CARATTERISTICHE DELLE MIGLIORI CALDAIE INDUSTRIALI
La caldaia industriale serve per trasferire calore da una sorgente primaria di energia ad un fluido termovettore (liquido o gas), grazie all’integrazione di un combustore interno al fine di garantire i processi necessari per la produzione industriale o per riscaldare gli ambienti.
L’interazione tra energia e materia coinvolge tutti i processi che avvengono in natura ed è quindi difficile immaginare un settore che non abbia a che fare con le scienze termiche.
L’energia esiste in varie forme. Il calore generato dalle caldaie industriali è una forma di energia che è capace di trasmettersi da un sistema ad un altro grazie ad una differenza di temperatura.
I principi della termodinamica, che riguarda gli stati di equilibrio, costituiscono la struttura logica per comprendere la trasmissione del calore, la scienza che coinvolge sistemi non in equilibrio termico e che studia la potenza degli scambi energetici, cioè la quantità di energia termica che si trasmette nell’unità di tempo.
Una caratteristica fondamentale delle caldaie industriali, infatti, è proprio la potenza termica trasmessa.
CLASSIFICAZIONE DELLE CALDAIE INDUSTRIALI SECONDO IL PASSAGGIO DI STATO DEL FLUIDO
Le caldaie industriali si suddividono principalmente in base ad una fondamentale caratteristica: se avviene o non avviene il passaggio di stato del fluido. Nel primo caso, con l’ebollizione del fluido si parla di generatore di vapore (o caldaia industriale a vapore), nel secondo caso, invece, ci si riferisce principalmente alle caldaie ad acqua calda e ad olio diatermico, le migliori in commercio, dove non si verifica il cambiamento di fase.
I fluidi termovettori, che sono i mezzi utilizzati per trasportare l’energia termica, sono di vario tipo, ma l’acqua liquida (calda e surriscaldata), il vapore (saturo e surriscaldato) e l’olio diatermico sono i più impiegati in campo industriale. L’acqua rappresenta in assoluto il fluido più largamente utilizzato nei sistemi energetici.
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Parametri da considerare per le caldaie industriali
Le caratteristiche principali da tenere in considerazione quando si parla di caldaie industriali sono:
- portata e pressione massima (più l’impianto è complesso, più questi valori diventano importanti; la pressione è cruciale nei generatori di vapore);
- il volume totale del fluido che il corpo caldaia è in grado di contenere;
- tipo di partizione dei fasci tubieri (a tubi di fumo o a tubi d’acqua);
- rendimento (efficienza in termini di consumo elettrico e gas naturale);
- emissioni di gas nell’atmosfera (gli ossidi di azoto NOx, principali inquinanti atmosferici nei processi di combustione);
- gestione operativa (es. monitoraggio tramite sensori termici) e manutenzione;
- trattamento dell’acqua (per evitare incrostazioni, corrosioni, schiume e depositi).
Caratteristiche e funzionamento delle caldaie industriali
Tutte le caldaie industriali sono composte da un bruciatore, che gestisce la fiamma, e un corpo caldaia, dove si trovano la camera di combustione e i fasci tubieri, i quali seguono percorsi diversi a seconda dell’applicazione industriale in questione e si distinguono in tubi di fumo o tubi d’acqua.
Ciò che ha permesso l’evoluzione e il successo dei generatori di vapore è stato il passaggio dalle caldaie a tubi di fumo, come la storica caldaia Cornovaglia, alle caldaie a tubi d’acqua, nelle quali l’acqua convoglia nei tubi lambiti all’esterno dai fumi.
Inizialmente, la caldaia a tubi di fumo era composta da un grande recipiente cilindrico con un solo tubo focolare. Per accrescere la superficie di scambio, e quindi la potenzialità delle caldaie a vapore, con il tempo si è aumentato il numero di tubi focolari fino a giungere ad una architettura chiamata a tubi di fumo. Tale tipologia, oggi nota col nome di caldaia marina, viene adottata frequentemente per le caldaie di riscaldamento.
I limiti alla potenzialità, derivanti dall’impiego di grossi corpi in pressione, sono stati superati mediante l’adozione di architetture di caldaia molto diverse, dette a tubi d’acqua: il liquido vaporizzante a pressione elevata viene confinato in tubi di piccolo diametro lambiti esternamente dai prodotti della combustione.
L’importante cambiamento concettuale di invertire il passaggio dei fumi e dell’acqua ha permesso il cambiamento di fase all’interno dei tubi, favorendo la circolazione e consentendo di aumentare la pressione di esercizio.
Il processo per generare vapore si sviluppa lungo un circuito che si suddivide in 3 fasi:
Combustione
Per ciò che riguarda il rendimento di una caldaia industriale, il tipo di combustibile che viene usato per riscaldare il fluido termovettore gioca un ruolo fondamentale.
La combustione è una reazione tra un combustibile e un comburente dalla quale si libera una quantità rilevante di energia. L’energia chimica di un combustibile fossile viene convertita in energia termica, che può servire per il riscaldamento oppure può convertirsi in energia meccanica grazie alle turbine.
L’utilizzo del gas naturale è molto diffuso, soprattutto nelle caldaie a tubi di fumo, dove i valori di potenza e pressione sono limitati, tipicamente inferiori a 20 bar, a differenza delle caldaie a tubi d’acqua, dove i valori di pressione arrivano fino a 160 bar.
Le caldaie a tubi di fumo, infatti, trovano largo impiego nei processi produttivi in settori quali l’industria alimentare, tessile e ospedaliera: il gas naturale è il combustibile ideale per queste applicazioni, in quanto garantisce alta efficienza e bassi costi.
Le caldaie a tubi d’acqua sono generalmente più grandi e possono produrre vapore bruciando carbone o combustibili fossili, come nel caso delle centrali elettriche, dove vengono utilizzate per alimentare grandi turbine.
Percorso acqua-vapore
Il fluido termovettore subisce un passaggio di stato in ogni zona di scambio termico:
- acqua liquida nella zona di economizzatore (ECO);
- miscuglio acqua-vapore saturo nella zona di vaporizzazione (VAP);
- vapore surriscaldato nella zona di surriscaldamento (SH) e di eventuale surriscaldamento (RH).
Il tipo di caldaie a tubi d’acqua più diffuso nelle moderne centrali a vapore è quello ad irraggiamento.
L’acqua di alimento proveniente dall’ultimo spillamento, dopo aver attraversato l’eventuale economizzatore ECO, entra nel corpo cilindrico (separatore di vapore) mescolandosi col vapore proveniente dal collettore superiore, cui fanno capo i tubi vaporizzatori. Questi ultimi formano dei pannelli lungo tutta la camera di combustione e vengono alimentati dai collettori inferiori, anche loro collegati con il corpo cilindrico attraverso un tubo esterno alla camera di combustione.
Il vapore saturo viene prelevato dal separatore ed inviato ai banchi di surriscaldamento SH1- SH2. Il surriscaldatore è la parte più termicamente sollecitata: viene percorsa da un fluido, il vapore surriscaldato, di coefficiente convettivo di trasmissione relativamente basso (rispetto al vapore saturo circolante nei tubi vaporizzatori) e una temperatura di parete estremamente elevata (750°C). Nei tubi vaporizzatori la temperatura di parete è molto più bassa (318°C).
L’economizzatore ECO è ormai presente in ogni tipo di caldaia industriale. Viene anche chiamato scambiatore di calore: recupera il calore dai fumi in uscita per preriscaldare l’acqua in ingresso, consentendo di aumentare il rendimento del 5%.
Per i circuiti con una temperatura inferiore a 50° C, l’installazione di un condensatore permette di aumentare del 10% il rendimento dell’impianto.
Percorso Aria – fumi
L’aria di combustione, che rappresenta il comburente, viene spinta da un soffiante (ventilatore elettrico) nella camera di combustione, preriscaldandosi in uno scambiatore rotante che sottrae calore ai fumi ancora molto caldi seppur uscenti dall’economizzatore ECO. Quest’ultimo, che preriscalda l’acqua, fa escludere la possibilità di recuperare calore dai fumi cedendolo all’acqua e quindi rende necessario il preriscaldamento dell’aria per non diminuire il rendimento del generatore di vapore.
I fumi caldi di combustione vengono prima trattati chimicamente per limitare le emissioni e poi espulsi tramite tiraggio.
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