Impianti motore a vapore

Impianti motore a vapore

Impianti motori a vapore costituiscono la prima famiglia di impianti motori termici tradizionali. Sono destinati soprattutto alla produzione di potenza meccanica da utilizzare per la produzione di potenza elettrica accoppiando alla turbina un alternatore. Sono impianti a circuito chiuso nei quali si realizza un ciclo termodinamico in senso stretto descritto dal fluido motore acqua.

Circuito dell'impianto a vapore elementare

Iniziamo studiando il circuito dell’impianto a vapore elementare, ovvero l’impianto a ciclo di vapore di struttura più semplice fra quelle concepibili per vapore surriscaldato (Hirn), caratterizzato da massa costante.

Generatore di vapore

Il generatore di vapore (G.V.) è un particolare sistema scambiatore di calore nel quale il fluido riceve calore a spese di una combustione esterna; l’ambiente che contiene il fluido motore (sistema acqua-vapore) è separato da quello più ampio, in cui avviene la combustione, dalle pareti metalliche attraverso le quali avviene lo scambio di calore. Le pareti metalliche sono in prevalenza tubiere, per motivi funzionali e costruttivi, nonché per elevare al massimo il rapporto superficie-volume del sistema acqua-vapore.

Componenti principali del generatore di vapore

• Economizzatore dell’acqua di alimento: L’acqua viene riscaldata fino alla temperatura di vaporizzazione (liquido saturo), almeno nei grandi impianti, alla pressione di esercizio (quella di equilibrio) ed a spese dei cascami di calore contenuti nei fumi caldi.
• Vaporizzatore o bollitore: Avviene la vaporizzazione completa dell’acqua (cioè il liquido saturo diventa vapore saturo); il vapore saturo, pressoché secco, è contenuto in un corpo cilindrico, posto nella parte alta del generatore.
• Surriscaldatore: Avviene il surriscaldamento, a pressione costante, fino ad una temperatura che è massima nell’ambito del ciclo. Il vapore saturo è prelevato dal corpo cilindrico.

Pompe e turbina

Le due pompe, pompa di estrazione (P.E.) e pompa di alimento (P.A.), conducono l’acqua di alimento alla pressione di esercizio che vige in caldaia.

Il vapore surriscaldato giunge alla turbina (T), dove espande in condizioni pressoché adiabatiche producendo la potenza meccanica che è poi convertita nell’alternatore in potenza elettrica. Nella turbina T il fluido subisce un aumento del suo volume specifico ed una contemporanea riduzione di pressione e temperatura. Essendo l’espansione adiabatica e la variazione di energia cinetica tra monte e valle della turbina trascurabile, alla caduta di entalpia del vapore tra le sezioni 3 e 4’ del circuito corrisponde un pari importo di lavoro tecnico prodotto.

Condensatore

Nel condensatore la condensazione del vapore è totale: il fluido ne esce allo stato liquido pressoché saturo e in depressione, poiché il condensatore funziona a pressioni dell’ordine di 4-5 centesimi della pressione ambiente (ovvero alla pressione di equilibrio corrispondente alla temperatura di esercizio, che è di alcuni gradi superiore alla temperatura dell’acqua di refrigerazione). La condensa viene estratta dal “pozzo caldo” (nella parte inferiore del condensatore) dalla pompa di estrazione P.E. ed immessa in un polmone (a cielo aperto nell’impianto elementare), che funge da “volano” di massa liquida dell’intero impianto.

Da questo punto l’acqua di alimento per raggiungere la caldaia (G.V.), dove vige una pressione molto elevata, passa attraverso una pompa di alimentazione P.A.