Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche G Generatori i di vapore Con il termine generatore di vapore si intende quel complesso di apparecchiature di scambio termico opportunamente interconesse e completato da macchinari ausiliari e sistemi di regolazione e controllo, destinato alla produzione di vapore a partire da acqua liquida. Il calore necessario per tale operazione può essere fornito dalla combustione di un combustibile fossile (generatori di vapore a combustibile) ovvero da un cascame di gas caldi (generatori di vapore a recupero). Il termine caldaia, che ha rappresentato il nome originario del generatore di vapore, quando questo consisteva essenzialmente in un corpo “bollitore”, è un termine più generico con il quale si indicano anche apparecchiature nelle quali non intervengono passaggi di stato (produzione di acqua calda o surriscaldata, caldaie ad olio diatermico, etc.). Le caldaie possono suddividersi in due grandi categorie: ¾ caldaie a tubi di ffumo ((nate all’inizio del XIX secolo ) ¾ caldaie a tubi di acqua (nate dopo la prima metà del XIX secolo e sviluppatesi dall’inizio del XX secolo) GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Evoluzione l storica delle d ll caldaie ld a tubi b di d fumo f Schema di vecchia caldaia dell’inizio del XIX secolo Caldaia tipo p Cornovaglia g Schemi di caldaie a tubi di fumo GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Evoluzione storica delle caldaie a tubi di fumo Caldaia a tubi di fumo con focolare esterno Caldaia a tubi di fumo “a ritorno di fiamma” Caldaia a tubi di fumo “a fiamma diretta” GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Evoluzione l storica delle d ll caldaie ld a tubi b di d fumo f Caldaia a tubi di fumo di tipo scozzese Caldaia per locomotiva GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Passaggio P i caldaie ld i a tubi di fumo Î tubi d’acqua caldaie a tubi di fumo PREGI • • DIFETTI elevato volano termico (grande volume d’acqua contenuto nel corpo cilindrico) semplicità di conduzione economicità costruttiva • • • bassa pressione di esercizio bassa potenzialità lentezza in regolazione Î I difetti delle caldaie a tubi di fumo risultano tutti conseguenza del contenimento di tutta l’acqua in grande corpi cilindrici GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche - Bassa pressione di esercizio Considerando le sollecitazioni agenti nel corpo cilindrico: F dFy = dFp ⋅ s e n α = p ⋅ R ⋅ s e n α ⋅ dα dFp dFy dα p F= α s F1 F1 = s ⋅ σ amm d ∫ π 0 = p⋅R⋅ F2 F = 2 ⋅ F1 • s spessore corpo cilindrico • p pressione dell’acqua nel corpo cilindrico • d diametro del corpo cilindrico • σamm tensione ammissibile del materiale del corpo cilindrico dFy = s= ∫ π 0 ∫ π 0 p ⋅ R ⋅ s e n α ⋅ dα = s e n α ⋅ dα = 2 ⋅ p ⋅ R = p ⋅ d p⋅d 2 ⋅ σ amm Esempio • p=30 bar • d=1,5 m s=40 mm • σamm =60 N/mm2 Con grandi corpi cilindrici (d elevato) occorre limitare la pressione per contenere gli spessori entro limiti accettabili GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche - Bassa potenzialità potenzialità t i lità ∝ fl flusso ttermico i ∝ superficie fi i di scambio bi (produzione di vapore) Poiché la configurazione a tubi di fumo limita drasticamente la superficie totale di scambio termico (che deve essere contenuta entro il volume di acqua nel corpo cilindrico), la potenzialità di tali caldaie è bassa - Lentezza in regolazione g Il grande volume d’acqua contenuto nel corpo cilindrico costituisce un elevato volano termico GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Per superare i suddetti difetti occorre ricorrere ad un un’architettura architettura di caldaia in cui è l’acqua che circola all’interno di tubi di piccolo diametro posti al di fuori del corpo cilindrico, mentre i prodotti di combustione attraversano l’apparecchiatura in idonei condotti (in genere tappezzati dagli stessi tubi d d’acqua) acqua) lambendo dall’esterno i tubi d’acqua. CALDAIE A TUBI D’ACQUA T li caldaie Tali ld i risultano i lt i grado in d di consentire: ti • • • elevate pressioni di esercizio elevate potenzialità relativa rapidità di regolazione Caldaia a tubi di fumo Caldaia a tubi d’acqua GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Evoluzione l storica delle d ll caldaie ld a tubi b d’acqua d’ Caldaie a tubi “field” GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Evoluzione l storica delle d ll caldaie ld a tubi b d’acqua d’ Caldaia a lame d’acqua GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Evoluzione l storica delle d ll caldaie ld a tubi b d’acqua d’ Caldaia a tubi d d’acqua acqua tipo Babcock & Wilcox (Tosi) Disposi ioni sub-orizzontali Disposizioni sub ori ontali dei tubi bollitori nelle caldaie a tubi d’acqua GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche ACQUA - VAPORE Percorso h SH condizioni prossime a quelle di saturazione acqua di alimento mv 3 vapore surriscaldato ΔhSH 2 separatore mw ΔhVAP VAP ECO 1 mr ΔhECO 0 eventuale pompa di circolazione S Attraverso tale configurazione, opportunamente dimensionata, del circuito acqua vapore si realizza una netta distinzione tra ciascuna fase fluida nelle rispettive zone di scambio termico: • acqua liquida nella sezione di economizzazione (ECO); • miscuglio i li acqua-vapore saturo t nella ll zona di vaporizzazione i i (VAP) (VAP); • vapore surriscaldato nella zona di surriscaldamento (SH) ed eventualmente di risurriscaldamento (RH). GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche ACQUA – VAPORE CIRCUITO VAPORIZZANTE Percorso Si articola in tubi di caduta che alimentano con acqua satura i tubi di risalita verso il corpo cilindrico. I tubi di risalita costituiscono la sezione di scambio termico (VAP) dove l’acqua riceve dai fumi il calore di vaporizzazione (generalmente tali tubi costituiscono proprio la parete di contenimento della zona di combustione) mentre i tubi di discesa non sono coinvolti nello scambio termico. A seguito delle diverse densità del fluido nei tubi di caduta (acqua satura con titolo xx=0) 0) e nei tubi di risalita (miscuglio acqua vapore con x>0) si genera una forza motrice della circolazione (differenza di pressione) Δpm = ( ρls − ρmvs ) ⋅ g ⋅ h dove ρls è la densità dell’acqua nei tubi di caduta, ρmvs è la densità media del miscuglio acqua-vapore nei tubi di risalita ed h è l’altezza dei tubi. GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche ACQUA – VAPORE CIRCUITO VAPORIZZANTE Percorso In funzione della differenza di densità tra liquido saturo e miscuglio acqua/vapore e dello sviluppo verticale (h) della caldaia, si può avere: • circolazione naturale (basse-medie pressioni di esercizio e h adeguata) • circolazione assistita (in generale a partire da pressioni dell’ordine dell ordine di 120 120-140 140 bar) • circolazione forzata (prescinde completamente dall’effetto naturale ed è affidata esclusivamente dalle pompe di circolazione). Tale tipo di circolazione è, ovviamente, l’unico proponibile in caldaie ipercritiche GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Percorso ACQUA – VAPORE: CIRCUITO VAPORIZZANTE SH condizioni prossime a quelle di saturazione acqua di alimento mv vapore surriscaldato mr ⋅ x = mv separatore mw VAP ECO Cr = mr 1 = mv x Cifra di circolazione mr eventuale pompa di circolazione Nelle caldaie dotate di corpo cilindrico, la portata circolante nel circuito vaporizzante (mr) è svincolata dalla produzione oraria di vapore (mv) attraverso il titolo (x) Per evitare la crisi di scambio termico nel circuito vaporizzante la percentuale in volume del vapore, nel miscuglio acqua-vapore che rientra al corpo cilindrico, non deve superare il limite del 60-70% medio-basse pressioni di esercizio (da circa 30 bar fino a circa 100 bar): Cr=10-15 alte lt pressioni i i valori l i Cr=5-10 5 10 il titolo nel circuito vaporizzante assume valori dell’ordine di 0.1-0.2, valori mediamente bassi e tali da assicurare che i tubi siano quasi completamente bagnati, al loro interno, da acqua satura GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini Percorso - Centrali termoelettriche ARIA - FUMI comb. IRR CONV VAP, SHi SHc, RH, ECO fumi PA aria preriscaldata aria l’aria ambiente (aria comburente) incontra una prima zona di scambio termico, il preriscaldatore (PA), dove viene preriscaldata a spese del calore contenuto nei fumi, prima del loro invio al camino per la dispersione nell’ambiente l’aria l’ i viene i quindi i di inviata i i t nella ll camera di combustione b ti (CC) dove d reagisce i con il combustibile b tibil generando d gas di combustione ad elevata temperatura, circa 2000°C, che cedono calore prima di tutto, e soprattutto, alla sezione di vaporizzazione (VAP) e quindi, eventualmente, ad una parte di surriscaldamento (SHi, surriscaldatore irraggiato) (scambio termico prevalentemente per irraggiamento, IRR) i gas combusti, caratterizzati da temperature inferiori ai 1000°C, incontrano le sezioni a scambio termico prevalentemente convettivo (CONV), e cioè il surriscaldatore convettivo (SHc), l’eventuale risurriscaldatore (RH) e quindi l’economizzatore (ECO). i ffumi in uscita dall’economizzatore attraversano la sezione di p preriscaldamento dell’aria comburente ((PA), ), generalmente presente almeno nelle caldaie di medio-grande taglia, prima di essere inviati al camino GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini Percorso - Centrali termoelettriche ARIA - FUMI comb. IRR CONV VAP, SHi SHc, RH, ECO fumi PA aria p preriscaldata aria non viene mai realizzato, nonostante la più elevata efficienza, uno scambio termico completamente in controcorrente: t t i gas di combustione b ti scambiano bi calore l prima i con il vaporizzatore, i t poii con il surriscaldatore i ld t e quindi con l’economizzatore. La ragione di ciò risiede nel fatto che uno scambio controcorrente produrrebbe temperature inammissibili per la resistenza dei tubi del surriscaldatore Tp = Tp ≅ Ti se α e ⋅ Te + α i ⋅ Ti α e + αi αi α e Tp ≅ VAP Te + Ti 2 se SH GENERATORI DI VAPORE αi ≈ α e Proff. M. Gambini, M. Vellini Percorso - ARIA - FUMI comb. IRR CONV VAP, SHi SHc, RH, ECO fumi PA aria preriscaldata aria acqua att att. SH1 SH2 TSH Centrali termoelettriche il surriscaldatore, per limitare le sollecitazioni termiche, viene protetto dalla “vista” della fiamma (cioè ( dall’irraggiamento): ) nelle caldaie di più grande potenzialità, solamente una sua porzione (SHi) viene esposta all’irraggiamento. In questo caso, il surriscaldatore irraggiato viene in genere fatto percorrere in equicorrente dal vapore proveniente dal corpo cilindrico (tratto di surriscaldamento a più bassa temperatura) per limitare la temperatura dei tubi. il surriscaldatore viene suddiviso in due o tre banchi (surriscaldatore primario, secondario e, al limite, terziario) da disporre opportunamente, eventualmente con ll’interposizione interposizione del risurriscaldatore (RH), lungo il percorso dei fumi a valle del vaporizzatore la suddivisione del surriscaldatore in almeno due banchi (primario ( e secondario)) è di fondamentale importanza per la regolazione della temperatura finale del vapore surriscaldato (TSH) GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche ARIA - FUMI Percorso comb. IRR CONV VAP, SHi SHc, RH, ECO f i fumi PA aria preriscaldata aria • nel circuito aria-fumi è generalmente inserito un preriscaldatore dell’aria comburente (PA) per assicurare un elevato rendimento del generatore di vapore • esistono dei limiti inferiori per la temperatura di scarico dei gas combusti dovuti a: • corrosioni acide: con combustibili di scarso pregio (oli pesanti, carbone, etc.) contenenti zolfo, interviene il problema della così detta “rugiada acida” se la temperatura scende sotto determinati limiti (140-150°C) • dispersione dei fumi nell’ambiente: con combustibili pregiati privi di zolfo, occorre assicurare una certa temperatura del pennacchio dei fumi alla sommità del camino per consentirne una adeguata dispersione nell’atmosfera (almeno 80-100°C) • risulterebbe impraticabile abbattere la temperatura dei fumi fino a temperature prossime a quelle ambiente, tramite preriscaldo di aria comburente, a causa delle imponenti superficie di scambio termico richieste (scambio aria-gas) e degli inammissibili costi conseguenti GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Generatori di vapore di grande potenzialità: CALDAIE A U ROVESCIO Caratteristiche: • elevato sviluppo verticale della camera di combustione (la cui altezza è tanto più condizionata dalle esigenze di circolazione dell’acqua dell acqua quanto più è alta la pressione di esercizio) • contenimento dell’altezza complessiva della caldaia (in virtù del tratto discendente affiancato alla camera di combustione) GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Schema completo di CALDAIE A U ROVESCIO GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Schema completo di CALDAIE A U ROVESCIO GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche C CALDAIE A U ROVESCIO O SC O GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche C CALDAIE A U ROVESCIO O SC O GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche C CALDAIE A U ROVESCIO O SC O GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche C CALDAIE A U ROVESCIO O SC O GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche C CALDAIE A U ROVESCIO: O SC O il preriscaldatore i ld d’aria d’ i GENERATORI DI VAPORE Proff. M. Gambini, M. Vellini - Centrali termoelettriche Prestazioni energetiche dei GENERATORI DI VAPORE GENERATORI DI VAPORE
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