Appunti Centrali termiche

INDICE DEL PROGRAMMA

Presentazione del corso di Centrali Termiche ..................................................2

Struttura e Contenuti del Corso ...................................................................2

Introduzione alle Centrali Termiche ..............................................................3

Breve Storia delle Tecnologie a Vapore ........................................................3

Sistemi di produzione del vapore .....................................................................5

Generatori di Vapore ........................................................................................8

Criteri di classi cazione dei generatori di vapore .........................................8

Generatori di vapore a Tubi d’acqua ..............................................................11

La forma generale del generatore di vapore a tubi d’acqua ......................12

Le Componenti principali del generatore di vapore a tubi d’acqua ...........13

Introduzione alla Progettazione ......................................................................29

Introduzione alla progettazione ..................................................................29

Dimensionamento della camera di combustione .......................................46

Dimensionamento degli scambiatori nel secondo percorso ......................57

Dimensionamento del surriscaldatore secondario SH2 .........................62

Dimensionamento del surriscaldatore primario SH1 ..............................65

Dimensionamento del risurriscaldatore primario RSH ............................68

Economizzatore ......................................................................................72

Preriscaldatore ........................................................................................78

Dimensionamento del corpo cilindrico (steam drum) .............................82

Tiraggio ...................................................................................................84

Veri che di sicurezza e aspetti a lungo termine .............................................90

Veri che idrauliche e termiche ....................................................................90

Metallurgia dei generatori di vapore ...........................................................94 1

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fi fi CENTRALI TERMICHE

Paolo Venturini Lezione 1 - martedì 03 marzo 2026

Presentazione del corso di Centrali Termiche

Struttura e Contenuti del Corso

Qual è il programma previsto e quali argomenti verranno trattati?

Il programma del corso è in fase di aggiornamento rispetto all'anno precedente e si articola nei seguenti punti

principali:

1. Introduzione: la lezione odierna servirà a fornire definizioni di base e alcuni cenni storici sulle tecnologie di

produzione e utilizzo del vapore.

2. Sistemi di produzione del vapore: si analizzeranno in generale i sistemi per la generazione di vapore, con un

focus specifico sui generatori a tubi d'acqua. Questi ultimi sono i più diffusi, specialmente nelle centrali

termoelettriche e negli impianti industriali di grande taglia.

3. Componenti e progettazione: si studieranno i componenti principali (economizzatore, evaporatore,

surriscaldatore) e i dispositivi ausiliari. A differenza di un approccio più semplificato, come quello visto nel

corso di Macchine, qui si approfondiranno i vincoli e le complessità che emergono durante la progettazione

reale di un generatore di vapore.

4. Esempio di progettazione: l'obiettivo di quest'anno è introdurre una parte pratica sulla progettazione. Si

prevede di sviluppare un esempio di calcolo dettagliato, confrontando un generatore di vapore di grande

taglia alimentato a olio combustibile con uno alimentato a gas naturale. Questo confronto metterà in luce

come la scelta del combustibile influenzi radicalmente la configurazione del generatore.

Quali sono i testi consigliati e il materiale didattico?

I testi menzionati, utili per approfondimenti e reperibili in biblioteca, sono:

"Generatore di vapore, Descrizione e progettazione" di Naviglio (2017).

▪︎ "Steam: Its Generation and Use" della Babcock & Wilcox, una delle maggiori aziende produttrici del settore.

▪︎ I due volumi del Professor Molinari, precedente titolare del corso.

▪︎

Il docente sta preparando una dispensa specifica sulla progettazione, basata su questi testi. Se completata,

sostituirà parte dei libri. Tutto il materiale didattico, incluse le slide e le dispense, sarà disponibile sulla pagina e-

learning del corso. Le slide dell'anno precedente sono già presenti ma potrebbero subire lievi modifiche.

Come si svolgerà l'esame?

L'esame consisterà in una prova scritta della durata di un'ora e mezza, composta da tre domande a risposta

aperta. Le domande potranno riguardare sia aspetti teorici che esercizi di calcolo. Non è previsto un esame

orale. Il voto finale sarà la media aritmetica dei voti ottenuti nelle tre domande, che hanno tutte lo stesso peso.

Per superare l'esame, è necessario rispondere in modo suf ciente ad almeno due domande su tre. 2

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Introduzione alle Centrali Termiche

Che cosa si intende per "centrale termica" e come si classifica?

Una centrale termica può essere definita, nel modo più generale possibile, come un sistema che produce calore e

lo rende disponibile a un utente tramite un fluido termovettore.

Una delle classificazioni più comuni si basa proprio sul tipo di fluido termovettore utilizzato, che a sua volta ne

definisce l'ambito di applicazione:

acqua calda (<100 °C): impiegata per applicazioni civili (riscaldamento ambienti) o industriali a bassa

▪︎ temperatura.

acqua surriscaldata (>100 °C): usata per processi industriali di piccola taglia, con temperature che si aggirano

▪︎ sui (120÷150) °C.

vapore, olio diatermico (250 - 300 °C) o gas: utilizzati per applicazioni industriali, produzione di potenza e

▪︎ generazione di energia elettrica, come nelle grandi centrali termoelettriche.

Il focus di questo corso sarà sui sistemi di produzione di calore per applicazioni industriali e di potenza, con

particolare attenzione al vapore, che è il termovettore più utilizzato in questo campo. I concetti trattati, tuttavia,

sono in gran parte applicabili anche a impianti di taglia inferiore.

Breve Storia delle Tecnologie a Vapore

Quali sono state le tappe fondamentali nello sviluppo delle macchine a vapore?

La storia dello sfruttamento dell'energia del vapore è lunga e affascinante, e ripercorrerla ci aiuta a comprendere

l'evoluzione delle tecnologie che studieremo.

I secolo a.C. - L’Eolipila: la prima applicazione documentata della forza del vapore è l'eolipila di Erone di

▪︎ Alessandria. Si trattava di una sfera metallica che ruotava grazie alla spinta generata dal vapore che fuoriusciva

da due ugelli contrapposti. Si narra che fu usata per aprire scenograficamente le porte del tempio di Serapide,

simulando un intervento divino.

1629 - La prima turbina a vapore: dopo un lungo salto temporale, Giovanni Branca descrive un dispositivo

▪︎ che rappresenta il primo concetto di turbina a vapore. Un getto di vapore, proveniente da un contenitore a

forma di statua, colpiva le pale di un mulino per azionare dei pestelli per il grano.

Fine '600 - La Rivoluzione Industriale e la necessità del vapore: la crescente domanda di carbone durante la

▪︎ Rivoluzione Industriale portò a scavare miniere sempre più profonde, che spesso si allagavano. Questa

necessità pratica fu la scintilla che innescò lo sviluppo di macchine a vapore per azionare le pompe idrovore e

drenare l'acqua. I primi generatori erano essenzialmente dei "pentoloni" posti su un focolare.

1680 - La pentola a pressione e la valvola di sicurezza: Denis Papin inventa la prima pentola a pressione e,

▪︎ cosa fondamentale, la prima valvola di sicurezza a peso. Questo dispositivo fu cruciale per prevenire le

disastrose esplosioni delle caldaie, uno dei problemi principali dell'epoca, e aprì la strada a progetti più sicuri e

a pressioni di esercizio maggiori.

1698-1712 - I primi motori commerciali: Thomas Savery sviluppa il primo motore a vapore commerciale

▪︎ (1698) per pompare acqua dalle miniere, anche se con un'efficienza molto bassa e una capacità limitata

(sollevava l'acqua per circa 6 metri). Nel 1712, Thomas Newcomen realizza un motore a vapore più pratico e

affidabile, che utilizzava un pistone e un bilanciere e divenne un modello di riferimento. 3

Come si sono evolute le caldaie verso le configurazioni moderne?

Fine '700 - L'era di James Watt e le caldaie "Wagon": James Watt, il cui nome è legato all'unità di misura

▪︎ della potenza, perfezionò notevolmente i motori a vapore. In questo periodo si diffondono le caldaie

allungate, simili a vagoni ferroviari ("wagon boilers"), poggiate su focolari chiusi per ottimizzare lo scambio

termico.

1766 - L'invenzione della caldaia a tubi d'acqua: l'idea rivoluzionaria di far scorrere l'acqua all'interno di tubi

▪︎ riscaldati dal fuoco, anziché riscaldare un'intera massa d'acqua, nasce in questo periodo. Questo approccio

non solo migliorava lo scambio termico, ma aumentava drasticamente la sicurezza: l'eventuale esplosione di un

singolo tubo era molto meno catastrofica di quella dell'intera caldaia. Sebbene questa prima versione avesse

problemi di circolazione, il concetto era nato.

Inizio '800 - Le prime applicazioni sui trasporti: il vapore viene applicato con successo ai trasporti. Nel 1783

▪︎ si ha il primo battello a vapore, mentre nel 1807 viene inaugurato il primo servizio commerciale di successo tra

New York e Albany (240 km in 32 ore). Nel 1812 appare la prima locomotiva a vapore.

Metà '800 - Le caldaie industriali Cornovaglia e Lancashire: si diffondono caldaie industriali come la

▪︎ Cornovaglia, con un focolare interno al serbatoio. Successivamente, nella caldaia Lancashire, si introduce l'idea

di sostituire i grandi condotti dei fumi con tanti piccoli tubi ("tubi di fumo") per aumentare la superficie di

scambio. Da qui nasce la distinzione fondamentale tra caldaie a tubi d'acqua e caldaie a tubi di fumo.

1856 e oltre - La nascita delle caldaie moderne: Wilcox, riprendendo l'idea della caldaia a tubi d'acqua,

▪︎ progetta un modello con tubi inclinati e introduce il corpo cilindrico, un serbatoio superiore per la separazione

tra acqua e vapore, ancora oggi presente. Associandosi con Babcock, fonda la Babcock & Wilcox, azienda che

guiderà l'innovazione nel settore.

1882 - La prima centrale elettrica a vapore: a New York, la Edison Company inaugura la prima centrale per la

▪︎ produzione di energia elettrica (100 kW), alimentando 59 clienti grazie a una caldaia Babcock & Wilcox.

1918 - L'uso del polverino di carbone: l'utilizzo del carbone polverizzato segna un passo avanti nell'efficienza

▪︎ della combustione, permettendo una combustione più rapida, con minori incombusti e un impatto ambientale

ridotto rispetto al carbone in pezzi.

Questo percorso storico mostra una chiara tendenza: lo sviluppo tecnologico, specialmente nel Regno Unito e poi

negli Stati Uniti, ha permesso di lavorare a pressioni sempre più elevate (da 0.12 atmosfere a inizio '800 a oltre 1

atmosfera a fine '800), migliorando sicurezza, efficienza e aprendo la strada alle moderne centrali che studieremo

nel corso. 4

Sistemi di produzione del vapore

Andiamo a esplorare l’intero percorso dell’acqua, dalla sua origine e dai trattamenti iniziali necessari per renderla

idonea, fino alla sua trasformazione in vapore all’interno del generatore e alla successiva distribuzione e utilizzo,

analizzando anche i sistemi di controllo e recupero per garantire un funzionamento sicuro ed economico.

Make Up Water (acqua in ingresso)

L’acqua può provenire da diverse fonti, come falde, reti di distribuzione, mare o bacini interni.

La sua origine è cruciale perché determina la tipologia di trattamenti necessari per renderla compatibile con

l'impianto.

Primary Water Treatment System (sistema di trattamento dell'acqua primario)

Questo sistema svolge funzioni essenziali, tra cui la filtrazione per eliminare i solidi presenti (almeno la frazione più

grossa) e la rimozione dei composti che tendono a formare calcare.

Quest'ultima operazione viene solitamente eseguita tramite additivi chimici che convertono i composti contenenti

calcio in sostanze che non possono più partecipare alla formazione di incrostazioni.

Hotwell/Deaerator (condizionamento termico e rimozione dell'ossigeno disciolto)

L'acqua viene condizionata termicamente, ovvero la sua temperatura viene incrementata, per ridurre il più

possibile l'ossigeno disciolto.

L'ossigeno disciolto è problematico perché, a temperature operative elevate tipiche per la produzione di energia

elettrica, circa (540 ÷ 550)°C, può causare ossidazione a caldo dei metalli, portando a fessurazioni, punti deboli e

potenziali rotture o fusioni dei tubi. 5

Questo processo avviene in diversi punti:

pozzo caldo del condensatore: un serbatoio di raccolta del vapore condensato dove viene immesso vapore

▪︎ spillato per il condizionamento termico e la riduzione dell'ossigeno.

degasatore (rigeneratore a miscela): una torre in cui l'acqua entra nella parte alta e vapore spillato entra nella

▪︎ parte bassa per favorire il degasaggio.

Chemical Dosing (dosatura chimica)

Questa operazione, spesso eseguita direttamente all'interno del corpo cilindrico, prevede l'addizione di sostanze

chimiche per un'ulteriore depurazione dell'acqua.

Le sue funzioni includono:

ridurre ulteriormente l'ossigeno disciolto non rimosso nelle fasi precedenti.

▪︎ controllare il pH per evitare condizioni aggressive che potrebbero causare corrosione.

▪︎ prevenire la formazione di schiuma, che può ostruire passaggi e valvole, intrappolare particelle solide e, in

▪︎ condizioni di bassa potenza o spegnimento, favorire incrostazioni .

Generatore di Vapore (Economizzatore, Evaporatore, Surriscaldatore)

Dopo i trattamenti, l'acqua entra nel generatore di vapore, che è composto da diverse sezioni:

economizzatore (economizer): il primo componente in cui l'acqua entra.

▪︎ →

evaporatore (Steam Boiler caldaia/fornace): questa è la zona in cui si sviluppa la fiamma e avviene la

▪︎ combustione del combustibile. La pressione interna è controllata e limitata al massimo consentito tramite

sensori e valvole di spurgo per prevenire esplosioni. È cruciale mantenere il livello nominale dell'acqua e la

portata nei tubi; una riduzione inaspettata della portata, a calore costante, può causare un'evaporazione più

rapida e la formazione di un film di vapore sulle superfici interne dei tubi, alterando lo scambio termico e

potendo portare a surriscaldamento e rottura. Lo scambio termico in questa zona avviene prevalentemente per

irraggiamento.

surriscaldatore e risurriscaldatori: qui il vapore viene ulteriormente riscaldato. Lo scambio termico in queste

▪︎ sezioni avviene essenzialmente per convezione.

TDS Blowdown (gestione dei solidi disciolti)

Nonostante i trattamenti, il vapore in uscita dalla caldaia può contenere solidi disciolti residui.

Sensori misurano la loro concentrazione nell'acqua in uscita: se questa supera un limite accettabile, si apre una

valvola di spurgo che scarica l'acqua contaminata.

L'acqua spurgata viene poi rimpiazzata e reimmessa nel circuito per subire nuovamente tutti i processi di

trattamento.

Bottom Blowdown (gestione dei solidi sospesi)

I solidi sospesi tendono a depositarsi sul fondo della caldaia, in particolare nei collettori o nel corpo cilindrico,

formando uno strato di fango.

Per rimuoverli, si effettuano spurghi inferiori (bottom blowdown) periodici.

Questo è fondamentale per prevenire che le particelle tornino in circolo causando incrostazioni, che alterano lo

scambio termico e aumentano le perdite di carico, e per evitare accumuli di calore che potrebbero surriscaldare le

pareti del serbatoio. 6

Blowdown Vessel e Recupero Energetico

Gli spurghi (sia superficiali che inferiori) vengono spesso convogliati in un serbatoio di accumulo chiamato

blowdown vessel per ridurne la temperatura e la pressione.

Se la quantità d'acqua spurgata è sufficientemente grande, si può attuare un recupero energetico inviandola a un

serbatoio flash (optional flash vessel).

Qui, un brusco abbassamento di pressione provoca la vaporizzazione istantanea di parte dell'acqua, separando

vapore di bassa qualità (riutilizzabile, ad esempio per il degasaggio) dalla fase liquida, che è più concentrata di

solidi.

Steam To Process (sistema di distribuzione del vapore)

Il vapore prodotto esce dalla caldaia ed entra in un sistema di distribuzione che lo porta fino all'utilizzatore.

Si lavora per differenze di pressione: il vapore in uscita dalla caldaia ha una pressione superiore a quella di utilizzo,

e lungo il percorso ci sono valvole che regolano la pressione per compensare le perdite intrinseche e calibrare il

valore richiesto dall’utenza (leakes unwanted losses).

Possono essere previsti spillamenti per il degasaggio o altri usi.

Condensate Traps on Steam Lines (trappole del condensato)

Lungo il percorso di distribuzione, la pressione e la temperatura del vapore diminuiscono, portando alla

condensazione di una parte di esso.

Le trappole del condensato sono collettori che raccolgono questo condensato, il quale viene poi riportato alla

caldaia per essere riutilizzato.

Questo recupero è vantaggioso perché il condensato è acqua di elevata qualità, già sottoposta a tutti i

trattamenti.

Utilizzatore (Processi Diretti e Indiretti)

L'utilizzatore impiega il vapore in due modi principali:

processi diretti: consumano il vapore inviato dal generatore, e l'utilizzatore non restituisce condensa. La

▪︎ disponibilità di acqua deve quindi coprire interame