www.spiraxsarco.com/it Progetto "Open University" Vapore: Reti di distribuzione AC/02/01 First for Steam Solutions E X P E R T I S E S O L U T I O N S S U S T A I N A B I L I T Y V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e Prima edizione 1999 © Copyright Spirax Sarco s.r.l. Via per Cinisello, 18 - Nova Milanese (MB) 2 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it SOMMARIO SEZIONE 1 - INTRODUZIONE ............................................................................................................... 5 1.1 NOZIONI FONDAMENTALI SUL VAPORE ................................................................................................................................ 5 Circuito tipico di distribuzione vapore 1.2 SCELTA DELLA PRESSIONE DI ESERCIZIO ......................................................................................................................... 6 1.2.1 Distribuzione ad alta pressione 1.3 DIMENSIONAMENTO DELLE TUBAZIONI ............................................................................................................................... 7 1.3.1 Capacità delle tubazioni infunzione della velocità 1.3.2 Spessore delle tubazioni e dimensioni standard Capacità delle tubazioni alle varie velocità Identificazione delle tubazioni con bande colorate 1.4 PORTATE DELLE TUBAZIONI E PERDITE DI CARICO .......................................................................................................10 Esempio 1 Caduta di pressione in funzione della lunghezza della tubazione Capacità delle tubazioni e coefficienti di ΔP (estratto) Tabella dei coefficienti di pressione Esempio 2 SEZIONE 2 - DERIVAZIONI E SCARICHI 2.1 TUBAZIONI DI DERIVAZIONE ....................................................................................................16 ...............................................................................................................................16 2.2 MONTAGGIO DEGLI ACCESSORI E LOCALIZZAZIONE DEI PUNTI DI SCARICO Separatori 2.2.1 Colpi d’ariete Gli effetti dei colpi d’ariete Tubazioni di distribuzione del vapore molto lunghe 2.2.2 Punti di scarico della condensa Installazioni degli scaricatori di condensa 2.2.3 Riduzioni sulle tubazioni del vapore Raccordi di riduzione sulle tubazioni del vapore 2.2.4 Filtri Ristagno di condensa nei filtri e nelle valvole 2.2.5 Derivazioni dalle tubazioni Installazione delle derivazioni 2.2.6 Prese di vapore e tasche di separazione Corretta installazione delle prese di vapore ................................................16 2.3 PERCORRENZE IN SALITA ...................................................................................................................................................... 21 Installazione di tubazioni di vapore a superamento di ostacoli 2.4 DRENAGGIO DI TUBAZIONI DI DISTRIBUZIONE ................................................................................................................. 22 Carichi di riscaldamento/Esercizio (kg) di una tubazione di vapore lunga 50 m 2.4.1 Scaricatori di condensa, tipi 2.4.1.1 Scaricatori termodinamici (TD) 2.4.1.2 Scaricatori a galleggiante 2.4.1.3 Scaricatori a secchiello rovesciato 2.4.1.4 Scaricatori termostatici SEZIONE 3 - DILATAZIONI, SUPPORTI E COIBENTAZIONI .................................................................... 26 3.1 SPAZIO PER LE DILATAZIONI ................................................................................................................................................. 26 Coefficienti di dilatazione (α) 3.1.1 Dilatazione delle tubazioni Diagramma delle dilatazioni di tubazioni di acciaio dolce Pretensione delle tubazioni per permettere le dilatazioni 3 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e 3.2 ACCESSORI PER TUBAZIONI E SUPPORTI ........................................................................................................................ 29 3.2.1 Giunto a ricciolo completo Dilatatore a ricciolo completo 3.2.2 Giunto ad omega Dilatetore ad omega 3.2.3 Giunto di dilatazione in acciaio Dilatatore a scorrimento 3.2.4 Giunto a soffietto flessibile Dilatatore a soffietto flessibile 3.2.5 Uso dei soffietti di dilatazione Installazione dei soffietti 3.2.6 Punti di ancoraggio Punti fissi 3.2.7 Raccomandazioni sulla distanza di installazione dei supporti delle tubazioni Supporti delle tubazioni 3.3 SPURGO DELL’ARIA ................................................................................................................................................. 34 Terminazione di una tubazione di vapore 3.4 RIDUZIONE DELLE DISPERSIONI TERMICHE .................................................................................................................... 35 Emissioni termiche da tubazioni nude Conducibilità termica di materiali di coibentazione 3.5 CALCOLO DELLO SCAMBIO TERMICO ................................................................................................................................ 36 SEZIONE 4 - DOMANDE ......................................................................................................................... 38 4 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it SEZIONE 1 - INTRODUZIONE In questo manuale sono descritti i metodi usati per la distribuzione del vapore dal luogo di produzione al punto di utilizzo. Il luogo di produzione può essere una centrale termica oppure il punto di consegna di un impianto di cogenerazione. Le caldaie della centrale termica possono utilizzare combustibili primari (ad es. nafta pesante, gasolio, gas naturale, carbone ecc.) oppure essere caldaie a ricupero che utilizzano gas di scarico di processi industriali ad alta temperatura, di motori oppure di inceneritori. Qualunque sia il modo di produzione del vapore, un buon sistema di distribuzione è essenziale per assicurare un vapore di appropriata qualità e pressione e nella prevista quantità agli apparecchi utilizzatori finali. Discuteremo inoltre alcune delle scelte che devono essere fatte ed alcune applicazioni che possono presentare problemi arrivando a proporre soluzioni che si sono dimostrate razionali ed efficaci. Vedremo inoltre come sia importante mantenere secco il vapore saturo durante la sua distribuzione per ottenere il massimo risultato nelle applicazioni relative a scambiatori di calore oppure per riscaldamento di ambienti. 1.1 Nozioni fondamentali sul vapore A chi non è molto addentro a questi problemi chiediamo di comprendere che cosa sia un sistema di distribuzione vapore ed un circuito vapore/condensa. Il flusso del vapore in un circuito è dovuto alla condensazione del vapore stesso, la condensazione provoca una riduzione di volume ed una caduta di pressione. Questa caduta di pressione causa il flusso del vapore nelle tubazioni. Il vapore generato da una caldaia deve essere distribuito attraverso tubazioni fino al punto nel quale è richiesta la sua energia termica. All’inizio della distribuzione vi possono essere una o più tubazioni principali le quali convogliano il vapore nella direzione in cui sono localizzati gli utilizzatori. Da queste tubazioni principali sono derivate tubazioni secondarie (generalmente di diametro minore) che sono collegate alle singole apparecchiature che utilizzano il vapore. Allorchè si apre la valvola di caldaia (necessariamente in modo lento) il vapore passa immediatamente dalla caldaia nelle tubazioni principali. Queste tubazioni sono inizialmente fredde per cui il vapore cede parte del suo calore riscaldandole. Anche l’aria circostante le tubazioni è inizialmente fredda, cosicchè le tubazioni iniziano a disperdere energia termica nell’aria. Questa dispersione causa una ulteriore condensazione del vapore (chiamata “carico o perdita di esercizio”) in aggiunta a quella del vapore condensato per il riscaldamento iniziale della tubazione stessa (chiamata “carico di avviamento “ oppure “perdita di riscaldamento”). Il condensato risultante si raccoglie sul fondo della tubazione e viene trascinato sia dal flusso di vapore che per gravità, in virtù di una adeguata pendenza che si assicura alla tubazione lungo la direzione del flusso stesso. Il condensato dovrà quindi essere scaricato dal punto più basso della tubazione principale. All’apertura della valvola di intercettazione del vapore dell’apparecchio utilizzatore il vapore entra nell’apparecchio stesso e viene in contatto con superfici più fredde alle quali cede il suo calore (o entalpia) di evaporazione riscaldando l’apparecchio (carico di avviamento) continuando poi a trasferire energia termica al processo (carico di esercizio) e naturalmente diventa condensato. Vi è quindi un flusso continuo di vapore dalla caldaia per alimentare l’apparecchio e per mantenere questo flusso si deve generare continuamente vapore. La continuità del processo è ottenuta alimentando proporzionalmente la caldaia sia con combustibile che con acqua per integrare quella che è stata trasformata in vapore. 5 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e Vapore Apparecchi di scambio termico Sistema di riscaldamento Condensa Vapore Processo Scambiatori di calore Vapore Acqua di integrazione Pompa alimento Serbatoio di alimentazione Condensa Caldaia Fig. 1.1 Circuito tipico di produzione e distribuzione vapore 1.2 Scelta della pressione di esercizio Il sistema di distribuzione del vapore è il collegamento essenziale fra il sistema di produzione e l’utilizzatore del vapore stesso. Esso deve fornire vapore della migliore qualità alla pressione necessaria ed alla portata richiesta, con le minori possibili dispersioni di energia termica e naturalmente dovrà poter essere realizzato a costi contenuti. Noi sappiamo che per i processi industriali e per il riscaldamento si deve usare vapore saturo secco (e non surriscaldato e tantomeno umido) e questo sarà il nostro obiettivo. La pressione nel sistema di distribuzione del vapore è determinata dalla pressione più alta richiesta dalle utenze nel punto dell’impianto in cui si trovano; dobbiamo tuttavia ricordare che il vapore che fluisce nelle tubazioni perderà parte della sua pressione a causa della resistenza al flusso ed anche perché parte di esso condenserà a causa delle dispersioni di linea. Tutti questi fattori devono essere attentamente considerati quando si decide quale deve essere la pressione iniziale del sistema di distribuzione. Riassumendo, nella scelta della pressione di esercizio dobbiamo considerare la: • Pressione richiesta dalle utenze nel punto di utilizzo • Caduta di pressione lungo la linea (per attrito) • Dispersione di energia termica della linea Noi sappiamo che maggiore è la pressione del vapore, minore è il suo volume specifico. Ne consegue che producendo vapore ad una pressione più elevata di quella richiesta dalle utenze e distribuendolo a questa pressione saranno sufficienti tubazioni di diametro più piccolo a parità di portata richiesta. 6 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it 1.2.1 Distribuzione ad alta pressione Distribuendo vapore ad alta pressione dovremo poi ridurre la pressione nel punto di utilizzo secondo le necessità delle utenze e della tecnologia del processo produttivo. I vantaggi che ne conseguono sono i seguenti: 1. Sono necessarie tubazioni di minore diametro, la cui minore superficie causerà minore perdita di energia termica (si veda la sezione “Calcolo dello scambio di energia termica” e l’influenza dell’aumento di Δt e di Δp). 2. Si riducono i costi delle tubazioni del vapore, sia dei materiali (tubazioni, flange, raccordi, supporti, ecc.) che della manodopera. 3. Si riducono anche i costi delle coibentazioni. 4. Si ottiene vapore più secco nel punto di utilizzo a causa dell’effetto di evaporazione conseguente alla riduzione di pressione. 5. Il generatore di vapore può funzionare a pressione maggiore, corrispondente al suo migliore rendimento. 6. Si aumenta l’energia latente del generatore di vapore, il che permette al generatore stesso di affrontare variazioni di carico senza il pericolo di aumento di pressione oppure di trascinamenti liquidi (si veda la sezione “Generatori di vapore”). 1.3 Dimensionamento delle tubazioni Nel dimensionamento delle tubazioni esiste la tendenza naturale di scegliere il diametro delle tubazioni pari al diametro degli attacchi delle utenze cui collegare l’adduzione del vapore. Si trascura il fatto che spesso queste dimensioni sono previste per condizioni di pressione e di portata diverse da quelle effettivamente usate. Il • • • • delle tubazioni comporta che: le tubazioni costeranno più del necessario si formerà un maggior volume di condensato a causa delle maggiori perdite si avrà scadente qualità del vapore e di energia termica di scambio dovuta al maggior volume di condensato (si veda la sezione “Principi fondamentali del vapore”) si avranno maggiori perdite di energia termica. Ad esempio si è calcolato che il costo di installazione di una tubazione del diametro di 80 mm è superiore del 44% del costo di installazione di una tubazione del diametro di 50 mm che sarebbe stata di capacità adeguata alle necessità. Il costo della coibentazione di una tubazione di 80 mm è del 21% maggiore di quello di una tubazione di 50 mm ed inoltre le perdite di energia termica sono maggiori del 50%. 7 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i Il • • • d i d i s t r i b u z i o n e delle tubazioni comporta: maggiore velocità del vapore, maggiore caduta di pressione e quindi pressione più bassa di quella richiesta al punto di utilizzo insufficiente volume di vapore al punto di utilizzo maggiori rischi di erosione e di colpi d’ariete (quindi inquinamento acustico) dovuti alla maggiore velocità del vapore. Le dimensioni delle tubazioni possono essere scelte sulla base di: • velocità del fluido • caduta di pressione. In ciascuno dei casi sopracitati è buona cosa verificare sia la velocità del fluido sia la caduta di pressione in modo da assicurarsi che i limiti relativi non siano stati superati. Il dimensionamento delle tubazioni secondo la velocità del fluido è basato sul volume totale del vapore fluente nella tubazione (si ricordi che il volume specifico varia al variare della pressione), essendo uguale all’area della sezione della tubazione per la velocità: m3 m = m2 • s s Se conosciamo la portata massica e la pressione del vapore possiamo facilmente calcolare la corrispondente portata volumica (m3/s). Adottando una accettabile velocità del vapore (m/s) possiamo calcolare la sezione della tubazione (e quindi il diametro) richiesta per la portata considerata. 1.3.1 Capacità delle tubazioni alle velocità specifiche Un esempio tipico dell’aumento di capacità delle tubazioni vapore è mostrato a pag. 9 (portate delle tubazioni alle velocità specifiche) dove viene indicato che la capacità delle tubazioni aumenta con l’aumentare di: • Velocità, per le ragioni evidenziate. • Pressione, poiché con l’aumentare della pressione si ha una diminuzione del volume specifico (il vapore quindi occupa meno volume della tubazione). Il diagramma della capacità delle tubazioni è pertanto una guida utile quale primo approccio, essendo basato soltanto sulla velocità del vapore: il campo da 25 a 40 m/s è generalmente adatto a linee di derivazione corte ed una velocità attorno a 15-20 m/s è generalmente adatta alle tubazioni principali di distribuzione. 1.3.2 Spessore delle tubazioni e diametri standard Lo spessore delle tubazioni comunemente usate è basato su quelli formulati dall’American 8 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it Petroleum Institute (API), secondo il quale allo spessore è associato un numero di “schedula”. Queste “schedule” corrispondono alle pressioni nominali delle tubazioni; sono undici: 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 e 160. Ad esempio, per una tubazione di diametro nominale di 150 mm (6 inches) o di diametro minore è specificata la “schedula 40”. Solamente le “schedule 40” e “80” coprono interamente i diametri nominali da 15 mm (1/2 inches) a 600 mm (24 inches). La “schedula” più comunemente usata nelle installazioni di tubazioni di vapore è la “schedula 40” oppure la “schedula 80”. Le norme internazionali riportano le tabelle delle “schedule” mettendo a disposizione del progettista diametri nominali e spessori in millimetri delle tubazioni da utilizzare. Lo spessore delle tubazioni deve essere calcolato usando l’equazione: p•D 20S+p t = dove: t p D S = = = = spessore in millimetri relativo alla pressione interna di progetto pressione interna di progetto in bar (105 N/mm2) diametro esterno della tubazione in millimetri carico di sicurezza di progetto in N/mm2 (MN/m2) Pressione Velocità Bar m/s 0,4 0,7 1 2 3 4 5 6 7 8 10 14 15 25 40 15 25 40 15 25 40 15 25 40 15 25 40 15 25 40 15 25 40 15 25 40 15 25 40 15 25 40 15 25 40 15 25 40 Diametro nominale / diametro interno 15 15,8 9 14 23 10 17 28 12 20 32 18 29 47 23 38 61 28 47 75 34 56 90 39 65 104 44 74 118 49 82 131 60 100 160 80 134 214 20 20,93 15 25 40 18 30 48 21 35 56 31 51 82 40 67 107 50 83 132 59 98 157 68 114 182 77 129 206 86 144 230 105 175 280 141 235 375 25 26,64 2 41 66 29 49 78 34 57 91 50 83 133 65 109 174 80 134 215 96 159 255 111 184 295 125 209 334 140 233 373 170 283 453 228 380 608 32 35,04 43 71 113 51 85 136 59 99 158 86 144 230 113 188 301 139 232 371 165 276 441 191 319 511 217 362 579 242 404 646 294 490 785 394 657 1052 40 40,9 58 97 154 69 115 185 81 134 215 118 196 314 154 256 410 190 316 506 225 375 601 261 435 696 296 493 788 330 550 880 401 668 1069 537 896 1433 50 52,5 95 159 254 114 190 304 133 221 354 194 323 517 254 423 6761 313 521 833 371 619 990 430 716 1146 487 812 1299 544 906 1450 660 1101 1761 886 1476 2362 65 62,7 136 227 363 163 271 434 189 315 505 277 461 737 362 603 964 446 743 1189 529 882 1411 613 1022 1635 695 1158 1853 775 1292 2068 942 1570 2512 1263 2105 3368 80 77,92 201 350 561 251 419 671 292 487 779 427 712 1139 559 931 1490 689 1148 1836 817 1362 2180 947 1578 2525 1073 1788 2861 1198 1996 3194 1455 2425 3880 1951 3251 5202 100 102,26 362 603 965 433 722 1155 503 839 1342 735 1226 1961 962 1603 2565 1186 1976 3162 1408 2347 3755 1631 2718 4348 1848 3080 4928 2063 3438 5501 2506 4176 6682 3360 5600 8960 125 128,2 569 948 1517 681 1135 1815 791 1319 2110 1156 1927 3083 1512 2520 4032 1864 3106 4970 2213 3688 5901 563 4271 6834 2904 4841 7745 3242 5403 8645 3938 6563 10502 5281 8801 14082 150 154,05 822 1369 2191 983 1638 2621 1142 1904 3046 1669 2782 4451 2183 3639 5822 2691 4485 7176 3195 5325 8521 3700 6167 9867 4194 6989 11183 4681 7802 12484 5686 9477 15164 7625 12708 20333 Fig. 1.3.2.1 Tabella delle portate vapore in kg/ora delle tubazioni alle velocità specifiche 9 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e Il materiale delle tubazioni comunemente usato è l’acciaio dolce (grado 620), ma il grado può variare in conformità delle esigenze delle applicazioni. Il carico specifico di progetto deve essere calcolato con l’equazione sopra indicata per avere un’indicazione dello spessore della tubazione, ma può essere reperito sulle norme di unificazione DIN-BS-ecc. riferentesi alle tubazioni per impieghi termici ed in connessione con caldaie. Gli sforzi variano grandemente con la temperatura e questa è un parametro importante per la scelta del carico specifico di progetto. Occorre anche considerare gli sforzi che possono concentrarsi nei punti di ancoraggio delle tubazioni ma, se il progetto è fatto in modo adeguato, ciò può essere trascurato, scegliendo per il progetto dei carichi specifici conservativi. La tubazione inoltre dovrebbe avere uno spessore sufficiente per resistere a stress occasionali oppure per sopportare usi erronei, quale ad es. essere di supporto per pompe/parti di impianto ecc. Spesso è sufficiente il buon senso per valutare se la tubazione da adottare è delle corrette dimensioni! Un sistema comunemente usato per la identificazione dello spessore delle tubazioni è quello di marcare le estremità con bande colorate, come previsto dalle tabelle internazionali di unificazione applicabili a tubazioni di acciaio di grado specifico, con banda rossa per quelle di spessore maggiore e banda blu per quelle di spessore medio. Le tubazioni con banda rossa sono quelle più comunemente usate per la distribuzione del vapore, mentre quelle con banda blu sono più comunemente usate per la distribuzione di aria compressa. I tubi di lunghezza minore di 4 m hanno soltanto una banda colorata mentre quelli di lunghezza compresa tra 4 e 7 m hanno due bande colorate, ognuna delle quali vicina alle due estremità. Le bande colorate sono larghe circa 50 mm. Fig. 1.3.2.2 Tubazioni con bande colorate 1.4 Portate delle tubazioni e perdite di carico Dobbiamo considerare le perdite di carico o di pressione che si verificano nelle tubazioni come conseguenza del flusso. E’ consigliabile l’uso delle tabelle di pag. 12 che permettono di ottenere al riguardo informazioni più accurate e complete. Nelle pagine successive faremo poi alcuni esempi teorici e pratici in modo che si possano capire i criteri usati per il dimensionamento delle tubazioni. Esempio 1 Supponiamo di avere una pressione iniziale di 7 bar ed una pressione di 6,4 bar al termine della tubazione. Il fattore di pressione (P1) rilevabile dalle tabelle per il dimensionamento delle tubazioni è di 56,38 corrispondente alla pressione iniziale e di 48,48 (P2) in corrispondenza della pressione finale. 10 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it P1 P2 Senso del flusso L Fig. 1.4.1 Caduta di pressione in funzione della lunghezza della tubazione P1 - P2 = F (Fattore di perdita di carico) L Se supponiamo che la lunghezza della tubazione (comprensiva di curve e derivazioni ) sia di 263 metri, avremo: P1 - P2 (56,38 - 48,48) = F = = 0,03 L 263 Nota per il docente: I calcoli relativi saranno meglio comprensibili se fatti sulla lavagna con la relativa diapositiva proiettata. I fattori di pressione mostrati sono calcolati con equazioni teoriche (guida CIBSE-C4-67) che usano numeri di Reynolds, viscosità e rugosità delle tubazioni di acciaio. Questi valori sono calcolati entro un certo campo di pressioni e di velocità e quindi sono sufficientemente accurati per l’uso del dimensionamento delle tubazioni di distribuzione vapore. Per esempio, usando la tabella delle portate e dei fattori di caduta di pressione, partendo dalla colonna (F) di sinistra per 0,030 e andando sulla colonna di destra corrispondente vediamo che, per una tubazione di diametro di 65 mm, si ha una portata di vapore di 919 kg (x) con un fattore di velocità (y) di 80,6 m/s. Il fattore di velocità (y) è basato su un volume di vapore di 1 m3/kg e quindi può essere facilmente convertito per avere la velocità reale corrispondete ad altri volumi specifici. y= velocità reale volume specifico attuale Pertanto, se il fattore di velocità (y) = 80,6 m/s e la pressione del vapore è di 7 bar, con un volume specifico di 0,240 m3/kg con il metodo di sostituzione avremo che la velocità reale è di 80,6 • 0,24 = 19,3 m/s 11 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e Diametro nominale (mm) F 15 0.020 x 9.8 20 25 32 40 30.16 63.75 114.7 189.3 50 65 80 100 125 150 411 760.1 1226 2697 4904 7993 12014 17163 23538 31384 50508 y 20.51 29.55 36.07 39.62 46.36 58.27 66.67 75.01 0.025 x 10.99 33.48 70.73 127.3 209.8 459.7 834.6 y 23 32.8 0.030 x 12 36.78 77.23 137.9 229.9 501.1 919.4 y 25.11 36.03 0.08 x 21.1 y 44.1 40.02 43.97 51.39 65.03 43.7 73.2 175 200 92.41 107.5 122.3 135.6 147.3 160 250 172 300 193.3 1367 2970 83.7 101.7 118.9 135 1480 3624 5884 9792 14481 20917 28595 37967 62522 129 149.9 163.5 179.5 47.63 56.31 70.89 80.64 90.62 111.8 5422 225 8817 13296 19332 26357 34750 56581 150.1 165.9 62.3 135 245 402 873 1594 2599 5688 10249 16672 24518 36532 61 76.3 86.7 98.5 124 140 159 195 225 255 277 179.3 194.5 190.5 206.6 216.5 239.3 314 Fig. 1.4.2 Portate e fattori di perdita di carico delle tubazioni (estratto) Pressione ba r g Volume m3 / kg Fattore di pressione 6 6 .1 6 .2 6 .3 6 .4 6 .5 6 .6 6 .7 6 .8 6 .9 7 7 .1 7 .2 7 .3 7 .4 7 .5 7 .6 7 .7 7 .8 7 .9 8 0 .2 7 2 0 .2 6 9 0 .2 6 5 0 .2 6 1 0 .2 5 8 0 .2 5 5 0 .2 5 2 0 .2 4 9 0 .2 4 6 0 .2 4 3 0 .2 4 0 .2 3 7 0 .2 3 5 0 .2 3 2 0 .2 2 9 0 .2 2 7 0 .2 2 4 0 .2 2 2 0 .2 1 9 0 .2 1 7 0 .2 1 5 43.54 44.76 45.98 47.23 48.48 49.76 51.05 52.36 53.68 55.02 56.38 57.75 59.13 60.54 61.96 63.39 64.84 66.31 67.79 69.29 70.8 Fig. 1.4.3 Tabella dei fattori di pressione (estratto) 12 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it Esempio 2 Come esempio pratico usiamo il calcolo della caduta di pressione per determinare il diametro della tubazione principale del vapore di cui alla figura 1.4.4. 195 m + 10% = 214 m lunghezza equivalente della tubazione Batteria di riscaldamento 6,6 bar g 270 kg/h Caldaia 7 bar g 289 kg/h Fig. 1.4.4 Lunghezza Conoscendo la distanza fra una caldaia ed una batteria di scambio termico, noi dobbiamo tener conto della resistenza relativa ai componenti ed agli accessori montati sulla tubazione che li collega. E’ conveniente esprimere il valore di tale resistenza in metri di lunghezza equivalente di tubazione, per cui, ad esempio, una valvola a globo presenta una resistenza al flusso corrispondente a x metri di tubazione diritta. Se fosse conosciuto il diametro della tubazione principale, la lunghezza equivalente da aggiungere alla lunghezza corrispondente alla distanza, relativa ai componenti, sarebbe calcolabile, mentre per il nostro caso è necessario fare delle supposizioni. Se la lunghezza della tubazione fosse maggiore di 100 m ed altresì rettilinea, allora la lunghezza equivalente proporzionale da aggiungere per la raccorderia ed accessori vari potrebbe verosimilmente essere del 10%. Per una tubazione simile, ma di lunghezza inferiore, la lunghezza equivalente da aggiungere potrebbe essere attorno al 20%. Poiché il nostro esempio è relativo al primo caso, alla lunghezza di 195 m aggiungeremo il 10% (19 m) = 214 m. Portata vapore Un’ulteriore supposizione deve essere fatta relativamente alle dispersioni di energia termica della tubazione principale. La batteria di scambio richiede una portata vapore di 270 kg/h, per cui al flusso nella tubazione principale a questa quantità dobbiamo aggiungere la quantità di vapore condensato relativa alle dispersioni. Il diametro della tubazione principale non è ancora stato determinato per cui non è possibile fare un calcolo definitivo della dispersione e quindi della portata vapore necessaria, ma se supponiamo che la tubazione sia coibentata, è ragionevole ritenere suffi- 13 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e ciente l’aggiunta per perdite corrispondenti all’1% della portata ogni 30 m di tubazione. Nel nostro esempio 214 m 1 • = 7,1% 30 m 100 portata vapore all’uscita caldaia = 270 + 7,1 % = 289 kg/h Dalla tabella ricaviamo che i fattori di pressione sono: a 7,0 bar P1 = 56,38 a 6,6 bar P2 = 51,05 e lunghezza equivalente L = 214 m quindi: F= P1 - P2 L = (56,38 - 51,05) 214 = 0,025 Dalle tabelle della capacità delle tubazioni e delle cadute di pressione ricaviamo, per un fattore F = 0,025, che: una tubazione da 40 mm di diametro avrebbe una portata di 209,8 kg/h una tubazione da 50 mm di diametro avrebbe una portata di 459,7 kg/h. Ne consegue che, per il nostro caso, utilizzeremo il diametro di 50 mm. • E’ cattiva abitudine dimensionare una tubazione al limite assoluto della sua capacità, mentre è meglio lasciare un certo margine per compensare sia ogni eventuale errore di progetto che una possibile espansione dell’impianto. • Qualora il valore calcolato di F sia compreso tra due di quelli indicati nella tabella, sarà possibile fare una interpolazione con discreta precisione anche se l’espressione di calcolo dei valori tabulati non è perfettamente lineare. Inoltre, va tenuto conto che le tubazioni sono prodotte soltanto nelle dimensioni standard (come mostrato nella tabella), per cui approssimazioni sono comunque inevitabili. Effettuiamo ora la verifica della velocità. Abbiamo visto precedentemente che i dati di cui alla linea “y” rappresentano i fattori di velocità riferiti ad un volume di vapore di 1 m3/kg. Per una tubazione di diametro di 50 mm la tabella dà un valore “y” di 65 ed una portata di 459,7 kg/h di vapore. Dal momento che la nostra portata è di 289 kg/h di vapore il valore di “y” può essere determinato proporzionalmente, cioè 65 = y 459,7 289 y = 40,86 Poiché il vapore a 7 bar ha un volume (ricavato dalla tabella dei fattori di pressione) di 0,24 m3/kg la velocità reale dell’esempio sopra riportato per una tubazione di 50 mm sarà: 14 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it y= 40,86 = velocità reale volume specifico attuale velocità reale 0,24 velocità reale = 9,8 m/s Si può credere che la velocità di cui sopra sia bassa in confronto con la massima velocità possibile, bisogna però ricordare che la tubazione del vapore è stata dimensionata in modo da limitare la caduta di pressione, poiché alla massima velocità possibile è associata una caduta di pressione molto alta. Vediamo pertanto come avremmo determinato il diametro della tubazione se avessimo invece usato una velocità di 21 m/s. Le pressioni intermedie e le velocità possono essere calcolate in questo modo: y= velocità reale volume specifico attuale Per una velocità di 21 m/s ed una pressione del vapore a 7 bar (volume di 0,24 m3/kg) y= 21 0,24 = 87,5 Possiamo ora scorrere la tabella delle capacità delle tubazioni e dei fattori di caduta di pressione deducendo in quali condizioni 289 kg di vapore possono essere gestiti con un fattore di velocità di 87,5. Le condizioni più prossime sono quelle dalla colonna della tubazione da 40 mm in corrispondenza di un fattore F di 0,08. Usando una tubazione di diametro 40 mm, dato che P1 ed L sono invariati, mediante la formula P1- P2 L = F determiniamo P2 = P1 – (F • L) = 56,38 – (0,08 • 214) P2 = 39,26 Dalla tabella dei fattori di pressione ricaviamo che quanto precede è equivalente ad una pressione leggermente inferiore a 5,7 bar. Se si fosse installata una tubazione da 40 mm anziché una da 50 mm la pressione del vapore alla batteria di scambio termico sarebbe stata ben inferiore alla pressione di progetto! 15 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e SEZIONE 2 - DERIVAZIONI E SCARICHI 2.1 Tubazioni di derivazione E’ importante ricordare che le tubazioni di derivazione sono normalmente più corte delle tubazioni principali, perciò è meno necessario determinare il diametro delle derivazioni sulla base della caduta di pressione. Con una tubazione principale di 250 m di lunghezza, una caduta di pressione limitata a 0,5 bar può essere perfettamente valida perfino se comporta velocità più basse di quelle previste. Con una tubazione di derivazione di 5 oppure 10 m di lunghezza lo stesso criterio di dimensionamento porterebbe a valori di 0,01 oppure di 0,02 bar solamente. Questi valori sono chiaramente insignificanti per cui usualmente si dimensionano le tubazioni di derivazione in modo da avere velocità maggiori anche se ciò può portare a maggiori cadute di pressione che per tubazioni di lunghezza limitata sono certamente accettabili. Spesso si scelgono i diametri delle tubazioni usando tabelle simili a quella riportata a fig. 1.3.2.1 “Capacità delle tubazioni e velocità specifiche del vapore”. Le velocità di 25/30 m/s si utilizzano esclusivamente con tratti di collegamento agli utilizzi molto corti in quanto presuppongono una alta perdita di carico unitaria. La caduta di pressione aumenta sensibilmente quando ci sia una sensibile presenza di raccorderia, giunti, gomiti, ecc. La perdita di carico è variabile in modo più che proporzionale (potenziale) con il diametro di tubazione per cui contenere la velocità in presenza di diametri piccoli od aumentarla con l’aumento del diametro di tubazione. Per lunghezze sensibili limitare la velocità entro i 15 m/s oppure effettuare il dimensionamento con la determinazione delle perdite di carico. 2.2 Montaggio degli accessori e localizzazione dei punti di scarico E’ necessario fare alcune considerazioni sull’appropriato posizionamento ed allineamento delle tubazioni di derivazione e di servizio delle apparecchiature accessorie nonché sugli scarichi o gli sfoghi d’aria. Le tubazioni del vapore non sono un’eccezione. Il vapore in uscita da una caldaia o da altro generatore è spesso più umido di quanto si creda, e nel caso che non si provveda all’eliminazione di questa condensa, nel punto d’utilizzo del vapore si avrà un fluido vettore con una più bassa capacità di scambio termico rispetto a quella che ci si aspetterebbe dal vapore saturo secco. L’uso di un separatore per la rimozione della condensa è indispensabile ed è mostrato nella figura 2.2. Flusso Flusso Separatore Separatore Fig. 2.2 Gruppo per separazione e scarico condensa 16 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it Il dimensionamento dei separatori non è difficile in quanto generalmente si sceglie lo stesso diametro della tubazione sulla quale vanno installati. Il separatore deve essere corredato di uno scaricatore automatico di condensa di tipo meccanico, ad esempio a galleggiante, adeguatamente dimensionato. Il vapore in uscita dalla caldaia condenserà in ragione dell’energia termica dispersa dalla tubazione. La coibentazione ridurrà queste perdite ma anche se la condensazione fosse ridotta al minimo essa rappresenta comunque una quantità finita che, se non rimossa andrà progressivamente accumulandosi. Il condensato si formerà in goccioline le quali, unendosi, diventaranno una pellicola sulla parete della tubazione trascinata dal flusso del vapore. Il condensato si porterà per gravità sul fondo della tubazione, creando in questa zona uno spessore maggiore ed a causa del flusso del vapore si formeranno perfino delle piccole onde, la cui cresta potrebbe essere trascinata dal vapore sotto forma di spruzzi e gocce. Il risultato finale è che l’alimentazione delle apparecchiature di scambio viene effettuata con vapore saturo umido anziché con vapore saturo secco. 2.2.1 Colpi d’ariete L’acqua formatasi per condensazione si raccoglie e ristagna in tutti i punti più bassi della tubazione: ai piedi delle risalite, in corrispondenza di accessori o raccordi male installati ed in ogni avvallamento della tubazione creatosi vuoi per inadeguatezza dei supporti o per il cedimento di punti di ancoraggio. Si forma quindi una ostruzione che viene messa in movimento, sospinta dal vapore, e scagliata violentemente contro il primo ostacolo incontrato a valle, valvola od altro apparecchio o componente come illustrato a fig. 2.2.1.1. Questa massa, in movimento a velocità fino a 30 m/s ed anche più, acquista una considerevole quantità di energia cinetica che viene rilasciata durante l’impatto causando sovrappressioni istantanee, elevata rumorosità e vibrazione: l’insieme è denominato e noto come “colpo d’ariete” che è in grado di danneggiare, spesso anche gravemente, le tubazioni e le apparecchiature connesse. Cedimento linea per inadeguata supportazione Tappo costituito dal condensato Vibrazioni e rumorosità causati dai colpi d’ariete Fig. 2.2.1.1 Gli effetti del colpo d’ariete 17 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e Nei punti più bassi, ovvero ad intervalli di circa 30-50 m di lunghe tubazioni “orizzontali”, bisogna creare dei punti di drenaggio ed installare degli scaricatori di condensa. Si dovrà inoltre assicurare una minima pendenza dei tubi in senso concorde al movimento del vapore in modo da facilitare il movimento del condensato verso i punti di drenaggio. In alcuni casi, con tubazioni di una certa lunghezza, la pendenza necessaria impone degli abbassamenti progressivi di percorso non accettabili; si dovranno così prevedere dei punti di risalita in quota come indicato in figura 2.2.1.2. Le pendenze utilizzate sono molto variabili e comprese in un campo tra il 3 0/00 e 1,5%; possono essere variamente influenzate dal tipo e dal percorso della distribuzione: un valore medio standard suggerito è tra il 4 ed il 5 0/00. Con queste precauzioni si faciliterà il trascinamento del condensato verso i punti di drenaggio effettuato dal movimento del vapore lungo la tubazione. Pendenza 1/250 Vapore Ritorno in quota 30 - 50m Punti di scarico Flusso del vapore Fig. 2.2.1.2 Installazione di una lunga tubazione di vapore 2.2.2 Punti di scarico I punti di scarico costituiti da piccoli fori praticati sul fondo della tubazione vapore di grande diametro ai quali collegare la tubazione di scarico hanno un effetto limitato. Il film di condensa che scorre sul fondo è trascinato dal vapore oltre questi fori. Occorre predisporre dei tronchetti di scarico costituiti da raccordi a T di eguali dimensioni della tubazione principale che si dimostrano molto più efficaci. Essi sono di grande effetto pratico per tubazioni fino a 100 mm di diametro. Per tubazioni di diametro maggiore i tronchetti di scarico possono essere previsti di due o tre misure più piccole fino a giungere a metà del diametro della tubazione principale per le tubazioni di oltre 200 mm di diametro. La lunghezza di questi tronchetti di scarico è generalmente 1,5 volte il diametro ma non inferiore a 200 mm anche con tubazioni di piccolo diametro. La figura 2.2.2 dimostra come sia più efficace lo scarico di condensa con un tronchetto di scarico di grande diametro rispetto ad un tronchetto di piccolo diametro per il quale è evidente l’insufficienza allo scopo. 18 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it Flusso del vapore Condensa Corretto Sezione trasversale Sacca Gruppo di scarico 25/30cm Flusso del vapore Sezione trasversale Sbagliato Gruppo di scarico Fig. 2.2.2 Installazione di scaricatori di condensa L’attacco per lo scarico della condensa è generalmente effettuato a 25/30 mm sopra il fondo del tronchetto di scarico per evitare il trascinamento di scorie nello scaricatore. Inoltre, il fondo del tronchetto può essere flangiato o chiuso con un fondello provvisto di tappo di spurgo. Questo consente alla manutenzione di provvedere alla rimozione delle scorie durante le fermate dell’impianto. Il tronchetto di scarico può anche essere usato per la pulizia e lo spurgo delle tubazioni dopo una fermata dell’impianto. 2.2.3 Riduzioni sulle tubazioni del vapore Dopo le derivazioni dalla linea principale e le relative riduzioni di portata del vapore associate, può risultare economico proseguire la linea principale con un diametro ridotto rispetto al precedente. Le comuni riduzioni concentriche non sono adatte allo scopo perché formano un ostacolo contro il quale si raccoglie il condensato. La figura 2.2.3 mostra come sia preferibile usare una riduzione eccentrica in virtù della quale il condensato può proseguire naturalmente verso il punto di scarico. Vapore Corretto Condensa Vapore Sbagliato Condensa Fig. 2.2.3 Riduzioni di diametro su tubazioni di vapore 19 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e 2.2.4 Filtri I filtri sono accessori necessari per proteggere le valvole di regolazione dall’ingresso di scorie e detriti. Come mostrato dalla figura 2.2.4 i filtri installati con il cestello di filtraggio inferiormente alla tubazione si riempiono di condensa specialmente quando le valvole di regolazione sono chiuse. L’apertura della valvola di regolazione, richiesta dalle variate condizioni di carico dall’apparecchio, provoca il trascinamento della condensa giacente nel filtro verso gli organi di otturazione della valvola stessa; la miscela condensa/vapore a queste alte velocità risulta molto erosiva e può quindi usurare la valvola e comprometterne la tenuta. È questo un vero e proprio fenomeno erosivo causato dalla presenza dell’acqua nel vapore che si muove ad altissima velocità tra sede ed otturatore. Questo fenomeno è esaltato in modo particolare nelle valvole sovradimensionate e spesso è erroneamente imputato all’azione del vapore anziché al condensato. Ciò può essere evitato semplicemente montando il filtro rivolto non sotto la tubazione ma orizzontalmente. D’altro canto però se il vapore è molto umido causa punti di scarico insufficienti “l’erosione” può ugualmente avvenire. Valvola di regolazione Filtro Fig. 2.2.4 Condensato non scaricato nei filtri e nelle valvole di regolazione Anche le valvole a globo montate “normali” rispetto una tubazione orizzontale costituiscono un punto di raccolta della condensa che impedisce al condensato di fluire verso il successivo punto di scarico. Le valvole quindi dovranno essere montate con asse orizzontale od inclinato così che la raccolta di condensa potrà essere notevolmente ridotta o addirittura evitata. 2.2.5 Collegamento delle derivazioni Vapore Vapore Condensa Sbagliato Corretto Fig. 2.2.5 Installazione di derivazioni 20 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it Le derivazioni effettuate dalla parte superiore della tubazione principale permettono di prelevare vapore il più secco possibile. Se la derivazione fosse installata su un lato della tubazione o, peggio, sul lato inferiore essa diventerebbe punto di raccolta della condensa. Il risultato sarebbe quindi che l’apparecchiatura dell’impianto verrebbe alimentata con vapore umido. 2.2.6 Derivazione verso il basso Tubazione principale Valvoladi intercettazione Gruppo di filtraggio e scarico Fig. 2.2.6 Corretta derivazione da una tubazione di vapore Ovviamente si possono avere punti bassi anche nelle linee derivate. La situazione più comune è uno stacco verso una valvola di intercettazione o di regolazione. Il condensato che si accumula a monte di queste valvole sarà, alla loro apertura, trascinato e si mischierà con il vapore. E’ pertanto necessario costituire un punto di drenaggio con relativo scaricatore automatico come mostrato dalla figura 2.2.6. Si noti che la derivazione è stata effettuata dal punto superiore della tubazione principale; siccome l’acqua è più pesante rimarrà sul fondo della tubazione principale proseguendo il proprio cammino e sarà quindi derivato vapore il più secco possibile. 2.3 Percorrenze in salita Non è infrequente dover installare una tubazione di vapore nel percorso della quale si incontrano ostacoli causati dalla conformazione del terreno, costruzioni o strutture da superare per cui non è possibile installare una tubazione orizzontale od in pendenza verso la direzione del flusso come precedentemente visto. Nei casi meno critici può essere sufficiente creare una tubazione di raccordo verticale la cui altezza sia riferita al punto più alto da superare e di qui proseguire con pendenza verso il basso. Vi sono tuttavia casi in cui è solo possibile installare la tubazione con pendenza verso l’alto (piuttosto che verso il basso) in opposizione al flusso 21 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e m 15 30-50 m Velocità del vapore fino a 40 m/s 30-50 m Aumento del diametro della tubazione di modo che la velocità del vapore sia ridotta a 15 m/s Fig. 2.3 Installazione di una tubazione di vapore con superamento di ostacoli creato dal movimento del vapore. E’ opportuno quindi mantenere bassa la velocità ed assicurarsi che la tubazione sia di diametro tale, almeno nella parte in pendenza, da limitare la velocità del vapore a non più di 15 m/s. Similmente nel tratto in contropendenza anche la distanza tra due punti successivi di scarico della condensa dovrà essere ridotta a circa 15 m. Lo scopo è quello di evitare l’aumento di spessore della pellicola di condensato entro la tubazione fino al punto in cui il vapore, che si muove in contro corrente, possa trascinare le gocce di condensato (come abbiamo visto succedere nel caso in cui vapore e condensato fluiscano nella medesima direzione). 2.4 Drenaggio di tubazioni di distribuzione Gli scaricatori di condensa usati per le tubazioni di distribuzione vapore devono essere adatti alla massima pressione prevista ed avere una capacità di scarico sufficiente per scaricare il condensato presente nelle varie situazioni con le pressioni differenziali attuali nelle varie fasi. Il primo requisito non è un problema: la massima pressione prevista se non è un dato già noto può essere facilmente trovato. La quantità di condensato che lo scaricatore deve eliminare nelle condizioni di esercizio (cioè considerando solo le dispersioni di energia termica della tubazione) possono essere calcolate o rilevate con sufficiente precisione dalla tabella “Energia termica per riscaldamento iniziale / esercizio di tubazioni vapore” di cui all’estratto di fig. 2.4. Si deve tener presente che gli scaricatori previsti per il drenaggio del collettore di caldaia spesso sono chiamati a scaricare anche l’acqua trascinata dal vapore in fase di generazione. In questo caso è ragionevole considerare la capacità di scarico dello scaricatore pari a circa il 10% della portata nominale di vapore prodotto dalla caldaia. Per gli altri scaricatori localizzati lungo la linea, mantenendo valido l’intervallo di circa 50 m tra di essi precedentemente raccomandato, la quantità di condensato da scaricare è normalmente coperta dalla portata di uno scaricatore da 1/2" del tipo a bassa capacità. Solo in caso di applicazioni (abbastanza rare) con alte pressioni (oltre i 70 bar) combinate con grandi diametri di tubazione saranno necessari scaricatori con maggiore capacità di scarico. Il problema deve essere considerato con maggiore attenzione quando il sistema venga avviato ed arrestato con una certa frequenza. Le tabelle riportano altresì le quantità di condensato 22 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it formatosi per il riscaldamento della tubazione da freddo alla temperatura di esercizio. Poiché queste cifre sono espresse in unità di massa e non in portata, bisogna tenere conto anche del tempo necessario al riscaldamento del processo. Per esempio se una tubazione è portata alla pressione di esercizio in 20 minuti, la quantità oraria da considerare sarà il triplo delle cifre indicate in tabella (60/20 = 3 volte). Durante la prima fase del riscaldamento la formazione di condensa sarà almeno uguale alla quantità media di cui sopra. Tuttavia la pressione all’interno della tubazione sarà di poco superiore alla pressione atmosferica, forse 0,05 bar. Questo significa che la capacità dello scaricatore sarà corrispondentemente ridotta. Nei casi in cui si hanno frequenti avviamenti del processo la scelta più appropriata può essere quella di uno scaricatore da 1/2" con capacità di scarico normale. Scaricatori più grossi sono inutilmente più costosi e quando si guastano hanno la possibilità potenziale di maggiori perdite di vapore. Pressione vapore (bar g) 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500 600 9 9.5 15.1 19.7 28.1 38.1 49.4 71 105 139 164 216 272 320 436 9.3 11.3 14.1 16.5 20.6 24.5 31.5 39 46.5 51.5 60 64 72 88 9.9 15.7 20.4 29.2 39.6 51.3 77 109 144 171 224 282 332 463 9.8 11.9 14.6 16.9 21.3 25 33 41 49 54 62 67 75 90 10.4 16.5 21.6 30.7 41.7 54.1 81.1 115 152 180 236 298 350 488 10.9 13 15.7 17.7 22.5 26 36 45 53 59 67 73 81 97 10 11 Tubazione principale del vapore (mm) Fig. 2.4 Energia per riscaldamento iniziale / esercizio di tubazioni vapore (kg di vapore per 50 m di tubazione) 2.4.1. Tipi di scaricatori di condensa Nella scelta delle caratteristiche degli scaricatori di condensa per le tubazioni di distribuzione vapore si devono tenere presenti tutti i vari aspetti inerenti l’installazione specifica. Lo scaricatore è destinato a scaricare condensato alla temperatura di saturazione o ad una molto prossima, a meno che non si sia previsto il montaggio con lunghe tasche di raccolta e raffreddamento. Ciò significa che la scelta del tipo di scaricatore è spesso fatta tra quelli di tipo meccanico quali quelli a galleggiante/termostatico od a secchiello rovesciato oppure tra quelli di tipo termodinamico. 2.4.1.1. Scaricatori di tipo termodinamico (TD) Nei casi in cui le tubazioni principali sono installate all’esterno ed esiste quindi la possibilità di danni derivanti dal gelo, è conveniente la scelta di scaricatori di tipo termodinamico poiché anche se l’installazione è tale da lasciare del condensato nello scaricatore alla fermata dell’impianto ed anche nell’eventualità che questo condensato dovesse gelare lo 23 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e scaricatore può essere sgelato e posto in funzionamento senza danni o precauzioni particolari. Lo scaricatore di tipo termodinamico scaricherà più facilmente l’aria se installato con la testa di comando verso il basso, e se è previsto lo scarico per gravità, in questa posizione eliminerà più facilmente il condensato alla fermata dell’impianto. Gli svantaggi in questo caso sono inerenti alla pulizia del filtro, poiché vi è il pericolo che le sostanze trattenute dal filtro ricadano nella tubazione, ed alla possibilità di maggiori usure del seggio poiché per richiudersi lo scaricatore necessita di una più alta velocità del fluido. E’ quindi consigliabile l’installazione degli scaricatori nella posizione normale anziché quella rovesciata utilizzando modelli provvisti di dispositivi che ne potenziano la sensibilità all’aria che saranno particolarmente utili all’avviamento dell’impianto. Fig. 2.4.1.1 2.4.1.2. Scaricatori a galleggiante sferico Gli scaricatori di questo tipo utilizzano l’azione del galleggiante per azionare una valvola a spillo. Si è detto che il galleggiante può schiacciarsi o danneggiarsi a causa di eventuali colpi d’ariete, questo fenomeno è ormai abbastanza raro grazie all’impiego di materiali più adatti e ad una costruzione volta allo scopo. Gli scaricatori di questo tipo sono particolarmente adatti quali scarichi automatici di separatori installati all’uscita delle caldaie od in linea su tubazioni vapore o per altri servizi. Le alte capacità di scarico possibili e la quasi istantanea risposta alle variazioni di carico sono le caratteristiche apprezzate di questo tipo di scaricatore, la cui versatilità di applicazione è molto vasta, dagli scambiatori alle batterie di riscaldamento alle varie apparecchiature di processo, ecc. La funzione dell’elemento termostatico nello scaricatore è di permettere lo scarico dei gas incondensabili contenuti nel vapore. Fig. 2.4.1.2 24 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it 2.4.1.3. Scaricatori a secchiello rovesciato Per la loro robusta costruzione e specialmente per lunghe tubazioni di grande diametro ed in servizio continuo, gli scaricatori a secchiello rovesciato sono i più adatti allo scopo. Speciale attenzione va rivolta all’impiego di questi scaricatori su tubazioni vapore corte e di piccolo diametro poiché si portebbero verificare condizioni di basso carico che portano alla perdita della condensa di tenuta, cosa che causa in definitiva perdite di vapore vivo. La figura 2.4.1.3 mostra uno scaricatore tipicamente usato per lo scarico di condensa dalle tubazioni di distribuzione vapore. Fig. 2.4.1.3 2.4.1.4. Scaricatori di tipo termostatico La figura 2.4.1.4 illustra un tipico scaricatore di condensa termostatico a pressioni equilibrate. Questi apparecchi sono di piccole dimensioni, sono inoltre leggeri e, rispetto alla loro dimensione, hanno grande capacità di scarico. La valvola è completamente aperta a freddo permettendo quindi lo scarico dell’aria all’avviamento ed il massimo scarico di condensato nel momento di maggior carico. Questo tipo di scaricatore non è soggetto a congelamento se montato all’aperto, a meno che la tubazione a valle non sia in risalita formando una colonna di condensa che allagherà lo scaricatore nel momento in cui il vapore verrà intercettato. Fig. 2.4.1.4 25 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e SEZIONE 3 - DILATAZIONI, SUPPORTI E COIBENTAZIONI 3.1 Spazio per le dilatazioni Sebbene tutte le tubazioni siano installate a temperatura ambiente, al passaggio di fluidi caldi quali acqua, vapore od altro si riscaldano assumendo una temperatura prossima a quella del fluido convogliato; a causa dell’innalzamento di temperatura, i tubi sono soggetti a dilatazioni, specialmente in lunghezza. L’entità della dilatazione può essere facilmente calcolata per mezzo della equazione sotto riportata oppure può essere desunta da apposite tabelle. Nei casi in cui uno scaricatore di condensa scarica condensato in una tubazione che è parallela alla tubazione del vapore si deve considerare la differenza delle dilatazioni tra le due tubazioni poiché le temperature del vapore e del condensato saranno molto diverse, in special modo all’avviamento dell’impianto: si verificheranno dei movimenti relativi tra i diversi punti. Il problema della dilatazione è affrontato prevedendo l’ancoraggio delle tubazioni a “punti fissi” ed interponendo elementi flessibili sagomati oppure predisponendo l’inserimento di soffietti, dilatatori, ecc. La sagomatura delle tubazioni consiste nel creare una forma elastica generalmente ad omega (Ω) e comunque dipendente dal diametro e dalla lunghezza della tubazione, in modo che sia possibile assorbire le dilatazioni senza compromettere l’integrità della tubazione stessa. Il problema delle dilatazioni è di particolare importanza nei lunghi percorsi rettilinei mentre è meno pressante per le piccole diramazioni in cui i percorsi sono spezzati da curve e cambiamenti di direzione. Per le installazioni all’interno di edifici, in genere le tubazioni sono costrette a così tante curve o percorsi poco rettilinei per cui possono senz’altro assorbire le dilatazioni che si generano per effetto delle variazioni di temperatura del fluido. La tabella di seguito riportata indica i coefficienti di dilatazione validi per i metalli più comuni usati nella fabbricazione delle tubazioni. Calcolo della dilatazione lineare di una tubazione: Dilatazione (ΔL) = Lo • Δt • α (mm) in cui: Lo 1000 = lunghezza della tubazione tra due “punti fissi” (m) Δt = differenza di temperatura, caldo - freddo in (°C) α = coefficiente di dilatazione, funzione del tipo di metallo 10-6 ( Campo di variazione -30 - 0 della temperatura m m • °C ) 0 - 100 0 - 200 0 - 315 0 - 400 0 - 485 0 - 600 0 - 700 Acciaio dolce 0,1 - 0,2 % C 12.8 14 15 15.6 16.2 17.8 17.5 - Acciaio legato 1% Cr ½% Mo 13.8 14.4 15.1 15.8 16.6 17.3 17.6 - Acciaio inox 18% Cr 8% Ni 9.4 20 20.9 21.2 21.8 22.3 22.7 23 Fig. 3.1 Coefficenti di dilatazione lineare (α) 26 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it 3.1.1. Dilatazioni delle tubazioni In alternativa al calcolo della dilatazione sopra riportato può essere usato il diagramma di fig. 3.1.1.1 che, note la temperatura ambiente e la temperatura del fluido, fornisce i valori di dilatazione in modo sufficientemente accurato. Il diagramma si riferisce a tubazioni in acciaio dolce che è quello più comunemente usato per le tubazioni vapore a bassa/media pressione e temperatura. La geometria di installazione delle tubazioni dovrebbe sempre essere tale da garantire una flessibilità sufficiente ad assorbire le dilatazioni che si generano con il riscaldamento. Nella maggioranza dei casi il percorso di progetto delle tubazioni è tale da garantire una flessibilità sufficiente ad evitare sforzi meccanici indesiderati ma è bene verificare attentamente caso per caso. Per alcune realizzazioni è necessario introdurre artifici od adottare percorsi particolari per acquisire la necessaria flessibilità. Differenza di temperatura °C Lunghezza della tubazione (mm) 100 50 220 200 200 300 400 500 100 50 40 30 20 10 5 10 20 30 40 50 100 200 300 1000 400 500 2000 Dilatazione della tubazione (mm) bar g o C 1 2 3 4 5 7,5 10 15 20 25 30 120 133 143 152 158 162 183 200 214 225 235 Temperatura del vapore saturo Fig. 3.1.1.1 Accorgimenti simili devono essere previsti anche per le tubazioni di scarico condensato in modo che la derivazione sulla tubazione principale effettuata per il montaggio dello scaricatore non sia soggetta a sforzi meccanici indesiderati. 27 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e L Distanziatore Semidilatazione calcolata sulla lunghezza L Posizione pretensione a freddo posizione naturale posizione a caldo Fig. 3.1.1.2 Pre-tensione a freddo L’entità del movimento di una tubazione, che con la dilatazione trascina anche gli apparecchi su di essa montati, può essere ridotta applicando una “pre-tensione a freddo”. Prima di tutto si calcola la dilatazione lineare della tubazione che avviene tra “punti fissi” successivi in funzione delle possibili variazioni di temperatura del fluido. “A freddo”, cioè a temperatura ambiente, è effettuata una pre-tensione alla struttura elastica creata dalla sagomatura della tubazione pari a metà di quella che si verificherà per effetto dell’aumento di temperatura. Nel caso in cui la temperatura di montaggio sia superiore od inferiore alla minima di lavoro occorrerà adeguare di conseguenza la pretensione. La pre-tensione sarà in direzione contraria a quella che si verificherà “a caldo” e si può realizzare agendo sulle flangiature poste fra i vari tronchi della tubazione. In questo modo con metà dell’aumento di temperatura previsto si avrà anche metà della dilatazione e quindi la tubazione assumerà una posizione esente da sforzi meccanici. Alla temperatura di esercizio la tubazione si sarà poi dilatata completamente ed assumerà una posizione corrispondente a metà della dilatazione che si sarebbe verificata senza la pre-tensione iniziale. Ne risulta pertanto che la dilatazione della tubazione non sarà da 0 a 100% in una direzione ma per effetto della pre-tensione iniziale sarà da -50% a + 50% con conseguente riduzione degli sforzi meccanici che la dilatazione comporta. Nella pratica delle installazioni la pre-tensione si realizza interponendo nel giunto flangiato visto precedentemente un tronchetto di larghezza pari a metà della dilatazione prevista. Quando la tubazione è definitivamente installata ed ancorata ai “punti fissi” si toglie questo tronchetto e si serra il giunto flangiato. Se la dilatazione risultante non potrà essere assorbita dalla flessibilità della tubazione si dovranno adottare accorgimenti diversi quali ad es. l’inserimento di appositi “giunti di dilatazione”. 28 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it 3.2. Accessori per tubazioni e supporti 3.2.1. Giunti elastici a ricciolo Questi giunti sono semplicemente spezzoni di tubazione sagomati a cerchio e dovrebbero essere impiegati preferibilmente per tubazioni orizzontali per evitare il ristagno e l’accumularsi del condensato. Con riferimento alla direzione del flusso, la parte a valle del ricciolo dovrebbe passare sotto la parte a monte; è importante ordinare esattamente ciò che è richiesto dalla conformazione dell’impianto per non trovarsi poi con un pezzo non adatto e/o di verso contrario. Il giunto a ricciolo non produce una forza in opposizione a quella generata dalla dilatazione lineare come avviene in altri tipi di giunti, bensì la pressione interna del fluido tende ad aprire il ricciolo aggiungendo un carico meccanico alle flange. Fig. 3.2.1 Giunti elastici a ricciolo 3.2.2. Giunti elastici ad omega Questo tipo di giunto elastico è spesso usato quando vi sia sufficiente spazio disponibile. Similmente al giunto a ricciolo è buona norma limitarne l’uso a tubazioni orizzontali. Fig. 3.2.2 Giunti elastici ad omega La pressione del fluido nella tubazione non tende a divaricare le estremità del giunto, vi è solo una debole tendenza a raddrizzare il giunto stesso dovuta alla sua forma, cosa che però non provoca disallineamento delle flange. Quando questo tipo di giunto viene montato su tubazione verticale si deve provvedere a scaricare la condensa che si raccoglie nella parte superiore del giunto. 29 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e 3.2.3. Giunti di dilatazione saldati È possibile realizzare dei giunti di dilatazione utilizzando e saldando tra loro spezzoni di tubo e curve preformate. Dilatazione dalla posizione neutrale (mm) 25 400 50 75 125 100 150 175 200 Diametro nominale tubazione (mm) 300 200 100 90 80 70 60 3,5 4,0 4,5 Raggio di curvatura = 1,5 diametri 50 40 2W W 30 25 5,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Pressione massima 17 bar Temperatura 260°C W. Metri Fig. 3.2.3 Diagramma delle dilatazioni assorbibili Il diagramma indica i movimenti possibili relativamente al diametro delle tubazioni considerate e nel campo di pressioni fino a 17 bar e temperature fino a 260°C; non viene considerata la “pre-tensione a freddo”. 3.2.3. Giunti scorrevoli (a bicchiere) Questi tipi di giunti sono spesso usati perché richiedono poco spazio ma è essenziale che la tubazione sia rigidamente ancorata ai “punti fissi” ed opportunamente guidata. Area di azione della pressione Movimento dovuto alla dilatazione della tubazione Fig. 3.2.3 Giunto scorrevole 30 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it Le guide assumono importanza fondamentale poiché la pressione del vapore agisce sull’area circolare costituita dalla sezione della tubazione, (tendendo a sfilare e dividere le parti componenti) in opposizione alla forza esercitata dalla dilatazione lineare; un disallineamento della tubazione provocherebbe la piegatura del giunto. E’ richiesta inoltre la regolare manutenzione delle guarnizioni di tenuta. 3.2.4. Giunti a soffietto Il giunto a soffietto ha il vantaggio di essere montato in linea con la tubazione e di non richiedere guarnizioni di tenuta ma ha anche lo svantaggio che la pressione tende ad allungarlo, come avviene col giunto scorrevole. Pertanto i “punti fissi” e le guide devono essere in grado di contrastare questa forza e mantenere l’allineamento. Fig. 3.2.4 Giunto elastico a soffietto (assiale od angolare) 3.2.5. Utilizzo dei giunti a soffietto La figura 3.2.5 mostra come con l’idoneo tipo di giunto e con un adatto montaggio si possano risolvere problemi di dilatazione e di disallineamento delle tubazioni. Disallineamento Flusso del vapore Movimento assiale Fig. 3.2.5 Installazione di giunti a soffietto (tipo angolare) 31 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e Si noti che in queste applicazioni i giunti devono essere appositamente previsti e costruiti per assorbire le dilatazioni assiali e gli spostamenti angolari o laterali della tubazione. E’ altresì importante che la tubazione sia “guidata” in modo tale che ogni spostamento non alteri la pendenza prevista per la raccolta del condensato ed il suo movimento verso il punto di scarico. 3.2.6. Punti di ancoraggio o “punti fissi” Benché il progetto degli ancoraggi non riguardi lo scopo di queste note riportiamo a figura 3.2.6 due esempi di realizzazione di “punti fissi” o di ancoraggio di tubazioni utilizzando le stesse flange della tubazione oppure piastre saldate sulla stessa. Piastra di unione Piastra di fermo Piastra di fermo Flange delle tubazioni Fig. 3.2.6 Punti di ancoraggio 3.2.7. Raccomandazioni circa la distanza tra i supporti delle tubazioni E’ ovvio che sia le tubazioni del vapore che quelle del condensato devono essere adeguatamente supportate. Il numero dei supporti necessari varia in funzione del diametro delle tubazioni, del materiale di cui sono costituite (es. acciaio oppure rame) e del fatto che l’installazione sia orizzontale oppure verticale. Generalmente i supporti per le tubazioni dovrebbero essere previsti in accordo con la normativa e l’unificazione impiegata nella nazione di installazione e/o adottata per lo specifico impianto. Riportiamo alcuni dei punti più importanti: • I supporti delle tubazioni dovrebbero essere predisposti nei punti di giunzione delle tubazioni, cioè curve, raccordi a T, valvole, flange ad intervalli non superiori a quelli indicati nella tabella di cui a fig. 3.2.7.1: raccomandazioni circa la distanza tra i supporti per tubazioni in acciaio. Il tipo di giunto installato può richiedere l’adozione di minori distanze; in questo caso fanno testo le norme di installazione e le prescrizioni fornite dal costruttore. • Lo scopo del montaggio nei punti giunzione è di eliminare gli sforzi meccanici nei giunti flangiati o filettati. 32 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it • Se due o più tubazioni sono ancorate da una staffa comune, la distanza tra i supporti deve essere quella necessaria per la tubazione di diametro minore. • Nel caso in cui è prevista una notevole dilatazione, ad es. con lunghezza di tubazione diritta superiore ai 15 m e con tubazioni di un certo peso, i supporti, come mostrato dalla figura seguente, dovrebbero essere del tipo a rulli con i “punti fissi” dislocati adeguatamente. Diametro nominale Acciaio/Rame Diametro Diam.esterno Tubazione orizzontale (m) Acciaio dolce Rame Tubazione verticale (m) Acciaio dolce Rame 12 15 - 1 - 1.2 15 18 2 1.2 2.4 1.4 20 22 2.4 1.4 3 1.7 25 28 2.7 1.7 3 2 32 35 2.7 1.7 3 2 40 42 3 2 3.6 2.4 50 54 3.4 2 4.1 2.4 65 67 3.7 2 4.4 2.4 80 76 3.7 2.4 4.4 2.9 100 108 4.1 2.7 4.9 3.2 125 133 4.4 3 5.3 3.6 150 159 4.8 3.4 5.7 4.1 200 194 5.1 - 6 - 250 267 5.8 - 5.9 - Fig. 3.2.7.1 Distanze raccomandate tra i supporti per tubazioni in acciaio od in rame Tubazioni verticali: Le tubazioni verticali dovrebbero essere supportate alla base in modo da resistere al peso totale della parte verticale. I tronchetti di derivazione non devono essere usati quali attacchi dei supporti poiché ciò causerebbe degli sforzi meccanici inopportuni sui raccordi a T. Dilatazioni: E’ importante che i supporti delle tubazioni possano permettere la libera dilatazione e contrazione delle tubazioni stesse ed il loro punto di montaggio non interferisca con tronchetti di derivazione, raccordi, valvole, ecc. durante la dilatazione. I supporti a rulli per le tubazioni in acciaio dovrebbero essere costruiti con materiale ferroso, mentre quelli per le tubazioni in rame dovrebbero essere costruiti con materiali non ferrosi. Per le tubazioni con supporti a rulli è buona pratica prevedere ad intervalli non superiori a 6 m una sella ancorata alla staffa di supporto dei rulli per evitare il sollevamento della tubazione. NON è certamente buona pratica, per due tubazioni sovrapposte, usare dei supporti del tipo mostrato dalla figura di destra. 33 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i Staffa con supporto a rulli d i d i s t r i b u z i o n e Staffa a briglia con supporto a rulli Staffa di supporto a rulli per due tubazioni sovrapposte Fig. 3.2.7.2 Supporti per tubazioni Tutti i supporti delle tubazioni dovrebbero essere adeguati al diametro esterno della tubazione da supportare. NON è buona pratica usare staffe sovradimensionate che non possono assicurare il corretto allineamento. 3.3 Spurgo dell’aria Spesso viene trascurato il fatto che all’apertura del vapore, quando si avvia l’impianto, dopo un periodo di fermo, le tubazioni sono piene d’aria. Non solo, con l’alimentazione del vapore si introducono ulteriori quantitativi di aria e gas incondensabili che si trovano disciolti nel vapore stesso. Questi gas, anche se in quantità modesta, se non scaricati, si accumuleranno nella tubazione, negli scambiatori e nelle apparecchiature di scambio man mano che il vapore condenserà. Negli impianti a vapore l’eliminazione dell’aria è effettuata con scaricatori di condensa termostatici installati superiormente al massimo livello raggiungibile dal condensato in modo che possano essere raggiunti solo da vapore, aria, o miscele aria/vapore. Il punto di applicazione migliore è ai terminali delle tubazioni principali del vapore e sulle principali diramazioni. La figura 3.3 mostra come creare un punto di drenaggio della condensa e di eliminazione dell’aria su un terminale. Lo scarico dell’aria può essere convogliato in luogo sicuro con una tubazione dedicata oppure convogliato nella tubazione del condensato purché sia a ricupero atmosferico per gravità ed equipaggiato con un serbatoio ventilato. 34 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it Eliminazione d’aria a pressioni equilibrate Tubazione di distribuzione del vapore Aria Scaricatore termodinamico Fig. 3.3 Terminale di una tubazione di distribuzione vapore L’argomento “Eliminazione dell’aria dal vapore” è appositamente descritto nel manuale “Scarico della condensa e spurgo dell’aria”. 3.4 Riduzione delle dispersioni termiche E’ evidente che per ottenere la massima efficienza da un sistema di distribuzione vapore si devono prevedere tutti quegli accorgimenti atti a ridurre al minimo economico le dispersioni termiche. Lo spessore della coibentazione più economicamente conveniente dipende dai Differenza temperatura vapore/aria Diametro nominale tubazione (mm) 15 20 25 32 40 o 50 65 80 100 150 W/m C 50 48 58 71 92 96 118 138 168 208 289 60 61 90 109 109 122 150 177 211 265 70 74 73 90 134 149 182 216 267 323 367 449 80 89 108 131 161 184 221 260 311 417 540 90 100 100 121 148 181 207 249 292 350 469 608 116 140 169 208 234 285 337 400 501 696 110 133 163 196 239 269 331 338 465 593 809 120 153 183 224 274 308 378 445 533 670 140 185 226 274 335 376 461 544 626 821 930 1.141 160 231 280 342 419 469 557 683 803 1.047 1.429 180 274 329 408 494 556 676 808 959 1.190 1.660 200 319 384 475 584 654 781 937 1.113 1.343 1.909 Fig. 3.4.1 Emissioni termiche da tubazioni non isolate 35 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e costi d’installazione, dalla quantità di energia termica trasportata dal vapore, dalle dimensioni della tubazione e dalla sua temperatura. I fattori da considerare nella quantificazione e che possono influenzare le dispersioni di energia termica sono: posizione di installazione, all’aperto o meno, velocità dell’aria che circonda le tubazioni, presenza di umidità che può aumentare lo scambio termico. Molte società elaborano e tabulano l’entità più economicamente conveniente dello spessore della coibentazione con riferimento sia al diametro delle tubazioni usate che alla temperatura di esercizio, applicando i propri costi relativi a impianti specifici. La tabella di fig. 3.4.1 indica le emissioni di energia termica specifica (W/m) di tubazioni nude. 3.4.1 Materiali per coibentazione Materiali tipici usati per le coibentazione: Lana di vetro e alluminio Lana di roccia e alluminio Silicato di calcio La tabella seguente fornisce i coefficienti di conducibilità termica dei materiali usati per la coibentazione. Materiale Conducibilità termica W/(m.K) Temperatura °C Densità kg/m3 50 100 300 Silicato di calcio 210 0,055 0,058 0,083 Gomma espansa 65 - 90 0,039 - - Lana di vetro 16 48 0,047 0,035 0,065 0,044 - Lana di roccia 100 0,037 0,043 0,88 190 0,055 0,058 0,082 50 0,023 0,026 - Ossido di magnesio Schiuma di poli-isocianuro Fig. 3.4.2 Conducibilità termica dei materiali per coibentazione 3.5 Calcolo dello scambio termico L’entità della dispersione termica (W) è calcolata usando l’equazione: Q = U • A • Δt Dove: Q = U = A = Δt = Entità dell’energia dispersa (W) Coefficiente totale di trasmissione termica (W/m2 K) Superficie media (m2) Differenza tra temperatura del fluido e la temperatura ambiente (K) 36 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. www.spiraxsarco.com/it Il coefficiente totale di trasmissione termica (U) si può ricavare dalle tabelle oppure si può calcolare (usando i coefficienti relativi ai materiali di cui alla tabella sopraindicata) in relazione alle dimensioni della tubazione ed ai materiali di isolamento termico impiegati. U =Σ k x dove: k = conducibilità termica (W / m2 K) x = spessore del materiale (m) Per la tubazione e la coibentazione la superficie media viene calcolata usando il raggio medio (rm) della sezione interna (r1) e della sezione esterna (r2) da cui: rm = (r2 + r1) 2 Con questa formula l’uso della media aritmetica dei raggi anziché la media logaritmica è di poco maggiore del 4% per un rapporto r2 / r1 = 2. Per le tubazioni del vapore e la coibentazione raramente questo rapporto è maggiore di 2 per cui l’errore commesso è trascurabile. Per rapporti maggiori di 2 usare: r2 + r1 rm = r2 loge r1 I fattori che maggiormente influenzano il calcolo delle tubazioni vapore per la determinazione della pressione di distribuzione sono: • Superficie media (A). Ovviamente maggiore è il diametro della tubazione maggiore sarà l’area media per cui anche lo scambio termico sarà maggiore. • Differenza di temperatura (Δt). Maggiore è la differenza di temperatura fra l’ambiente e l’interno della tubazione maggiore sarà il coefficiente di scambio. Sappiamo che la temperatura di saturazione del vapore aumenta con l’aumentare della pressione per cui lo scambio termico sarà maggiore con l’aumentare della pressione. Sembra che questi due fattori portino a conclusioni opposte, ma i calcoli dimostrano che la dispersione termica aumenta con l’aumento della superficie in modo più che proporzionale rispetto l’aumento della differenza di temperatura; questa è la ragione principale per cui il vapore viene distribuito a pressione più elevata che permette l’uso di tubazioni di diametro più piccolo. 37 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. V a p o r e : R e t i d i d i s t r i b u z i o n e SEZIONE 4 - DOMANDE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Spiegate in termini semplici gli svantaggi derivanti dall’impiego di una tubazione vapore sovradimensionata. Una tubazione vapore deve essere installata inclinata verso l’alto, cioè con il condensato in controcorrente. Qual’è la velocità massima del vapore che dovrebbe essere prevista ed a quale intervallo devono essere installati i dispositivi di scarico condensa? Nel dimensionamento di una tubazione come viene considerato il termine “lunghezza equivalente” della tubazione? Qual’è la caduta di pressione in una tubazione di vapore da 50 mm, di lunghezza equivalente di 50 m con una portata di 785 kg/h ad una pressione iniziale di 7 bar relativi? Quale caduta di pressione si avrebbe nell’esempio del punto 4 se la lunghezza equivalente fosse di 300 m anziché di 50 m? Una tubazione vapore di 100 mm di diametro deve essere dotata di scaricatori di condensa. Che dimensioni deve avere il tronchetto per l’installazione degli scaricatori e quale tipo di scaricatore dovrebbe essere impiegato? Approssimativamente qual’è l’energia termica occorrente per il riscaldamento iniziale e l’esercizio di una tubazione vapore di diametro nominale di 200 mm e di lunghezza di 100 m con vapore saturo a 10 bar g ed una temperatura ambiente di 20°C? Stabilire il diametro nominale di una tubazione vapore con una portata di 15.000 kg/h di vapore saturo a 15 bar g la cui lunghezza equivalente è di 700 m. La tubazione principale del vapore è installata all’esterno di un edificio. La temperatura ambiente può raggiungere valori inferiori a 0°C. Che tipo di scaricatori di condensa dovrebbero essere previsti? Descrivere brevemente cosa occorre prevedere su una tubazione vapore in modo che essa possa dilatarsi senza produrre danneggiamenti alla tubazione stessa ed ai relativi supporti. Una tubazione vapore a 5 bar g è lunga 100 m; che dilatazione è prevista per un avviamento da freddo? Indicare a quale distanza dovrebbero essere installati i supporti per le tubazioni sottoindicate: diametro nominale 40 mm - tubazione in acciaio diametro nominale 100 mm - tubazione in acciaio diametro esterno 28 mm - tubazione in rame diametro esterno 108 mm - tubazione in rame Che cosa si può prevedere di fare per ridurre le perdite di energia termica su flange e valvole di tubazioni per vapore e per condensato? 38 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 © Copyright 1999 Spirax Sarco s.r.l. Tabella A - Fattori di pressione (P) per dimensionamento tubazioni (unità SI) Pressione assoluta bar Volume m3/kg Fattore di pressione 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,013 28,192 14,674 10,022 7,649 6,204 5,229 4,530 3,993 3,580 3,240 2,964 2,732 2,535 2,365 2,217 2,087 1,972 1,869 1,777 1,673 0,0301 0,0115 0,0253 0,0442 0,0681 0,0970 0,1308 0,1694 0,2128 0,2610 0,3140 0,3716 0,4340 0,5010 0,5727 0,6489 0,7298 0,8153 0,9053 1,025 1,673 1,601 1,533 1,471 1,414 1,361 1,312 1,268 1,225 1,186 1,149 1,115 1,083 1,051 1,024 0,997 0,971 0,946 0,923 1,025 1,126 1,230 1,339 1,453 1,572 1,694 1,822 1,953 2,090 2,230 2,375 2,525 2,679 2,837 2,999 3,166 3,338 3,514 Pressione relat. bar 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 Pressione relativa bar 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 2,05 2,10 2,15 2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60 2,65 2,70 2,75 2,80 2,85 2,90 Tabella A - Fattori di pressione (P) per dimensionamento tubazioni (unità SI seguito) Volume m3/kg Fattore di pressione Pressione relativa bar Volume m3/kg Fattore di pressione 0,901 0,881 0,860 0,841 0,823 0,806 0,788 0,773 0,757 0,743 0,728 0,714 0,701 0,689 0,677 0,665 0,654 0,643 0,632 0,622 0,612 0,603 0,594 0,585 0,576 0,568 0,560 0,552 0,544 0,536 0,529 0,522 0,515 0,509 0,502 0,496 0,489 0,483 0,477 0,471 3,694 3,878 4,067 4,260 4,458 4,660 4,866 5,076 5,291 5,510 5,734 5,961 6,193 6,429 6,670 6,915 7,164 7,417 7,675 7,937 8,203 8,473 8,748 9,026 9,309 9,597 9,888 10,18 10,48 10,79 11,10 11,41 11,72 12,05 12,37 12,70 13,03 13,37 13,71 14,06 2,95 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 3,80 3,90 4,00 4,10 4,20 4,30 4,40 4,50 4,60 4,70 4,80 4,90 5,00 5,10 5,20 5,30 5,40 5,50 5,60 5,70 5,80 5,90 6,00 6,10 6,20 6,30 6,40 6,50 6,60 6,70 6,80 0,466 0,461 0,451 0,440 0,431 0,422 0,413 0,405 0,396 0,389 0,381 0,374 0,367 0,361 0,355 0,348 0,342 0,336 0,330 0,325 0,320 0,315 0,310 0,305 0,301 0,296 0,292 0,288 0,284 0,280 0,276 0,272 0,269 0,265 0,261 0,258 0,255 0,252 0,249 0,246 14,41 14,76 15,48 16,22 16,98 17,75 18,54 19,34 20,16 21,00 21,85 22,72 23,61 24,51 25,43 26,36 27,32 28,28 29,27 30,27 31,29 32,32 33,37 34,44 35,52 36,62 37,73 38,86 40,01 41,17 42,35 43,54 44,76 45,98 47,23 48,48 49,76 51,05 52,36 53,68 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 Pressione relativa bar Volume m3/kg Fattore di pressione Pressione relativa bar Volume m3/kg Fattore di pressione Pressione relativa bar Volume m3/kg Fattore di pressione 6,90 7,00 7,10 7,20 7,30 7,40 7,50 7,60 7,70 7,80 7,90 8,00 8,10 8,20 8,30 8,40 8,50 8,60 8,70 8,80 8,90 9,00 9,10 9,20 0,243 0,240 0,237 0,235 0,232 0,229 0,227 0,224 0,222 0,219 0,217 0,215 0,212 0,210 0,208 0,206 0,204 0,202 0,200 0,198 0,196 0,194 0,192 0,191 55,02 56,38 57,75 59,13 60,54 61,96 63,39 64,84 66,31 67,79 69,29 70,80 72,33 73,88 75,44 77,02 78,61 80,22 81,84 83,49 85,14 86,81 88,50 90,90 9,30 9,40 9,50 9,60 9,70 9,80 9,90 10,00 10,20 10,40 10,60 10,80 11,00 11,20 11,40 11,60 11,80 12,00 12,20 12,40 12,60 12,80 13,00 13,20 0,189 0,187 0,185 0,184 0,182 0,182 0,179 0,177 0,174 0,172 0,169 0,166 0,163 0,161 0,158 0,156 0,153 0,151 0,149 0,147 0,145 0,143 0,141 0,139 91,92 93,66 95,41 97,18 98,62 100,75 102,57 104,40 108,10 111,87 115,70 119,59 123,54 127,56 131,64 135,78 139,98 144,25 148,57 152,96 157,41 161,92 166,50 171,13 13,40 13,60 13,80 14,00 14,20 14,40 14,60 14,80 15,00 15,20 15,40 15,60 15,80 16,00 16,20 16,40 16,60 16,80 17,00 17,20 17,40 17,60 17,80 18,00 0,135 0,133 0,132 0,130 0,128 0,127 0,125 0,124 0,122 0,121 0,119 0,118 0,117 0,115 0,114 0,113 0,111 0,110 0,109 0,108 0,107 0,106 0,105 0,104 175,83 180,58 185,40 190,29 195,23 200,23 205,30 210,42 215,61 220,86 226,17 231,54 236,97 242,46 248,01 253,62 259,30 265,03 270,83 276,69 282,60 288,58 294,62 300,72 Spirax Sarco “Open University” AC/02/01 Tabella B - Portate delle tubazioni e fattori di perdita di carico (unità SI) Diametro tubazione F 0,00016 0,00020 0,00025 0,00030 0,00035 0,00045 0,00055 0,00065 0,00075 0,00085 0,00100 0,00125 0,00150 0,00175 0,0020 0,0025 0,0030 0,0040 0,0050 0,0060 0,0080 0,0100 0,0125 0,0150 0,0175 0,020 0,025 0,030 0,040 0,050 0,06 0,08 0,10 0,12 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 15 mm ½” x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y 20 mm ¾” 25 mm 1” 1,96 4,10 2,10 4,39 2,39 5,00 2,48 5,19 2,84 5,94 3,16 6,61 3,44 7,20 4,17 8,73 4,71 9,86 5,25 10,99 6,08 12,72 6,86 14,36 3,62 3,54 4,04 3,96 4,46 4,37 4,87 4,77 5,52 5,41 5,84 5,72 6,26 6,13 7,35 7,20 7,51 7,36 8,58 8,40 9,48 9,29 10,34 10,13 12,50 12,25 14,12 13,83 15,69 15,37 18,34 17,97 20,64 20,22 6,86 3,88 7,94 4,49 8,99 5,09 9,56 5,41 10,57 5,98 11,98 6,78 12,75 7,21 13,57 7,68 15,17 8,58 16,30 9,22 18,63 10,54 20,75 11,74 22,5 12,73 26,97 15,26 30,40 17,20 35,80 20,26 39,23 22,20 44,13 24,97 7,35 15,38 8,27 17,31 8,58 17,95 9,80 20,51 10,99 23,00 12,00 25,11 14,46 30,26 16,43 34,38 18,14 37,96 21,08 44,11 24,03 50,29 25,99 54,39 28,50 59,64 34,32 71,82 37,72 78,94 41,37 86,58 43,34 90,70 49,93 104,5 50,31 105,3 55,90 117,0 62,28 130,3 63,07 132,0 72,08 150,8 73,28 153,3 22,20 21,75 25,00 24,49 26,39 25,85 30,16 29,55 33,48 32,80 36,78 36,03 44,16 43,23 49,53 48,52 52,91 51,88 62,28 61,02 70,12 68,70 77,48 75,91 84,13 82,42 102,0 99,93 112,7 110,4 122,7 120,2 128,7 126,1 147,1 144,1 150,0 146,9 166,7 163,3 185,3 181,5 188,8 185,0 215,8 211,4 218,4 214,0 47,28 26,75 53,33 30,18 55,78 31,56 63,75 36,07 70,73 40,02 77,23 43,70 93,17 52,72 104,4 59,08 115,7 65,47 134,8 76,28 152,0 86,01 167,7 94,90 183,9 104,1 220,7 124,9 245,2 138,7 266,6 150,9 283,2 160,2 323,6 183,1 326,6 184,8 362,9 205,3 402,1 227,5 407,6 230,6 465,8 263,6 476,6 269,7 32 mm 1 ¼” 40 mm 1 ½” 10,84 3,74 11,95 4,13 12,44 4,30 14,56 5,03 16,18 5,59 17,76 6,13 19,31 6,67 21,88 7,56 23,50 8,12 24,96 8,62 28,04 9,68 29,61 10,23 33,83 11,68 37,25 12,86 40,45 13,97 48,55 16,77 54,92 18,97 60,31 20,83 70,12 24,22 79,44 27,44 16,18 3,96 17,92 4,39 19,31 4,73 20,59 5,04 23,39 5,73 26,52 6,49 29,14 7,14 31,72 7,77 35,95 8,80 38,25 9,37 40,72 9,97 45,97 11,26 49,34 12,08 56,39 13,81 61,30 15,01 66,66 16,33 80,91 19,82 90,23 20,10 99,05 24,26 116,2 28,46 130,4 31,94 81,00 27,98 95,62 33,03 100,4 34,68 114,7 39,62 127,3 43,97 137,9 47,63 169,2 58,44 191,2 66,04 210,8 72,81 245,2 86,69 277,0 95,67 306,5 105,9 334,2 115,4 402,1 138,9 447,9 154,7 487,3 168,3 514,9 177,8 588,4 203,2 600,2 207,3 666,9 230,3 735,5 254,0 750,9 259,3 858,1 296,4 140,1 34,31 157,2 38,50 165,6 40,65 189,3 46,36 209,8 51,39 229,9 56,31 279,5 68,46 313,8 76,86 343,2 84,06 402,1 98,49 456,0 111,7 500,2 122,5 551,7 135,1 622,0 162,1 735,5 180,1 804,5 197,0 841,0 206,0 961,1 235,4 979,7 239,9 1089 266,7 1201 294,1 50 mm 2” 30,40 4,30 34,32 4,85 38,19 5,40 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