Generatore di vapore

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Un generatore di vapore, o caldaia a vapore, o semplicemente caldaia è un'apparecchiatura che trasforma l'energia di combustibili in calore e lo rende disponibile in un circuito contenente un liquido provocandone un cambiamento di stato da liquido ad aeriforme, in modo continuo ed in condizioni controllate.

Indice 1 Storia 2 Costruzione 3 Classificazione 4 Cenni sulla regolazione 5 Altri progetti 6 Voci correlate

[modifica] Storia

La prima caldaia di cui si ha notizia è la sfera di Erone, costituita da un recipiente metallico cavo di forma sferica, chiuso salvi alcuni ugelli tangenziali; posta sulla fiamma, l'acqua contenuta vaporizzava e, per effetto dell'espansione conseguente, il vapore fuoriusciva dagli ugelli tangenziali ponendo la sfera stessa in rotazione; si era in presenza quindi di un assieme caldaia - motore a vapore. La sfera di Eliogabalo non ebbe seguito pratico, né vi furono tentativi concreti di sfruttare il vapore fino al tardo XVII secolo; le ragioni di ciò essendo la mancanza di utilizzatori e la mancanza di combustibile adatto (il legno, specie se verde, ha bassissimo potere calorifico e non è adatto alla generazione di vapore se non con particolari accorgimenti, relativamente più recenti).

Nel XVIII secolo, quando iniziarono le applicazioni del vapore come produttore di energia meccanica, si sviluppò anche la tecnologia delle caldaie. Nei primi generatori di vapore, la caldaia era un recipiente metallico, di solito cilindrico, al disotto del quale veniva fatto bruciare il carbone. Questi modelli, non differenti nel principio dalle moderne pentole a pressione (recipiente chiuso posto su una fiamma esterna, con uscita su cui agisce una contropressione controllata), si passò al tipo, ancor oggi usato anche se solo sporadicamente, Cornovaglia (vedi figure 1 e 2), definibili a grande volume d'acqua. Le caldaie da riscaldamento odierne (che però non sono generatori di vapore) sono simili al tipo Cornovaglia. Con l'aumentare dell'uso del vapore, tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX secolo, il semplice focolare della Cornovaglia, che non permetteva grandi superfici di scambio, venne gradualmente sostituito da sistemi a fascio tubiero che, oltre ad aumentare la superficie di scambio, consentivano un migliore controllo del moto convettivo dell'acqua: le caldaie a tubi di fumo, dette anche a medio volume d'acqua (vedi figura 3). Questo è il modello generalmente usato nelle locomotive a vapore. Verso la fine del XIX secolo, nel 1867, gli statunitensi George Babcock e Stephen Wilcox concepirono una caldaia, da loro definita non esplodente in cui all'interno dei tubi, anziché i fumi di combustione, veniva fatta circolare l'acqua da vaporizzare, creando così migliori coefficienti di scambio e, dato che si potevano usare tubi più piccoli e tortuosi, maggiori superfici di scambio, ottenendo così caldaie più piccole a parità di produzione; ulteriori vantaggi erano il ridotto volume d'acqua, che consentiva un avviamento molto più rapido, e le dimensioni minori delle parti a pressione, che venivano così ad avere minori spessori (da qui il nome non esplodente). Infine, la caldaia a tubi d'acqua presenta usa superficie assai elevata (rispetto alla tubi di fumo) esposta all'irraggiamento diretto del focolare.

Delle caldaie a tubi d'acqua vennero anche realizzati in quel periodo tipi particolari, in cui la circolazione viene assicurata da una pompa esterna: le caldaie a circolazione forzata, di cui il tipo principale è la caldaia tipo La Mont. Il sistema è oggi largamente usato, specie nelle grandi caldaie destinate all'alimentazione di turbine per produzione di energia elettrica.

Parte dell'evoluzione delle caldaie è dovuta all'evoluzione dei combustibili. Dal legno dei primordi, si è passati al carbone verso il XVIII secolo, e questo è rimasto per un secolo e mezzo il combustibile principe; la combustione avveniva nel focolare (vedi figure), sostanzialmente una griglia, su cui veniva posto il combustibile solido, in modo più o meno meccanizzato e da cui venivano evacuate le ceneri, anch'esse in modo più o meno meccanizzato. Nel XX secolo il carbone è stato gradualmente soppiantato dai combustibili liquidi; ciò ha richiesto la sostituzione del focolare con altri sistemi, in grado di iniettare miscele combustibile liquido - comburente gassoso nella camera di combustione. Tali dispositivi sono detti bruciatori.

[modifica] Costruzione

Si vedano le figure 1, 3 e 4 qui sopra e la figura 5.

Nella caldaia si distinguono essenzialmente:

• il focolare (fig. 1) o il bruciatore (fig. 5), che costituiscono l'organo di ingresso dell'energia termica. Sul focolare, o grazie al bruciatore, si costituisce una miscela quasi perfettamente stechiometrica tra il carbonio ( o altro elemento ossidato) contenuto nel combustibile e l'ossigeno contenuto nell'aria, in modo da realizzare una fiamma tale da trasmettere il calore sia per conduzione termica tramite i fumi caldi di combustione, sia per irraggiamento.

• L'ambiente in cui è presente il focolare (o il bruciatore) è detto camera di combustione. Nel caso di focolari a combustibile solido, è prevista una camera, detta cinerario, solitamente sottostante la griglia deil focolare, in cui si accumulano le ceneri di combustione e da cui queste vengono estratte. La camera di combustione è solitamente in leggera depressione nel caso di combustibile solido; in presenza di un bruciatore la camera è a volte a pressione superiore all'atmosferica.

• il duomo (fig. 1), specifico delle caldaie a tubi di fumo, che è di fatto una camera di calma nella parte alta della caldaia in cui si ottiene una separazione per gravità del vapore (leggero) dalle goccioline d'acqua (pesanti) che vengono trascinate dal vapore stesso.

• il corpo cilindrico (fig. 3 e 4), che nelle caldaie a tubi di fumo è l'involucro contenente la caldaia stessa; in quelle a tubi d'acqua ve ne è di norma due o più, uno inferiore avente la funzione di collettore dell'acqua calda non vaporizzata per favorirne il moto convettivo, e uno o più superiori, dei quali in uno avviene l'evaporazione dell'acqua (e la separazione delle gocce trascinate), e gli eventuali altri hanno funzione simile a quello inferiore. Nelle caldaie a tubi di fumo, la funzione del corpo cilindrico superiore è compiuta dal duomo (vedi sopra). Nelle caldaie di tipo marino a tubi d'acqua è comune porre due corpi cilindrici inferiori e uno superiore, a causa del limitato ingombro in altezza che rende più difficoltoso il moto convettivo.

• il fascio tubiero (non presente nelle caldaie tipo Cornovaglia), ossia un assieme di tubi che collegano, nelle caldaie a tubi di fumo il focolare al camino, e in quelle a tubi d'acqua i corpi cilindrici. Il fascio tubiero ha la funzione di aumentare per quanto possibile la superficie di scambio tra fumi e acqua.

• il camino, condotto esterno di evacuazione dei fumi di combustione esausti.

Oltre a questi componenti di base, si distinguono altre parti essenziali:

• la muratura (vedi fig. 4), un'opera edile solitamente non portante, e costituita da strati diversi di materiali fittili: uno strato di laterizio detto refrattario, resistente alle temperature elevate presenti in caldaia, e in particolare all'ossidazione; uno strato di laterizio o di costituzione diversa, detto isolante o coibente, avente la funzione di evitare le dispersioni di calore all'esterno, e infine, eventualmente, uno strato di finitura portante che può essere a volte sostituito da pannelli metallici o altre coperture. Nelle caldaie a tubi d'acqua, la muratura comprende anche le chicanes interne destinate a definire il giro dei fumi (vedi fig. 4);

• le portelle di ispezione, così dette se realizzate nella muratura allo scopo di evacuare le ceneri o di semplice ispezione visiva, e dette invece passi d'uomo se realizzate nelle parti metalliche;

• il surriscaldatore (vedi fig. 5). Per comprenderne la funzione, si deve considerare che la caldaia come finora descritta produce vapore d'acqua alla temperatura di ebollizione, cioè saturo; se la caldaia è ben fatta il vapore è saturo secco, ha cioè assorbito tutto il calore latente di vaporizzazione possibile. Ma il vapore saturo è adatto solo alla fornitura di calore per condensazione; se inviato in turbina, sarà allo scarico saturo umido e quindi permetterà salti di pressione relativamente bassi. Si fornisce allora ulteriore calore al vapore saturo, in modo di aumentarne la temperatura a pressione costante. Nelle grandi caldaie condizioni normali di fornitura del vapore sono dell'ordine di 250 bar (25 MPa) a 600 °C (873 °K). Per raggiungere queste temperature non è possibile sfruttare la sola conduzione attraverso i fumi, e i tubi del surriscaldatore lavorano normalmente per irraggiamento, sono disposti cioè a vista della fiamma e comunque nel punto più caldo possibile;

• gli economizzatori. Allo scopo di ridurre il consumo di combustibile, si cerca di recuperare anche il calore residuo a bassa temperatura, attraverso apparecchi detti appunto economizzatori. Questi consentono in pratica in preriscaldamento dell'acqua di alimento e dell'aria comburente, in modo da ridurre il calore sensibile da fornire a questi, a scapito del calore usato per la vaporizzazione.

[modifica] Classificazione

Come visto, si possono classificare le caldaie secondo:

• il tipo di riscaldamento (esterno/interno);

• Oggi non esistono, se non per memoria storica, caldaie a riscaldamento esterno per uso industriale.

• il profilo di circolazione dell'acqua e dei fumi (a tubi d'acqua/tubi di fumo)
• la circolazione dell'acqua (naturale, assistita o forzata)
• il contenuto d'acqua in rapporto alla superficie (grande, medio, piccolo, piccolissimo)
• la pressione massima di esercizio
• la produzione massima oraria di vapore
• il tipo di combustibile

Si possono inoltre classificare per:

• tipo di installazione (fissa, semifissa, locomobile, locomotiva)

• La maggior parte delle caldaie sono concepite per uso continuativo e definito, e vengono installate in un punto preciso definito in base a considerazioni pratiche. Sono quindi installate in modo permanente, e possono essere rimosse solo dopo importanti lavori di demolizione. Queste sono le caldaie fisse.
• Alcune caldaie, pur essendo installate in punti definiti da altre considerazioni, hanno una relativa facilità di spostamento; tipicamente la caldaia in quanto tale è un monoblocco completo di accessori, esclusi l'alimentazione del combustibile ed eventualmente accessori esterni quali il camino. Queste sono le caldaie semifisse.
• Esistono poi caldaie che contengono in se tutti gli accessori necessari al funzionamento, incluso un serbatoio del combustibile (solido, liquido o gassoso), e che spesso hanno mobilità facilitata, essendo montate su ruote e quindi trainabili; utilizzate ad esempio per usi di cantiere. Queste caldaie sono delle locomobili.
• Infine, una caldaia locomobile in cui l'energia di spostamento è data dalla caldaia stessa grazie all'installazione di un motore a vapore è detta locomotiva. Ne è ovviamente un esempio la motrice a vapore dei treni

• tipo di focolare (a combustibile solido, a combustibile liquido).

Vale la pena di citare anche le caldaie a recupero. Molti processi industriali avvengono con forte sviluppo di calore, sia prodotto dal processo stesso, come la combustione dello zolfo per la produzione di acido solforico, sia apportato dall'esterno al processo, come la fusione dell'acciaio in cubilotti e forni elettrici. Da questi processi si liberano dei fumi a temperature elevate, che possono essere raffreddati facendo cedere loro calore all'acqua, che quindi vaporizza in una vera e propria caldaia. La particolarità di queste caldaie a recupero è la mancanza di focolare o bruciatore.

Un caso particolare di caldaia a recupero è quello presente nelle centrali elettriche a ciclo combinato. In queste, parte dell'energia elettrica viene prodotta da alternatori collegati a motori endotermici, di solito turbine a gas ma anche grandi motori alternativi marini. I fumi di combustione uscenti dai motori passano in una caldaia a recupero, in cui si riesce ancora a produrre vapore a discrete pressioni (50 - 60 bar), che può essere inviato a turbine a vapore, che a loro volta azionano altri alternatori.

[modifica] Cenni sulla regolazione

Un particolare tipo di regolazione del livello di liquido nel corpo cilindrico di un generatore di vapore è la cosiddetta regolazione a tre elementi. Le tre variabili controllate (che rappresentano appunto i tre elementi) sono: il livello stesso, la portata di vapore e la portata di acqua di alimento. In effetti per caldaie poco spinte basterebbe il controllo del solo livello, ma un particolare fenomeno fisico può richiedere fino a tre elementi per avere un'ottima regolazione del livello stesso. Accade infatti che per elevate richieste di vapore da parte delle utenze a valle caldaia, la pressione nel corpo cilindrico cali repentinamente aumentando altrettanto repentinamente l'evaporazione dell'acqua. Tale effetto si traduce nella formazione di grandi bolle di vapore all'interno del liquido, con conseguente aumento apparente del livello all'interno del corpo cilindrico. Tale fenomeno è ovviamente tanto più rilevante quanto meno elevato è il volume d'acqua nel corpo cilindrico e si esaurisce in un transitorio, dopo il quale le variabili tornano a regime se la richiesta di vapore torna stabile. Può accadere però, che in questo transitorio, proprio nel momento in cui la richiesta di vapore aumenta, l'ascesa apparente del livello di liquido nel corpo cilindrico induca la regolazione a diminuire la portata di acqua di alimento, inducendo così nel seguito un sostanziale abbassamento, alquanto rischioso, del livello. È per questo motivo che oltre a controllare il livello stesso, si affina la regolazione controllando anche la portata di vapore e facendo in modo che se questa aumenta vi sia un'azione correttiva sulla portata di acqua alimento (tramite inverter delle pompe o tramite valvola di regolazione) atta ad aumentarla e a compensare quindi l'apparente innalzamento del livello. È possibile quindi inserire un'ulteriore sofisticazione nella regolazione, controllando anche la portata di acqua alimento, ricordando infatti che, parlando di portate massiche, confrontando la portata di acqua alimento e la portata di vapore in uscita dalla caldaia è possibile effettuare un bilancio di massa del corpo cilindrico. Il controllo della pressione del vapore all'uscita della caldaia dipende anche dalla regolazione della combustione, ovvero una regolazione combinata di portata olio combustibile (e gas se mista) e portata aria comburente.

[modifica] Altri progetti

• Wikimedia Commons contiene file multimediali su Generatore di vapore

[modifica] Voci correlate

• Motore a vapore
• Turbina a vapore