilindrico. Ai due corpi cilindrici, uno superiore e uno inferiore che costituisce il collettore unica della caldaia, sono collegati i tubi costituenti il fascio tubiero vaporizzatore, di cui quelli a lato costituiscono rispettivamente una parete della camera di combustione e i tubi irraggianti costituenti la suola della camera, la parete laterale opposta alla precedente e il cielo della camera di combustione. In questi tipi di caldaie viene schermata almeno parzialmente la parete di fondo della camera e anche la parete che porta i bruciatori. Con questa realizzazione costruttiva mancano i tubi di caduta; questa funzione viene a essere eseguita da tubi che si trovano istallati in zone meno calde e meno interessate dai prodotti della combustione.
I gas possono percorrere, all'interno del fascio, un solo giro o più frequentemente due giri. Il percorso dei gas è parallelo all'asse dei corpi. I bruciatori sono disposti sulla parete frontale del generatore con l'asse parallelo a quello del corpo cilindrico: i bruciatori sono al massimo quattro; la soluzione a un solo bruciatore è la più frequente. La peculiarità di questa tipologia di generatori è la circolazione naturale. La miscela acqua - vapore contenuta nei tubi evaporanti esposti al riscaldamento sale per effetto del suo minor peso specifico, trasferendosi nel corpo cilindrico superiore. Qui, per mezzo di appositi separatori, il vapore asciutto raggiunge la tubazione di uscita verso la distribuzione o il surriscaldatore. L'acqua separata miscelata con l'acqua di reintegro ritorna in circolo scendendo attraverso i tubi di caduta non esposti alle fiamme o attraverso i tubi esterni delle ultime file dei fasci convettivi, nei quali difficilmente si ha produzione di vapore anche nelle evoluzioni più spinte.
Impianti di degassazione
L' eliminazione dei gas per via termofisica, in particolare l'ossigeno e l'anidride carbonica, è importante per tutti i generatori di vapore, in particolar modo per quelli eserciti a pressione media o elevata. In generale, nel degasatore confluiscono sia l'acqua di reintegro nel ciclo che l'acqua di ritorno del condensato per subire entrambe il processo di degasazione. I degassatori termici sfruttano la diminuzione di solubilità dei gas all'aumentare della temperatura (legge di Henry) per eliminare i medesimi dall'acqua, come indicato per l'ossigeno nelle curve di solubilità di seguito riportate:
Scopo di questa operazione è impedire le corrosioni dovute a ossigeno e ad anidride carbonica, che sono la forma prevalente di corrosione che interessa i circuiti di vapore. Un degassatore termico, di cui alla figura seguente viene data una rappresentazione schematica, è costituito da un grosso cilindro orizzontale (A) (detto serbatoio di accumulo) e da un cilindro verticale più piccolo (B) posto sopra (detto torretta degassante). La torretta degassante porta internamente una serie di piatti sui quali l'acqua, che entra dall'alto sotto forma di pioggia (C), scende dall'uno all'altro, essendo contemporaneamente investita da un flusso ascendente di vapore che entra dal basso (D). Il vapore cede calore all'acqua facendone aumentare la temperatura , in tal modo l'ossigeno e gli altri gas si liberano dall'acqua uscendo dal tubo (E), direttamente bell'atmosfera o attraverso uno scambiatore per recuperare il calore posseduto dai gas. Lo scambiatore viene utilizzato come preriscaldatore dell'acqua che deve essere degasata. L'acqua degasata passa poi dalla torretta degassante al serbatoio di accumulo dove si raccoglie e da dove viene prelevata per essere mandata nel generatore. Normalmente vengono distinti due tipi di degassatori termici: i degassatori a pressione atmosferica in cui si raggiunge una temperatura di circa 98 °C a cui corrisponde una degasazione parziale intorno a 0.2 ppm di ossigeno e i degassatori in pressione che, raggiungendo pressioni superiori, eliminano l'ossigeno fino a valori inferiori a 0.05 ppm (ovvero inferiori a 50 ppb).
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