Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Scambiatori a superficie -1
Gli scambiatori a superficie sono più comuni degli scambiatori a miscela per la
rigenerazione degli impianti a vapore
Essi consentono di svincolare la pressione dell'acqua di alimento da quella dello
spillamento (i due circuiti sono fisicamente separati nello scambiatore)
Lo scambiatore a superficie
consente il sottoraffreddamento
dei
drenaggi
(vapore
condensato)
I drenaggi vengono estratti a
temperature inferiori di 2 - 10°C
alla temperatura di saturazione
corrispondente alla pressione
dello spillamento
Il
sottoraffreddamento
dei
drenaggi consente un ulteriore
modesto
incremento
del
recupero termico.
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Facoltà di Ingegneria
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Sezione di Macchine
Scambiatori a superficie - 2
Il vapore, inizialmente surriscaldato, si desurriscalda
fino a raggiungere la curva limite superiore
Sottraendo ulteriormente calore il vapore condensa
(Trasformazione isotermobarica)
Segue un tratto di scambiatore in cui ha luogo il
sottoraffreddamento del condensato (drenaggio)
T
Tsat
Vapore spillato
DTU
Il vapore segue una trasformazione isobara
(sistema aperto, W = 0)
l im
a di a
u
q
c
A
ento
Il condensato viene recuperato (circuito chiuso)
Ci sono due possibilità per il recupero:
Uso di una pompa per reintrodurlo sulla linea di
alimento a pressione superiore (Reiniezione)
Scarico al rigeneratore precedente a pressione
minore (con vaporizzazione per flash e recupero
termico). Si utilizza uno scaricatore di condensa
(valvola di laminazione a funzionamento continuo o
discontinuo)
In questo caso si usa una sola pompa per la
reiniezione, oppure tutte le condense vengono
scaricate nel condensatore (bassa pressione) o nel
degasatore (alta pressione)
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%Q
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Scambiatore a miscela (Degasatore) - 1
La rigenerazione si può
effettuare anche con uno
scambiatore a miscela
Le due portate (spillamento
ed acqua di alimento) sono
miscelate in proporzioni tali da
ottenere le condizioni di
saturazione (liquido sotto;
vapore sopra); il liquido
estratto non è sottoraffreddato
La pressione dell’acqua di
alimento e quella dello
spillamento devono essere
uguali
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Scambiatore a miscela (Degasatore) - 2
Lo scambiatore a miscela è vantaggioso per l’eliminazione delle
superfici di scambio
Lo scambio termico convettivo è sostituito da un processo di scambio di
massa
Il processo di trasporto di massa (condensazione della portata dello
spillamento) risulta tanto più efficace quanto più - a parità di volume - si
aumenta la superficie di separazione (interfaccia) tra le due fasi liquido e
vapore. Si ricorre a diverse soluzioni:
Spray La portata di acqua
di suddivide in gocce minute
Vassoi multipli Si dispone la portata
di acqua in film di ridotto spessore
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Scambiatore a miscela (Degasatore) - 3
L'estrazione dei gas incondensabili disciolti
nell'acqua di alimento é una funzione
fondamentale dello scambiatore a miscela,
che viene spesso denominato Degasatore
Gas incondensabili sono di norma
nell'acqua di alimento a causa di ….
presenti
Infiltrazioni
di aria attraverso le tenute d'albero del
corpo di bassa pressione
– la pressione é inferiore all'atmosferica
Infiltrazioni
di aria al condensatore in depressione
Dissociazione
di H2O per effetto termico
I fenomeni precedenti avvengono in quantità limitata
Essendo
il circuito chiuso, si ha un progressivo
accumulo degli incondensabili
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Scambiatore a miscela (Degasatore) - 4
Il principio operativo del degasaggio si basa sulla legge di Raoult:
In condizioni di equilibrio, la pressione parziale di un gas risulta la stessa nella fase
vapore e nella fase liquida, facendo riferimento ad un recipiente contenente un
fluido in condizioni di saturazione.
La
pressione parziale del gas è proporzionale alla sua concentrazione volumetrica xi = pi/p
Riducendo
la concentrazione di incondensabili nella fase vapore, tramite l’ estrazione o scarico
spontaneo per differenza di pressione, si ottiene una diminuzione della pressione parziale del gas
nella fase vapore che a sua volta induce un abbassamento della concentrazione nella fase liquida
In
realtà, le condizioni di equilibrio non possono essere raggiunte nel degasatore di un impianto
reale; questo infatti presenta volume finito ma é interessato da flussi in ingresso ed uscita, ovvero il
tempo di permanenza media del liquido da degasare al suo interno è limitato
Il
degasaggio risulta comunque parziale. A seconda dell’entità della pressione di esercizio del
generatore di vapore si interviee con altri mezzi per un degasaggio più efficace (es. degasaggio
chimico mediante Idrazina, per impianti a vapore supercritici).
Parte
del degasaggio viene anche effettuata (in misura però meno efficace) nel condensatore
mediante gli “Eiettori di vapore” .
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Bilancio termodinamico del degasatore
Nel degasatore le fasi liquida e gassosa sono in equilibrio (cond. di saturazione)
La portata dello spillamento è esattamente quella necessaria per mantenere le
condizioni di saturazione nello scambiatore a miscela (liquido saturo nella parte bassa e
vapore saturo in alto)
La portata dello spillamento é data dal bilancio:
m hA + ma haa = (m + ma) hls
hA:
E' possibile calcolare la portata da spillare m.
entalpia vapore spillato (surriscaldato)
»nota dall'intersezione tra la linea
di espansione e l'isobara di spillamento
haa:
entalpia acqua di alimento
(sottoraffreddata)
hls:
entalpia del liquido saturo
alla pressione di esercizio
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Il degasatore nell’ impianto -1
Il degasatore assolve anche alla funzione fondamentale di
separare la linea di acqua di alimento in due tratti
Bassa pressione
A
monte del degasatore
Pressione di esercizio coincidente con quella del degasatore
– Ad esempio 5 bar
Alta pressione
A
valle del degasatore
Pressione di esercizio coincidente con quella di ingresso
caldaia
– (Ad esempio 200 bar)
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Facoltà di Ingegneria
Il degasatore nell’ impianto -2
La divisione in bassa ed alta pressione conviene perché…..
Si
evita di realizzare in un’unica pompa la compressione del liquido
dalle condizioni di vuoto al condensatore fino alla pressione massima
del ciclo
– Per esempio Compressione da 0.05 bar a 200 bar
– Le pompe di estrazione condensato possono incontrare seri problemi di
Cavitazione
» La condensa nel pozzo caldo del condensatore é in condizioni di saturazione
» È difficile ottenere buone prestazioni in termini di assenza di cavitazione con
elevatissime pressioni di mandata (esigenze progettuali in contrapposizione
tra di loro)
– Conviene effettuare la compressione mediante due pompe in serie
» La pompa di estrazione condensato (che pressurizza il liquido fino alla
pressione del degasatore)
» La pompa di alimento
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Il degasatore nell’ impianto -3
La divisione in bassa ed alta pressione conviene perché…..
Nel
tratto di bassa pressione si possono realizzare scambiatori
rigenerativi a superficie con soluzioni costruttive economiche
– Tipiche dell'impiantistica idraulica a bassa pressione
» Recipienti in pressionecon spessori del mantello limitati e coperchi imbullonati,
materiali economici, etc
– Nel tratto di alta pressione, si deve invece fare ricorso a materiali di pregio,
con forti spessori del metallo, e sistemi complessi di tenuta ad autoclave
Si
ha la possibilità di recupero al degasatore dei drenaggi caldi dagli
scambiatori rigenerativi di alta pressione
– Altrimenti si dovrebbe:
» Reiniettare i drenaggi mediante una pompa ad alta pressione
» Ricircolare i drenaggi al condensatore (con minore effetto di recupero termico)
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Condensatore -1
Il condensatore :
1) Attua lo scarico di calore nell’ambiente (sorgente inferiore)
trattandosi
di una transizione di fase, tale trasformazione é isoterma
2) Condensa il vapore recuperando il fluido di lavoro (circuito chiuso)
importante
in impianti ad alte prestazioni
–L'acqua di alimento
(demineralizzazione).
é
soggetta
a
trattamenti
chimico-fisici
costosi
3) Abbassa la pressione di scarico della turbina a vapore fino alle
condizioni di vuoto tecnicamente raggiungibili
Si
aumenta così considerevolmente il lavoro utile e rendimento del ciclo
Valore
tipico di temperatura di saturazione circa 35°C, pressione di
saturazione corrispondente 5kPa (0.05bar)
4) Effettua una rimozione dei gas incondensabili dal fluido di lavoro.
Le condizioni di vuoto al condensatore possono essere mantenute mediante
il raffreddamento dello stesso (scoperta di Watt, inizio 1800) purché il fluido di
lavoro sia acqua pura senza gas disciolti
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Bilancio termico del condensatore -1
La temperatura di ingresso dell’acqua di
raffreddamento Tri dipende dalle condizioni
ambientali (es. Tri =20°C)
Salto di temperatura dell’acqua di raffreddamento
(Tru -Tri )
”Range del condensatore”
Dipende da problemi ambientali:
–Non si può riscaldare eccessivamente l’acqua
di un fiume o del mare
–Per esempio (Tru -Tri ) = 10°C
Il condensatore é – di norma –
uno scambiatore a superficie,
con il fluido più caldo che
effettua una trasformazione a
temperatura costante
(transizione di fase)
Differenze terminali di temperatura DTI e DTU
Diminuendo
DTU (uscita)
–Si riduce la temperatura di condensazione
»Maggior rendimento dell’impianto
–Aumenta la superficie di scambio termico
»Maggiori costi di investimento
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Bilancio termico del condensatore -2
Determinazione temperatura di saturazione:
Tsat=Tru+ DTU = Tri+ (Tru - Tri) + DTU
Esempio:
Tsat=20°C+10°C+5°C = 35°C
Trasformazione isotermobarica psat(35°C)=0.056 bar
Alla temperatura di saturazione equivale una
pressione (Clapeyron)
Per diminuire la pressione al condensatore, è possibile:
Diminuire la temperatura dell’acqua di raffreddamento (Dipende dalle condizioni ambientali)
Diminuire il salto di temperatura dell’acqua di raffreddamento (Aumenta la portata di acqua
richiesta)
Diminuire il valore di DTU (Aumentano le superfici di scambio termico, maggiori costi di
investimento)
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Bilancio termico del condensatore -3
Determinazione della portata di acqua di raffreddamento mr:
vap_in
mvap·(hvap_in-hcond_out)= mr·cp· (Tru - Tri) mvap·x·r =mr·cp· (Tru - Tri)
– Salto di temperatura dell’acqua
– Calore specifico dell’acqua
ri
(Tru - Tri) =10°C
ru
cp=4.186kJ/kgK=1.0kcal/kg°C
– Calore latente di vaporizzazione
kJ/kg
– Titolo di fine espansione
r=r(Tsat=35°C)=2418
x=0.90
cond_out
mr/ mvap=52
-Elevata portata di acqua di raffreddamento
–Aumentando il salto di temperatura dell’acqua, diminuisce la portata di raffreddamento (Limiti
di impatto ambientale)
Riferendosi ad un impianto della taglia standard 320 MWe
–portata di vapore al condensatore di circa 850 t/h
–la portata di refrigerante é dell'ordine dei 44000 m3/h (!!)
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Calcolo della superficie di un condensatore
Il condensatore é uno scambiatore di calore con fluido condensante
all'esterno delle tubazioni
L'equazione complessiva dello scambio termico è:
Q=K·S·∆Tml
K
è il coeff. Globale di scambio termico riferito alla superficie esterna della tubazione
–Il valore è relativamente elevato (1000-5000 W/m2K)
(convezione est./int.+ conduzione)
–la superficie esterna della tubazione è investita trasversalmente da un film condensante
(elevato coefficiente di convezione esterna)
–All'interno (dove passa l’acqua di raffreddamento), si ha un liquido con velocità fino a 2 - 3
m/s; al di sopra si instaurano forti vibrazioni.
–Sono disponibili diverse correlazioni per la stima di K
Le equazioni introdotte
–S è la superficie: S = N π De L
sono utilizzabili sia per il
progetto, sia per l’analisi
–N = numero di tubi, De diametro esterno; L lunghezza
del
funzionamento
in
∆Tml è da differenza di temperatura medio-logaritmica
condizioni diverse dalle
–∆Tml=[(Tsat-Tri)-(Tsat-Tru) ] / ln[(Tsat-Tri)/(Tsat-Tru)]
progettuali
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Tipologia costruttiva del Condensatore a superficie -1
Il condensatore a superficie é il più
comune per le grandi taglie di impianto
Il vapore entra attraverso un ampio condotto
di raccordo allo scarico della turbina
il
volume specifico del vapore é molto alto
È opportuno garantire grandi sezioni di
passaggio, per contenere la velocità e le
perdite di pressione
Il vapore investe le tubazioni percorse
internamente dall'acqua refrigerante
Caratteristiche
tubazioni
– Lunghezza da 8 a 10 m
– diametro compreso tra 15 e 30 mm
– numero tubazioni molto elevato (fino a 25000)
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Tipologia costruttiva del Condensatore a superficie -2
Il vapore forma film di liquido condensante sul lato esterno delle tubazioni
Il condensato viene raccolto per gravità nella parte più bassa ("Pozzo caldo“)
Il condensato viene aspirato dalla pompa di estrazione.
Il refrigerante viene distribuito all'interno delle tubazioni mediante
casse d'acqua disposte alle estremità del condensatore
Sono diffuse circuitazioni ad “U”
Ingresso
del refrigerante nella parte alta ed uscita dallo stesso lato nella parte
bassa
Consentono un miglioramento dell'effetto degasante
Spesso le casse d'acqua sono divise in due secondo un piano
verticale
Ciò semplifica le operazioni di manutenzione evitando le fermate
dell'impianto
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Acqua di raffreddamento -1
Portate di raffreddamento elevate
Sono necessarie pompe di circolazione con potenze
significative
Si possono avere problemi di disponibilità del refrigerante.
Il
refrigerante viene utilizzato in circuito aperto
– E’ necessaria un’ampia disponibilità di refrigerante
– le centrali termoelettriche sono spesso ubicate vicino ad un grande fiume o
in prossimità del mare.
» Nel caso di acqua marina o salmastra insorgono anche problemi di corrosione.
– È necessaria un'accurata progettazione dell'opera di presa e restituzione
» ad esempio la normativa italiana prevede una differenza di non più di 3°C a
distanza di 1 km monte/valle della centrale ubicata su di un corso d'acqua
» difficilmente è possibile derivare per la refrigerazione dei condensatori portate
superiori ad 1/4 circa della portata di magra del corso d'acqua
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Acqua di raffreddamento -2
Alternative al circuito aperto:
Lago
artificiale
– Occorre un'area geologicamente adatta alla
formazione di un invaso
– L'acqua refrigerante viene utilizzata in ciclo chiuso
»Il raffreddamento dell’acqua avviene naturalmente per
evaporazione nell'aria attraverso la superficie.
»Per promuovere tale fenomeno nei periodi più caldi può
essere opportuna l'installazione di spruzzatori ("Sprinklers")
che aspirano l'acqua dal bacino e formano dei getti
atomizzati
Torri
di raffreddamento
– Indisponibilità di refrigerante e di ampi terreni per la
costruzione di un invaso
– Consentono il trasferimento del calore all'atmosfera
con un funzionamento basato sull'umidificazione
dell'aria.
– Possono essere a tiraggio forzato (con ventilatore) o
naturale (per effetto della spinta di galleggiamento
dell’aria riscaldata dalla torre)
»Limiti consistenti in climi caldo-umidi
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Condensatore ad Aria
Se non è disponibile acqua, si può usare
l’aria per condensare il vapore
Le superfici sono molto ampie
La pressione al condensatore risulta maggiore
rispetto al caso di un condensatore ad acqua
La
differenza di temperatura media logaritmica fra
aria e vapore è maggiore rispetto alla stessa
temperatura fra acqua e vapore
– A causa della minor capacità di scambiare calore
dell’aria rispetto all’acqua e alle temperature più
elevate dell’aria stessa
– La
soluzione
risente
in
maniera
diretta
dell’evoluzione della temperatura ambiente su scala
stagionale, ma anche giornaliera.
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Eiettori a vapore
Gli eiettori a vapore sono disposti nella parte alta del
condensatore
Gli eiettori a vapore hanno la funzione di rimozione degli
incondensabili che si formano all'interno del circuito
La portata di gas da estrarre e' dell'ordine dello 0.05% della portata
di vapore condensato
Inizialmente il vuoto al condensatore viene creato mediante ...
apposite pompe a vuoto
tramite gli eiettori stessi alimentati da una piccola caldaia a vapore
per i servizi.
Gli eiettori sono delle pompe a getto (ma operanti con fluidi
comprimibili!) alimentate da vapore in pressione
normalmente derivato da uno spillamento
A causa dell'alto grado di vuoto richiesto, gli eiettori sono
spesso a due stadi in serie
Gli eiettori operano indifferentemente sulla totalità della frazione
gassosa
E' inevitabile il trasporto del vapore che satura il gas aspirato
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Generatori di vapore - 1
I Generatori di Vapore di elevata
potenzialità (> 50 t/h) sono costruiti
con la soluzione “a tubi d’acqua”
Dentro al Generatore, si distinguono:
- Una zona ad Irraggiamento ed una
a Convezione
- Un circuito acqua/vapore ed un
circuito aria/fumi (e combustibile)
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Generatori di vapore – Circuito acqua-vapore - 2
• Il circuito acqua-vapore è costituito
dai corpi: Economizzatore (ECO),
Vaporizzatore (VAP),
Surriscaldatore/i (SHI,SHC),
eventuale Risurriscaldatore (RH)
mRH
mV
SHC
RH
SHI
• Il Vaporizzatore è disposto nella zona
ad irraggiamento; gli altri corpi nella
zona a convezione (tranne
l’eventuale presenza di un
surriscaldatore ad irraggiamento)
• A seconda della modalità di
circolazione della miscela
acqua/vapore nel vaporizzatore, sono
possibili soluzioni a Circolazione
Naturale, Assistita o Forzata
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mGAS
mA= mv
ECO
V
A
P
L
Y
U
mAIR
mFUEL
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Generatori di vapore – Circolazione Naturale - 3
C.C
Nello schema della circolazione naturale si
distinguono una tubazione discendente
(esterna) ed una ascendente (interna,
esposta all’irraggiamento), che conducono al
corpo cilindrico (C.C.), dove le due fasi
(vapore ed acqua) vengono separate per
gravità.
La forza fluidomotrice – che serve a
garantire la circolazione della portata mR nel
circuito dell’evaporatore - è assicurata dalla
In regime turbolento le perdite di carico di
differenza di pressione idrostatica, legata
un circuito sono circa proporzionali al
alla spinta di galleggiamento:
quadrato dlela portata. La costante di
2
proporzionalità K [Pa/(kg/s)] dipende dal
=
K
m
d
d
a
R
diametro e rugosità dei tubi, dalle perdite
mR
∆p = (ρ − ρ ) gH
localizzate in gomiti, manicotti, etc....
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Generatori di vapore – Circolazione Naturale - 4
∆pd = (ρd − ρa ) gH = K mR2
ρd è la densità media dell'acqua nella tubazione discendente; poiché
questa non è riscaldata dai gas, ρd può essere assunta pari alla densità
del liquido saturo alla pressione di esercizio.
H è la differenza di quota tra il corpo cilindrico ed il manicotto inferiore di distribuzione e
g è l'accelerazione gravitazionale.
ρa è la densità media della miscela bifase acqua-vapore nella tubazione ascendente. Il
valore da attribuire a ρa é compreso tra la densità ρd del liquido saturo e quella della
miscela acqua-vapore in uscita dal fascio vaporizzatore (ingresso al corpo cilindrico;
per i generatori a circolazione naturale, si produce in genere non più del 1520% in
massa del vapore, per non compromettere l’efficacia dello scambio termico).
Il Corpo Cilindrico, con la notevole massa d’acqua presente e pronta a produrre vapore
in caso di depressurizzazione (apertura della valvola di ammissione alla turbina),
assolve a funzioni importantissime nella semplificazione dell’esercizio della caldaia,
ritardando la necessità dell’intervento della regolazione sulla combustione.
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Generatori di vapore – Circolazione Assistita - 5
SuperHeater
Steam flow
rate
To Turbine
Steam Drum
Economizer
Riser
q
Downcomer
Feedwater
Flow Rate
mR
Pump
Nei Generatori a circolazione assistita, la forza
fluidomotrice per il fascio vaporizzatore (portata di
ricircolo) viene coadiuvata da apposite pompe.
Queste aspirano l'acqua dal corpo cilindrico e la inviano
al collettore di ingresso del vaporizzatore.
Il corpo cilindrico assolve a scopi molteplici:
· è l'elemento di separazione del circuito a ricircolo da
quello principale;
· funge da «polmone» per assorbire le fluttuazioni di
carico, facilitando la regolazione del generatore;
· svolge la funzione di separare la frazione liquida (acqua)
da quella gassosa (vapore), per semplice effetto della
gravità.
Alle pressioni prossime alla critica (oltre 165 bar), la differenza di densità tra vapore ed acqua
diviene però molto piccola, sicchè la separazione per semplice gravità è inefficiente; si ricorre
perciò a separatori a diaframma o a ciclone, che aumentano il costo della soluzione ed
introducono perdite di carico aggiuntive.
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Generatori di vapore – Circolazione Forzata - 6
FeedWater
Pump
ECO
VAP
SH
To
Steam
Turbine
VAP
ECO
SH
FeedWater
Pump
To
Steam
Turbine
Drain
Trap
Nei Generatori a circolazione
forzata, la portata di acqua introdotta
viene vaporizzata in un solo
passaggio. Per pressioni ipercritiche
(>221 bar) il passaggio da liquido a
gas è puntuale ed il vaporizzatore non
esiste; in tal caso, la circolazione
forzata é l’unica soluzione praticabile,
non essendo possibile separare le
due fasi che non coesistono.
Nelle prime soluzioni (caldaia monotubolare «Sulzer») un solo tubo ripiegato più volte costituisce con
continuità i tre corpi. La perdita di carico attraverso la lunghissima tubazione è in tal caso estremamente
rilevante; si ha poi l'inconveniente che, al punto di passaggio tra vapore saturo e fase gassosa, si ha una
forte deposizione di incrostazioni saline che non possono passare nella fase vapore e si depositano sulle
pareti diminuendo il coefficiente globale di scambio, con surriscaldamento eventuale della parete del
tubo. Per impianti di grandi dimensioni sono necessarie comunque soluzioni a due o più tubi in parallelo,
ed esiste il pericolo che i due (o più) lunghi circuiti in parallelo presentino nel tempo resistenze distribuite
(ad es. per incrostazioni) differenziate, e siano di conseguenza attraversati da diverse portate. Al limite
ciò può portare alla crisi termica della tubazione («burn-out»).
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Generatori di vapore – Circolazione Forzata - 7
FeedWater
Pump
ECO
VAP
SH
. Nei Generatori a circolazione
To
Steam
Turbine
VAP
ECO
SH
FeedWater
Pump
To
Steam
Turbine
forzata, la funzione di volano termico,
molto apprezzata ai fini della
regolazione, non é assolta dalla
massa d’acqua del corpo cilindrico.
Sono gli stessi fasci tubieri e le pareti
in refrattario del generatore che
costituiscono la – ridotta – inerzia
termica del generatore di vapore.
Drain
Trap
Le moderne caldaie del tipo «Benson», adatte anche per generatori ipercritici, sono costituite da
pannelli di tubi in parallelo, a loro volta disposti in serie. La presenza di frequenti manicotti di
miscelazione uniforma periodicamente lo stato fisico dei fluidi, ed ha effetti benefici sulla stabilità di
flusso.
Nelle caldaie subcritiche un barilotto di separazione consente uno spurgo salino al termine del
vaporizzatore, più o meno come avviene nelle caldaie dotate di corpo cilindrico.
Nelle caldaie ipercritiche, poiché si ha la scomparsa progressiva della fase liquida, (con deposizione dei
sali, a seguito della minore solubilità nella fase vapore) le incrostazioni saline avvengono in modo
distribuito e sono quindi meno pericolose.
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Generatori di vapore – Circuito aria-fumi
• Sono possibili soluzioni con soli ventilatori prementi
sull’aria (“Caldaia pressurizzata”) o con ventilatori
prementi ed aspiranti (“Tiraggio Bilanciato”)
mRH
mV
SHC
RH
SHI
• La soluzione a tiraggio bilanciato, più onerosa in
termini di energia richiesta dai ventilatori (che
operano sui gas caldi a bassa densità), si impone
nel caso di combustibili solidi o caldaie
policombustibili
• L’aria
comburente,
preriscaldata
da
un
preriscaldatore aria/fumi (“Lyungström”), viene
distribuita ad una cassa d’aria o direttamente ai
bruciatori (fino a 30, su più piani, in caldaie di
elevata potenzialità)
mGAS
mA= mv
ECO
V
A
P
L
Y
U
mAIR
mFUEL
• Il Lyungström è necessario per abbassare la
temperatura dei gas al camino; infatti l’acqua arriva
all’Ecomizzatore preriscaldata dagli spillamenti
(fino anche a quasi 300°C).
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Generatori di vapore – Corrosione
La corrosione nei generatori di vapore è di due tipi:
a bassa temperatura sui corpi economizzatori, sui preriscaldatori d'aria e camini.
ad alta temperatura in corrispondenza dei fasci surriscaldatori.
La corrosione a bassa temperatura ha luogo sulle superfici metalliche a contatto con i
gas di combustione che presentino temperature uguali o poco inferiori alle temperature di
condensazione del vapore contenuto nei gas (condense corrosive o rugiada acida). E’
principalmente legata alla presenza di Zolfo nel combustibile, che dà luogo con la
combustione a SO2, SO3 e quindi H2SO4. Per evitarla, occorre emettere i gas al camino al
di sopra della temperatura di rugiada acida (variabile tra 60°C per gas naturale, e 120°140°C per carboni ad alto tenore di zolfo).
La corrosione ad alta temperatura è anch’essa legata alla presenza di zolfo nel
combustibile; ma è anche complicata da altre impurità, come metalli alcalini (Na, K) e
Vanadio. Tali sostanze formano nelle ceneri sali come Na2SO4, K2SO4; ne abbassano
anche il punto di fusione, per cui le ceneri si depositano sulle pareti (raffreddate) dei fasci
tubieri e formano incrostazioni difficilmente rimovibili; l’aggressione alle superifici metalliche
è molto forte. Occorre pertanto evitare la deposizione di ceneri fuse nella zona a
convezione, limitando la temperatura del vapore surriscaldato al di sotto di 550°C circa.
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Generatori di vapore – Rendimento - 1
Poichè il rendimento dei generatori è elevato (0,85 – 0,94), conviene determinarlo
nelle prove con Metodo Indiretto, calcolando l’entità delle perdite principali:
L1r
L2r
L3r
L4r
L5r
L6r
&
&
η i = (m c H i ) − ∑ L i / (m c H i ) = 1 − ∑ L ir /H i
i
i
&c =m
& fuel
m
Perdita per calore sensibile allo scarico (gas secchi)
Perdita per umidita' del combustibile
& v ∆H v ) + (m
& RH ∆H RH )] / (m
& fuel H i )
ηd = [(m
Perdita per umidita' dell'aria comburente
Perdita per carbonio incombusto
Perdita per combustione incompleta L1r Perdita per calore sensibile allo scarico (gas secchi)
mgd/mc (portata di gas secchi per unita' di combustibile)
Perdita radiativa.
αd rapporto in massa tra aria secca e combustibile
L1r = mgdcpg (Tgu - Tai)/mc
kJ/kgc
= (αd + 1-R-M-9H) cpg(Tgu - Tai)
αd = (1+e) αst
R (ceneri e residui generici per kg di combustibile)
M (umidita' del combustibile, pari ai kg di H2O per unita' di peso)
9H = 9 volte il contenuto in massa di idrogeno molecolare per
unita' di peso del combustibile: ogni 2 kg di idrogeno producono
circa 18 kg di acqua.
αst valore stechiometrico; e eccesso d’aria nella combustione.
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Generatori di vapore – Rendimento - 2
L2r Perdita per umidita' del combustibile
L2r = (M + 9H) (hsu - hai)
kJ/kgc
Si noti che l'acqua si presenta sotto forma di vapore
in uscita, e di liquido in ingresso. Pertanto la perdita
è rilevante, in quanto comprende il calore latente di
vaporizzazione (circa 2440 kJ/kgH2O)
M + 9H kg di acqua per unita' di peso di combustibile (umidita' + acqua di formazione),
hsu entalpia del vapore surriscaldato a temperatura Tgu e pressione parziale di equilibrio nei gas
combusti,
hai entalpia dell'acqua in ingresso alla temperatura Tai.
L3r Perdita per umidita' dell’aria comburente
Questa perdita è di regola molto inferiore
a quella per umidità del combustibile, in
quanto l’H2O entra ed esce dal sistema
L3r = αd ω cps (Tgu - Tai)
kJ/kgc
sotto forma di vapore (la perdita non
comprende il calore latente di
ω umidita' specifica dell'aria in kg di H2O / kg di aria secca; vaporizzazione)
cps calore specifico del vapore (pari a 1.926 (kJ/kgK)).
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Generatori di vapore – Rendimento - 3
L4r Perdita per carbonio incombusto
L4r = Cr HC = 32778 Cr
kJ/kgc
Tale perdita può essere rilevante se nelle ceneri c’è
una percentuale elevata di C incombusto; per
evitarlo, si ricorre in molti sistemi al ricircolo delle
ceneri nella zona di combustione.
Cr percentuale in massa di carbonio nel residuo per unità di peso di combustibile
HC potere calorifico del carbonio
L5r Perdita per combustione incompleta
L5r = [%CO / (%CO + %CO2)] (28.01/12.01) Cb HCO =
≅ 23630 Cb [%CO / (%CO + %CO2)]
kJ/kgc
Questa perdita aumenta al diminuire
dell’eccesso d’aria e. E’ pertanto in
controtendenza rispetto ad e con la
perdita per calore sensibile L1r
%CO, %CO2 percentuali volumetriche delle due specie nei prodotti secchi di combustione
28.01 e 12.01 : pesi molecolari di CO e di C;
Cb percentuale in massa di carbonio per kg di combustibile che partecipa alla reazione di combustione
(Cb = 1- Cr )
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Generatori di vapore – Rendimento - 4
L6r Perdita per irraggiamento
Questa perdita – che
ne congloba altre
secondarie – viene di
norma calcolata
utilizzando abachi o
con riferimento alle
norme UNI-CTI.
La perdita per
irraggiamento cala al
crescere della
potenzialità del
generatore; risulta
superiore ai carichi
parziali.
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