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Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche

G i diGeneratori di vaporeCon il termine generatore di vapore si intende quel complesso di apparecchiature discambio termico opportunamente interconesse e completato da macchinari ausiliari esistemi di regolazione e controllo, destinato alla produzione di vapore a partire da acqualiquida.Il calore necessario per tale operazione può essere fornito dalla combustione di uncombustibile fossile (generatori di vapore a combustibile) ovvero da un cascame di gas caldi(generatori di vapore a recupero).Il termine caldaia, che ha rappresentato il nome originario del generatore di vapore, quandoquesto consisteva essenzialmente in un corpo “bollitore”, è un termine più generico con ilquale si indicano anche apparecchiature nelle quali non intervengono passaggi di stato(produzione di acqua calda o surriscaldata, caldaie ad olio diatermico, etc.).Le caldaie possono suddividersi in due grandi categorie:

caldaie a tubi di fumo (nate all’inizio del XIX secolo )f ( )caldaie a tubi di acqua (nate dopo la prima metà del XIX secolo e sviluppatesi dall’inizio

del XX secolo)

GENERATORI DI VAPORE


l d ll ld b d fEvoluzione storica delle caldaie a tubi di fumo

Schema di vecchia caldaia dell’inizio del XIX secolo

Caldaia tipo Cornovagliap g

Schemi di caldaie a tubi di fumo



Evoluzione storica delle caldaie a tubi di fumoEvoluzione storica delle caldaie a tubi di fumo

Caldaia a tubi di fumo con focolare esternoCaldaia a tubi di fumo con focolare esterno

Caldaia a tubi di fumo “a ritorno di fiamma”

Caldaia a tubi di fumo “a fiamma diretta”Caldaia a tubi di fumo “a fiamma diretta”



l d ll ld b d fEvoluzione storica delle caldaie a tubi di fumo

Caldaia a tubi di fumo di tipo scozzese

Caldaia per locomotivaCaldaia per locomotiva



P i ld iPassaggio caldaie a tubi di fumo tubi d’acqua

caldaie a tubi di fumoPREGI

• elevato volano termico (grandeDIFETTI

• bassa pressione di esercizio

caldaie a tubi di fumo

volume d’acqua contenuto nel corpocilindrico) semplicità di conduzione

• economicità costruttiva

• bassa potenzialità• lentezza in regolazione

I difetti delle caldaie a tubi di fumo risultano tutti conseguenza delcontenimento di tutta l’acqua in grande corpi cilindrici



- Bassa pressione di esercizio- Bassa pressione di esercizioConsiderando le sollecitazioni agenti nel corpo cilindrico:

p

F

dα

dFydFp

s n s ny pdF dF e p R e dα α α= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅

π πα α= = ⋅ ⋅ ⋅ =∫ ∫ s nyF dF p R e d

F1 F2

α

dsπ

α α= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅

∫ ∫∫

0 0

0s n 2

y p

p R e d p R p d

1 ammF s σ= ⋅ σ⋅=

⋅2 amm

p ds= ⋅ 12F F

Esempio• s spessore corpo cilindrico• p pressione dell’acqua nel corpo cilindrico• d diametro del corpo cilindrico• σ tensione ammissibile del materiale del corpo cilindrico

Esempio• p=30 bar

• d=1,5 m s=40 mm• σ =60 N/mm2• σamm tensione ammissibile del materiale del corpo cilindrico • σamm =60 N/mm2

Con grandi corpi cilindrici (d elevato) occorre limitare la pressione per contenere gli spessori entro limiti accettabili


gli spessori entro limiti accettabili


- Bassa potenzialitàt i lità fl t i fi i di bi

Poiché la configurazione a tubi di fumo limita drasticamente la superficie totale di

( )produzione di vapore

potenzialità flusso termico superficie di scambio∝ ∝

Poiché la configurazione a tubi di fumo limita drasticamente la superficie totale discambio termico (che deve essere contenuta entro il volume di acqua nel corpocilindrico), la potenzialità di tali caldaie è bassa

- Lentezza in regolazionegIl grande volume d’acqua contenuto nel corpo cilindrico costituisce un elevatovolano termico



Per superare i suddetti difetti occorre ricorrere ad un’architettura di caldaia in cuiPer superare i suddetti difetti occorre ricorrere ad un architettura di caldaia in cuiè l’acqua che circola all’interno di tubi di piccolo diametro posti al di fuori delcorpo cilindrico, mentre i prodotti di combustione attraversano l’apparecchiaturain idonei condotti (in genere tappezzati dagli stessi tubi d’acqua) lambendoin idonei condotti (in genere tappezzati dagli stessi tubi d acqua) lambendodall’esterno i tubi d’acqua.

CALDAIE A TUBI D’ACQUA

T li ld i i lt i d di tiTali caldaie risultano in grado di consentire:• elevate pressioni di esercizio• elevate potenzialità• relativa rapidità di regolazione


Caldaia a tubi di fumo Caldaia a tubi d’acqua


l d ll ld b d’Evoluzione storica delle caldaie a tubi d’acqua

Caldaie a tubi “field”




Caldaia a lame d’acqua




Caldaia a tubi d’acqua tipo Babcock & Wilcox (Tosi)Caldaia a tubi d acqua tipo Babcock & Wilcox (Tosi)

Disposi ioni sub ori ontali dei tubi bollitori nelle caldaie a tubi d’acqua


Disposizioni sub-orizzontali dei tubi bollitori nelle caldaie a tubi d’acqua


Percorso ACQUA - VAPOREPercorso ACQUA - VAPORESH

vapore

h

3

mwacqua dialimento

vaporesurriscaldatocondizioni prossime

a quelle di saturazionemv

separatore2

ΔhVAP

ΔhSH

ECO

eventuale pompa di

mr

VAP

0

1

ΔhECO

VAP

Attraverso tale configurazione, opportunamente dimensionata, del circuito acqua vapore sirealizza una netta distinzione tra ciascuna fase fluida nelle rispettive zone di scambio

circolazione

S

realizza una netta distinzione tra ciascuna fase fluida nelle rispettive zone di scambiotermico:• acqua liquida nella sezione di economizzazione (ECO);

i li t ll di i i (VAP)• miscuglio acqua-vapore saturo nella zona di vaporizzazione (VAP);• vapore surriscaldato nella zona di surriscaldamento (SH) ed eventualmente di

risurriscaldamento (RH).



Percorso ACQUA – VAPOREPercorso ACQUA – VAPORECIRCUITO VAPORIZZANTE

Si articola in tubi di caduta che alimentano con acqua satura i tubi di risalita verso il corpocilindrico. I tubi di risalita costituiscono la sezione di scambio termico (VAP) dove l’acquariceve dai fumi il calore di vaporizzazione (generalmente tali tubi costituiscono proprio lariceve dai fumi il calore di vaporizzazione (generalmente tali tubi costituiscono proprio laparete di contenimento della zona di combustione) mentre i tubi di discesa non sonocoinvolti nello scambio termico.A seguito delle diverse densità del fluido nei tubi di caduta (acqua satura con titolo x=0) eA seguito delle diverse densità del fluido nei tubi di caduta (acqua satura con titolo x 0) enei tubi di risalita (miscuglio acqua vapore con x>0) si genera una forza motrice dellacircolazione (differenza di pressione)

( )m ls mvsp g hρ ρΔ = − ⋅ ⋅

dove ρls è la densità dell’acqua nei tubi di caduta, ρmvs è la densità media del miscuglioacqua-vapore nei tubi di risalita ed h è l’altezza dei tubi.



Percorso ACQUA – VAPOREPercorso ACQUA – VAPORECIRCUITO VAPORIZZANTE

In funzione della differenza di densità tra liquido saturo e miscuglio acqua/vapore e delloIn funzione della differenza di densità tra liquido saturo e miscuglio acqua/vapore e dello sviluppo verticale (h) della caldaia, si può avere:• circolazione naturale (basse-medie pressioni di esercizio e h adeguata) • circolazione assistita (in generale a partire da pressioni dell’ordine di 120 140 bar)• circolazione assistita (in generale a partire da pressioni dell ordine di 120-140 bar)• circolazione forzata (prescinde completamente dall’effetto naturale ed è affidata

esclusivamente dalle pompe di circolazione). Tale tipo di circolazione è, ovviamente,


l’unico proponibile in caldaie ipercritiche


Percorso ACQUA – VAPORE: CIRCUITO VAPORIZZANTEPercorso ACQUA VAPORE: CIRCUITO VAPORIZZANTESH

vaporesurriscaldatocondizioni prossime

a quelle di saturazionemv

r vm x m⋅ =

ECO

mwacqua dialimento

VAP

separatore

1rr

v

mCm x

= = Cifra di circolazione

eventuale pompa dicircolazione

mr

Nelle caldaie dotate di corpo cilindrico, la portata circolante nel circuito vaporizzante (mr) è svincolata dalla

produzione oraria di vapore (mv) attraverso il titolo (x)

Per evitare la crisi di scambio termico nel circuito vaporizzante la percentuale in volume del vapore, nel miscuglio

medio-basse pressioni di esercizio (da circa 30 bar fino a circa 100 bar): Cr=10-15lt i i l i C 5 10

acqua-vapore che rientra al corpo cilindrico, non deve superare il limite del 60-70%

alte pressioni valori Cr=5-10

il titolo nel circuito vaporizzante assume valori dell’ordine di 0.1-0.2, valori mediamente bassi e talida assicurare che i tubi siano quasi completamente bagnati, al loro interno, da acqua satura



Percorso ARIA - FUMIPercorso ARIA - FUMI

comb.

IRR CONV

VAP, SHi SHc, RH, ECOfumi

PA

aria

aria preriscaldata

l’aria ambiente (aria comburente) incontra una prima zona di scambio termico, il preriscaldatore (PA), doveviene preriscaldata a spese del calore contenuto nei fumi, prima del loro invio al camino per la dispersionenell’ambientel’ i i i di i i t ll di b ti (CC) d i il b tibil dl’aria viene quindi inviata nella camera di combustione (CC) dove reagisce con il combustibile generando gasdi combustione ad elevata temperatura, circa 2000°C, che cedono calore prima di tutto, e soprattutto, allasezione di vaporizzazione (VAP) e quindi, eventualmente, ad una parte di surriscaldamento (SHi,surriscaldatore irraggiato) (scambio termico prevalentemente per irraggiamento, IRR)i gas combusti, caratterizzati da temperature inferiori ai 1000°C, incontrano le sezioni a scambio termicoprevalentemente convettivo (CONV), e cioè il surriscaldatore convettivo (SHc), l’eventuale risurriscaldatore(RH) e quindi l’economizzatore (ECO).i fumi in uscita dall’economizzatore attraversano la sezione di preriscaldamento dell’aria comburente (PA),


f p ( ),generalmente presente almeno nelle caldaie di medio-grande taglia, prima di essere inviati al camino



IRR CONV

comb.

VAP, SHi SHc, RH, ECO

PA

fumi

aria preriscaldata

aria

p

non viene mai realizzato, nonostante la più elevata efficienza, uno scambio termico completamente int t i di b ti bi l i il i t i il i ld tcontrocorrente: i gas di combustione scambiano calore prima con il vaporizzatore, poi con il surriscaldatore e

quindi con l’economizzatore. La ragione di ciò risiede nel fatto che uno scambio controcorrente produrrebbetemperature inammissibili per la resistenza dei tubi del surriscaldatore

e e i ip

e i

T TT α αα α

⋅ + ⋅=

+

T Tα α≅ p i i eT T se α α+≅ ≈

2e i

p i eT TT se

VAP SH




comb.

il surriscaldatore, per limitare le sollecitazionitermiche, viene protetto dalla “vista” della

( )IRR CONV

VAP, SHi SHc, RH, ECOfumi

fiamma (cioè dall’irraggiamento): nelle caldaiedi più grande potenzialità, solamente una suaporzione (SHi) viene esposta all’irraggiamento. Inquesto caso, il surriscaldatore irraggiato viene in

PA

aria

aria preriscaldatagenere fatto percorrere in equicorrente dalvapore proveniente dal corpo cilindrico (tratto disurriscaldamento a più bassa temperatura) perlimitare la temperatura dei tubi.limitare la temperatura dei tubi.il surriscaldatore viene suddiviso in due o trebanchi (surriscaldatore primario, secondario e,al limite, terziario) da disporre opportunamente,eventualmente con l’interposizione delacqua att eventualmente con l interposizione delrisurriscaldatore (RH), lungo il percorso dei fumia valle del vaporizzatorela suddivisione del surriscaldatore in almeno

( )

SH2SH1

acqua att.

TSH

due banchi (primario e secondario) è difondamentale importanza per la regolazionedella temperatura finale del vaporesurriscaldato (TSH)


SH


Percorso ARIA - FUMIPercorso ARIA - FUMIIRR CONV

f i

comb.

VAP, SHi SHc, RH, ECO

PA

fumi

aria preriscaldata

aria

• nel circuito aria-fumi è generalmente inserito un preriscaldatore dell’aria comburente (PA) perassicurare un elevato rendimento del generatore di vapore

• esistono dei limiti inferiori per la temperatura di scarico dei gas combusti dovuti a:• corrosioni acide: con combustibili di scarso pregio (oli pesanti, carbone, etc.) contenenti zolfo,

interviene il problema della così detta “rugiada acida” se la temperatura scende sottodeterminati limiti (140-150°C)

• dispersione dei fumi nell’ambiente: con combustibili pregiati privi di zolfo, occorre assicurareuna certa temperatura del pennacchio dei fumi alla sommità del camino per consentirne unaadeguata dispersione nell’atmosfera (almeno 80-100°C)

• risulterebbe impraticabile abbattere la temperatura dei fumi fino a temperature prossime aquelle ambiente, tramite preriscaldo di aria comburente, a causa delle imponenti superficie di


scambio termico richieste (scambio aria-gas) e degli inammissibili costi conseguenti


Generatori di vapore di grande potenzialità:Generatori di vapore di grande potenzialità:CALDAIE A U ROVESCIO

Caratteristiche:• elevato sviluppo verticale della camera di combustione (la cui altezza è tanto più

condizionata dalle esigenze di circolazione dell’acqua quanto più è alta la pressione dicondizionata dalle esigenze di circolazione dell acqua quanto più è alta la pressione di esercizio)

• contenimento dell’altezza complessiva della caldaia (in virtù del tratto discendente affiancato alla camera di combustione)


affiancato alla camera di combustione)


Schema completo diCALDAIE A U ROVESCIO



C O SC OCALDAIE A U ROVESCIO



C O SC O il i ld d’ iCALDAIE A U ROVESCIO: il preriscaldatore d’aria



Prestazioni energetiche dei GENERATORI DI VAPOREPrestazioni energetiche dei GENERATORI DI VAPORE


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