Generatore di vapore - Wikipedia

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Generatore di vapore
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Un generatore di vapore realizza il riscaldamento isobaro di un liquido provocandone l'ebollizione, in
modo continuo ed in condizioni controllate per impiegarlo come vettore energetico. Vengono classificati in
base alla fonte di energia sfruttata dal generatore: può trattarsi ad esempio di un combustibile, di energia
solare, di energia nucleare, di un altro fluido esausto come nel caso dei ciclo combinato e della
cogenerazione. La caldaia è invece solo una parte del generatore di vapore a combustione, che coincide
fisicamente ma non concettualmente con il combustore.
Indice
1 Classificazione
2 Storia
3 Generatore a combustione
3.1 Regolazione
4 Cogeneratore di vapore
5 Bibliografia
6 Note
7 Altri progetti
8 Voci correlate
9 Collegamenti esterni
Classificazione
Come visto, si possono classificare i generatori secondo:
il vettore energetico impiegato per la generazione (combustione, nucleare, solare) e la dipendenza
della sua disponibilità dalla generazione (apposito o cogeneratore)
il tipo di partizione (generatore a tubi di fluido/generatore a tubi di fumo)
la circolazione naturale o forzata del fluido.
il contenuto di fluido in rapporto alla superficie di scambio
la pressione massima di esercizio (atmosferici, pressurizzati, in depressione)
la portata di vapore
Mobilità dell'installazione (fissa, semifissa[1], locomobile[2], locomotiva[3])
Storia
La eolipila rappresentava di fatto un assieme protoGeneratore - protomotore a vapore. La sfera di
Eliogabalo non ebbe seguito pratico, né vi furono tentativi concreti di sfruttare il vapore fino al tardo XVII
secolo; le ragioni vanno rintracciate nell'abbondanza di manodopera a basso costo (servitù) e mancata
esigenza di alta potenza e di combustibile adatto ed economico (il legno ha bassissimo potere calorifico per
cui non è adatto alla generazione di vapore se non con particolari accorgimenti, relativamente più recenti).
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Nel XVIII secolo questi fattori cambiano e il vapore comincia ad essere impiegato come vettore energetico
avviando la tecnologia dei generatori a combustione, la prima e ancor oggi più diffusa, in particolare
impiegando il combustore a letto fisso. La caldaia era allora un recipiente metallico, di solito cilindrico posto
su una fiamma esterna a carbonella, con uscita su cui agisce una contropressione controllata, sviluppato a
partire dal semplice modello della pentola a pressione, ma la nascita delle tecnologia avviene con il
passaggio alla fiamma interna con la caldaia Cornovaglia, che prende il nome dalla omonima regione
inglese, a immersione e quindi grande volume d'acqua, la cui struttura è sostanzialmente simile ai moderni
scaldabagno domestici. Con
l'apice dell'impiego della
tecnologia tra la fine del XVIII
e l'inizio del XIX secolo,
l'esigenza dell'aumento della
superficie di scambio
determinò la transizione a
sistemi a tubi di fumo che
consentivano peraltro un
Fig. 2: Cornovaglia a due focolari
Figura 1: Schema del
migliore controllo del moto
Cornovaglia
convettivo del medio volume d'acqua, il cui impiego più importante fu
sicuramente nelle locomotive a vapore. Il limite principale rimaneva la
sicurezza dell'impianto, che in sovraccarico tendeva ad esplodere per le elevate
pressioni che si raggiungevano nell'acqua.
Figura 3: Generatore a tubi
di fumo
Nel 1867 Babcock e Wilcox superarono il problema invertendo la partizione:
all'interno dei tubi, anziché i fumi di combustione, veniva fatta circolare l'acqua
da vaporizzare, con migliore coefficiente di scambio termico e maggiori
superfici di scambio poiché la circolazione del liquido poteva avvenire a parità
di perdita di carico in più tubi più piccoli e più tortuosi. Inoltre pur funzionando
sostanzialmente a circolazione naturale, permetteva un maggiore irraggiamento
diretto del focolare. Si riduceva perciò globalmente il rapporto volume potenza
complessivo; ulteriori vantaggi erano un avviamento molto più rapido per via
della presenza di meno liquido, e le dimensioni minori delle parti a pressione,
che venivano così ad avere minori spessori (da qui il nome non esplodente).
Vennero quindi sviluppati i generatori a circolazione forzata, il cui primo grosso
rappresentante fu il La Mont, tecnologia oggi imprescindibile e universale. L'evoluzione
dei generatori fu quindi legata fino alla metà del XX secolo all'evoluzione dei
combustibili fossili, con una transizione ai combustibili liquidi nel passaggio dalla
carbochimica alla petrolchimica, che comportò lo sviluppo della tecnologia
dell'iniezione e il passaggio allo scambio per irraggiamento che caratterizza i
combustori contemporanei. Lo sfruttamento pacifico dell'energia nucleare ha
comportato una riprogettazione specifica del generatore e un enorme impulso al suo
controllo: nel reattore nucleare ad acqua bollente funziona direttamente col circuito
primario, mentre nel reattore nucleare ad acqua pressurizzata, e nel reattore nucleare al
piombo col secondario o terziario. Infine la tecnologia del solare termodinamico rende
accessibile oggi la generazione di vapore anche su scala inferiore, oltre all'impiego per
semplice riscaldamento.
Figura 4:
Generatore a tubi
d'acqua
Generatore a combustione
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Per approfondire, vedi la voce combustore.
Nel generatore a combustione il generatore si affaccia sulla camera di combustione, solitamente un
combustore a letto fluido, e non può quindi mai essere uno scambiatore a miscela. Nel caso di combustori a
solido è prevista una camera, detta cinerario sottostante in cui si accumulano le ceneri di combustione e da
cui queste vengono estratte ed è solitamente a pressione inferiore all'atmosferica se non funziona a
bruciatore.
il duomo (fig. 1), specifico deli generatori a tubi di fumo, che è di fatto una camera di calma nella
parte alta della Generatore in cui si ottiene una separazione per gravità del vapore (leggero) dalle
goccioline d'acqua (pesanti) che vengono trascinate dal vapore stesso.
il corpo cilindrico (fig. 3 e 4), che nei generatori a tubi di fumo è l'involucro contenente la Generatore
stessa; in quelle a tubi d'acqua ve ne è di norma due o più, uno inferiore avente la funzione di
collettore dell'acqua calda non vaporizzata per favorirne il moto convettivo, e uno o più superiori, dei
quali in uno avviene l'evaporazione dell'acqua (e la separazione delle gocce trascinate), e gli eventuali
altri hanno funzione simile a quello inferiore. nei generatori a tubi di fumo, la funzione del corpo
cilindrico superiore è compiuta dal duomo (vedi sopra). nei generatori di tipo marino a tubi d'acqua è
comune porre due corpi cilindrici inferiori e uno superiore, a causa del limitato ingombro in altezza
che rende più difficoltoso il moto convettivo.
il vaporizzatore (non presente nei generatori tipo Cornovaglia),
ossia un assieme di tubi che collegano, nei generatori a tubi di
fumo il focolare al camino, e in quelle a tubi d'acqua i corpi
cilindrici. Il fascio tubiero ha la funzione di aumentare per
quanto possibile la superficie di scambio tra fumi e vapore
saturo.
il camino, condotto esterno di evacuazione dei fumi di
combustione esausti.
Oltre a questi componenti di base, si
distinguono altre parti essenziali:
Corpo cilindrico inferiore (il materiale
in basso è estraneo)
la muratura (vedi fig. 4), un'opera edile
solitamente non portante, e costituita da strati diversi di materiali fittili: uno
strato di laterizio detto refrattario, resistente alle temperature elevate presenti in
Generatore, e in particolare all'ossidazione; uno strato di laterizio o di
costituzione diversa, detto isolante o coibente, avente la funzione di evitare le
dispersioni di calore all'esterno, e infine, eventualmente, uno strato di finitura
portante che può essere a volte sostituito da pannelli metallici o altre coperture.
nei generatori a tubi d'acqua, la muratura comprende anche le chicanes interne
destinate a definire il giro dei fumi (vedi fig. 4);
Generatore a tubi d'acqua
inserito in un combustore
le portelle di ispezione o modernamente passi d'uomo hanno lo scopo di
evacuare le ceneri o la semplice ispezione visiva
il surriscaldatore (vedi fig. 5). Per comprenderne la funzione, si deve
considerare che la Generatore come finora descritta produce vapore d'acqua alla temperatura di
ebollizione, cioè saturo; se la Generatore è ben fatta il vapore è saturo secco, ha cioè assorbito tutto il
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calore latente di vaporizzazione possibile. Ma il vapore saturo è adatto solo alla fornitura di calore per
condensazione; se inviato in turbina, sarà allo scarico saturo umido e quindi permetterà salti di
pressione relativamente bassi. Si fornisce allora ulteriore calore al vapore saturo, in modo di
aumentarne la temperatura a pressione costante. Nelle grandi generatori condizioni normali di
fornitura del vapore sono dell'ordine di 250 bar (25 MPa) a 600 °C (873 K). Per raggiungere queste
temperature non è possibile sfruttare la sola conduzione attraverso i fumi, e i tubi del surriscaldatore
lavorano principalmente per convezione e in parte irraggiamento, sono disposti cioè a vista della
fiamma ma non vi sono esposti direttamente come i tubi vaporizzanti poiché il vapore non è in grado
di drenare bene il calore come l'acqua e tubi di vapore esposti a fiamma arrostirebbero;
l'economizzatore. Allo scopo di ridurre il consumo di combustibile, si cerca di recuperare anche il
calore residuo a bassa temperatura, attraverso apparecchi detti appunto economizzatori. Questi
consentono in pratica il preriscaldamento dell'acqua di alimento e dell'aria comburente, in modo da
ridurre il calore sensibile da fornire a questi, a scapito del calore usato per la vaporizzazione.
Regolazione
Un particolare tipo di regolazione del livello di liquido nel corpo cilindrico di un generatore di vapore è la
cosiddetta regolazione a tre elementi. Le tre variabili controllate (che rappresentano appunto i tre elementi)
sono: il livello stesso, la portata di vapore e la portata di acqua di alimento. In effetti per generatori poco
spinte basterebbe il controllo del solo livello, ma un particolare fenomeno fisico può richiedere fino a tre
elementi per avere un'ottima regolazione del livello stesso. Accade infatti che per elevate richieste di vapore
da parte delle utenze a valle Generatore, la pressione nel corpo cilindrico cali repentinamente aumentando
altrettanto repentinamente l'evaporazione dell'acqua. Tale effetto si traduce nella formazione di grandi bolle
di vapore all'interno del liquido, con conseguente aumento apparente del livello all'interno del corpo
cilindrico. Tale fenomeno è ovviamente tanto più rilevante quanto meno elevato è il volume d'acqua nel
corpo cilindrico e si esaurisce in un transitorio, dopo il quale le variabili tornano a regime se la richiesta di
vapore torna stabile. Può accadere però, che in questo transitorio, proprio nel momento in cui la richiesta di
vapore aumenta, l'ascesa apparente del livello di liquido nel corpo cilindrico induca la regolazione a
diminuire la portata di acqua di alimento, inducendo così nel seguito un sostanziale abbassamento, alquanto
rischioso, del livello. È per questo motivo che oltre a controllare il livello stesso, si affina la regolazione
controllando anche la portata di vapore e facendo in modo che se questa aumenta vi sia un'azione correttiva
sulla portata di acqua alimento (tramite inverter delle pompe o tramite valvola di regolazione) atta ad
aumentarla e a compensare quindi l'apparente innalzamento del livello. È possibile quindi inserire
un'ulteriore sofisticazione nella regolazione, controllando anche la portata di acqua alimento, ricordando
infatti che, parlando di portate massiche, confrontando la portata di acqua alimento e la portata di vapore in
uscita dalla Generatore è possibile effettuare un bilancio di massa del corpo cilindrico. Il controllo della
pressione del vapore all'uscita del generatore dipende anche dalla regolazione della combustione, ovvero una
regolazione combinata di portata olio combustibile (e gas se mista) e portata aria comburente.
Cogeneratore di vapore
Il cogeneratore o generatore a recupero utilizza fonti termiche a monte la cui disponibilità è indipendente
dalla generazione. Per esempio possono sfruttare a valle il calore dei fumi della combustione dello zolfo
per la produzione di acido solforico o quelli degli altoforni. Appartiene a questa categoria il tipo di
generatore impiegato nel ciclo combinato, che riesce a produrre vapore a discrete pressioni (13 - 15 MPa) a
partire dai fumi di un turbogas, sfruttabile da turbine da 120-150 MW per la produzione di energia elettrica.
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Bibliografia
Negri di Montenegro, Bianchi, Peretto, Sistemi energetici, Pitagora editore, Bologna, 2009, ISBN
8837117612
Bandera, La conduzione dei generatori di vapore, UNI Service, Trento, 2008, ISBN 9788861782792.
Note
1. ^ ovvero generatore monoblocco senza serbatoio
2. ^ ovvero generatore monoblocco con serbatoio senza motore trainabili, utilizzati ad esempio in cantiere
3. ^ integrata con un motore a vapore
Altri progetti
Commons (//commons.wikimedia.org/wiki/Pagina_principale?uselang=it) contiene file
multimediali su Generatore di vapore (//commons.wikimedia.org/wiki/Category:Boilers?
uselang=it)
Voci correlate
Locomotiva a vapore
Motore a vapore
Turbina a vapore
Automobile a vapore
Ebollizione
Generazione elettrica
Collegamenti esterni
Verifica termica di un generatore di vapore (http://www.meccanicaweb.it/Appunti/Laboratorio-eprogetti/verifica-termica-generatore-vapore-tubi-fumo.html)
Portale Energia
Portale Ingegneria
Categoria: Ingegneria termotecnica
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