Università degli studi di Bologna
D.I.E.M.
Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche,
Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia
05_Generatori di vapore
rev. Ottobre 2009
1
Programma
•
Bilancio della camera di combustione. Determinazione della
temperatura di combustione. Temperatura di parete nei tubi
vaporizzatori e surriscaldatori.
•
Rendimento del generatore di vapore per via diretta ed indiretta.
Influenza dell’eccesso d’aria e del carico sul rendimento del
generatore di vapore.
•
Estrazione di calore dai fumi. Preriscaldo dell’acqua e dell’aria.
Rugiada acida. Carico termico volumetrico. Limiti al carico termico.
•
Evoluzione dell’architettura dei generatori di vapore Caldaia ad
irraggiamento, architettura e diagramma di scambio.
2
1
Bilancio della camera di combustione
Determinazione della temperatura di
combustione
Temperatura di parete nei tubi
vaporizzatori e surriscaldatori.
3
1.1
BILANCIO
CAMERA DI
COMBUSTIONE
4
1.1 Bilancio camera di combustione
5
BILANCIO CAMERA DI COMBUSTIONE
metodo semplificato di Mullikin
εK i + H r = qirr + H f
H r = 1 ⋅ cb t b + m a c a t a
Q& i
Sirr 4
4
(
qirr =
= σ0
Tc − T p )
m& b
m& b
H f = m f c f tc
Entalpia reagenti
Energia irraggiata
Entalpia fumi
Tutte le quantità sono riferite ad un kg di combustibile (J/kgcomb)
σ0 = 5.67 10-8 W/(m2 K4) costante di Boltzmann
6
1.2 Temperatura di combustione
7
1.2
Scambio termico parete piana
8
Potenza scambiata
convezione fluido caldo-parete (1 = c)
&
Q
Q& = α c S (Tc − T p1 ) ⇒ Tc − T p1 =
αc S
conduzione attraverso la parete piana di spessore s’
& s′
Q
Q& = λ S (Tp1 − Tp 2 )/ s′ ⇒ Tp1 − Tp 2 =
λS
convezione parete-fluido freddo (2 = f)
&
Q
Q& = α f S (Tp 2 − T f ) ⇒ Tp 2 − T f =
αf S
9
Coefficiente globale
di scambio termico
sommando membro a membro i termini precedenti
e raccogliendo a fattore comune si ottiene:
Q&
Tc − T f =
S
&
 1

′
s
Q
1

 ⇒ Tc − T f =
+ +
α

λ
α
K S
f 
 c
Dalla quale si ricava la potenza scambiata:
avendo introdotto il
COEFFICIENTE GLOBALE
DI SCAMBIO TERMICO K
dato dalla:
Q& = K S (Tc − T f )
1
1 s′ 1
=
+ +
K αc λ α f
10
Temperatura di parete
Trascurando la resistenza termica attraverso la parete piana di spessore s’
λ = ∞ ⇒ Q& = ∞ S (T p1 − T p 2 )/ s ′ ⇒ T p1 = T p 2 = T p
convezione fluido caldo-parete; convezione parete-fluido freddo
Q& = α c S (Tc − T p ) = α f S (T p − T f ) ⇒
α c (Tc − T p ) = α f (T p − T f )
α cTc − α cT p = α f T p − α f T f
temperatura di parete
α cTc + α f T f
Tp =
α f + αc
11
2
Rendimento del generatore di
vapore per via diretta ed indiretta
Influenza dell’eccesso d’aria e del
carico sul rendimento del
generatore di vapore
12
Bilancio del GENERATORE
13
2.1
Metodo diretto
14
RENDIMENTO DEL GENERATORE DI VAPORE
definizione - metodo diretto
m& vap ( ha − ho ) m vap ( ha − ho )
Putile
ηg =
=
=
P spesa
m& b K i
Ki
mvap è riferita ad un kg di combustibile (kgvap/kgcomb)
15
2.2
Metodo indiretto
16
RENDIMENTO DEL GENERATORE DI VAPORE
metodo indiretto – bilancio energetico
εK i + H r + m vap ho = m vap ha + qd + H f
H r = 1 ⋅ cb tb + m a c pa ta ≅ m f c pf t a Entalpia reagenti
Q& d
Energia dispersa
qd =
m& b
H f = m f c f tu
Entalpia fumi
Tutte le quantità sono riferite ad un kg di combustibile (J/kgcomb)
17
RENDIMENTO DEL GENERATORE DI VAPORE
metodo indiretto - 2
εK i = m vap ( ha − ho ) + qd + m f c f (tu − ta )
εK i = η g K i + qd + m f c f (tu − ta )
η g K i = εK i − q d − m f c f ( t u − t a )
ηg = ε −
m f c f (tu − t a )
Ki
qd
−
Ki
Rendimento
Perdita per
Energia dispersa
combustione
“calore sensibile”
dalle pareti
Tutte le quantità sono riferite ad un kg di combustibile (J/kgcomb)
18
Influenza
dell’eccesso d’aria (1)
19
Influenza
dell’eccesso d’aria (2)
e*
e
20
Influenza del carico (1)
21
Influenza del carico (2)
22
3
Estrazione di calore dai fumi.
Preriscaldo dell’acqua e dell’aria
Rugiada acida
Carico termico volumetrico
Limiti al carico termico
23
Estrazione di calore dai fumi.
surriscaldatore
24
3.2
Rugiada acida
p = 0.05 bar
32.9
25
3.3
CARICO TERMICO
VOLUMETRICO
26
CARICO TERMICO VOLUMETRICO
m& c K i
Ctv =
V
τct Tempo di combustione totale
τr Tempo di riscaldamento
S
τc Tempo di combustione
τp Tempo di permanenza
Condizione necessaria per avere la completa combustione:
τ p ≥ τ ct = τ r + τ c
27
LIMITI AL CARICO TERMICO VOLUMETRICO
V
V
V
τp = & =
=
V f m& cV f m& V Tcc p0
c 0f
T0 pcc
V K i T0 pcc
≥ τ ct
τp =
m& c K i V0 f Tcc p0
K i T0 pcc 1
Ctv ≤
V0 f Tcc p0 τ ct
28
CARICO TERMICO SUPERFICIALE
m& c
Cts =
Carico termico superficiale
Sirr
Sirr
ϕ=
S
Grado di raffreddamento (o di schermatura)
m& c K i m& c K i ϕ S
m& c
Ctv V
=
⇒
=
Ctv =
V
V Sirr
Sirr K iϕ S
Limiti al
essendo :
Carico termico
S ∝ L2 ;V ∝ L3
segue :
superficiale
m& c Ctv L3 Ctv L
∝
=
2
S irr
ϕL
ϕ
29
4
Evoluzione dell’architettura dei
generatori di vapore
Caldaia ad irraggiamento
architettura e diagramma di scambio
Caldaie per la combustione dei rifiuti
30
4.1.1 Generatori a grossi corpi
Accessori (fondamentali) non rappresentati:
Indicatore
di livello
Passo
d’uomo
Valvola di
sicurezza
31
4.1.2 Generatori a tubi di fumo
Sc
=π df ;
l
l
n. tubi di fumo:
z = kp
π d 2f
1
≅
2
4 3.45d
l
= zπ d
i=2d
d 2f
5d 2
Incremento di superficie di scambio
df
zπ d z d
1000
=
=
≅
≅
=4
Sc π d f
df
5d
5 ⋅ 50
S tf
S tf
S1 = i 2 sin 60° ≅ 3.45d 2
32
4.1.3 Generatori da locomotiva
33
4.1.4 Caldaia marina
34
4.1.5 Generatori a tubi d’acqua
35
4.2.1
Generatori ad
irraggiamento
36
4.2.1 Generatori ad irraggiamento
diagramma di scambio
37
4.3.1 Generatori con combustione
su griglie mobili
38
4.3.2 Forno a tamburo rotante
39
4.3.3
Combustore
a letto fluido
convenzionale
e
ricircolato
40
4.3.4 Forno ad aria controllata
41
4.3.5 Forno con
camera di post-combustione
42
Caldaia industriale
43
Coibentazione e
Separatore di vapore
44