Sistemi Energetici - caldai a combustione

Caldaie a combustione

Il progetto è condizionato da:

• Condizioni del vapore generato: pressione e temperatura di SH
• Taglia dell'impianto
• Portata di vapore generato
• Fonte di energia primaria
• Fonti fossili: gas naturale, olio combustibile, carbone bituminoso, lignite
• Biomasse e rifiuti
• Fonte nucleare
• Fonte solare

Per quello che riguarda le caldaie a combustione per gas naturale, olio combustibile o carbone, si possono distinguere due possibili tipologie costruttive:

• Caldaie a tubi di fumo
• Caldaie a tubi d'acqua

N.B. Non esiste quindi una tipologia univoca per la costruzione dei generatori di vapore.

Caldaie a combustione

Il progetto è condizionato da:

• Condizioni del vapore generato: pressione e temperatura di SH
• Taglia dell'impianto
• Portata di vapore generato
• Fonte di energia primaria
• Fonti fossili: gas naturale, olio combustibile, carbone bituminoso, lignite
• Biomasse e rifiuti
• Fonte nucleare
• Fonte solare

N.B. Non esiste quindi una tipologia univoca per la costruzione dei generatori di vapori.

Per quello che riguarda le caldaie a combustione per gas naturali, olio combustibile o carbone, si possono distinguere due possibili tipologie costruttive:

1. Caldaie a tubi di fumo
2. Caldaie a tubi d'acqua

A. Caldaie a tubi di fumo (per combustibili)

Pregi

• Grande affidabilità
• Se si ottura un tubo diminuiscono le potenzialità ma non vi sono pericoli di surriscaldamento del materiale con conseguente rottura
• Grande stabilità
• Si progetta nel ramo nascente della curva (Ri-Y)

Difetti

• Impossibilità a sfruttare l'irraggiamento
• Sforzi di trazione per pressione di espansione

Aria

Aria

Preriscald

Acqua di alimento

Vap _SH

Vapore saturo

Fumi nei tubi

Fumi nei tubi

Fumi nei tubi

Fumi nei tubi

Acqua rigeneri

I gas caldi sono a contatto con il fluido in cambio di fase.

A. Mancato sfruttamento dell'irraggiamento

Dati il calore da scambiare Q, si ha che:

Q = Σ U_k S_n ΔT_lmov   K = EVA, ECO, SH

Dove ΔT_lmov sono fissate dalle temperature del fluido, temperature elevate dei gas.

1/U = 1/h_g^* + 1/k_i

U ≃ h_g^* per elevato.

Possiamo esporre la superficie di scambio alla fiamma così da sommare il contributo radiativo a quello convettivo.

B. Sforzi

Considerato un condotto cilindrico sottoposto a una differenza di pressione si ha:

σ = (P_e - P) * D / 2S   D = diametro   S = spessore

Poiché: 0 lim (dato il materiale), all'aumentare delle potenzialità della caldaia aumenta anche lo spessore del mantello.

Aumentano quindi materiali e costi.

N.B. Anche i tubi di fumo sono soggetti allo stesso ΔP ma di compressione non è di fusione.

B. Caldaie a tubi d'acqua

Vantaggi

• Maggiore superficie irraggiata dalla fiamma
• Costi contenuti

Le pareti irraggiate dalle fiamme sono costituite da tubi verticali collegati con alette continue.

Il moto nei banchi dell'EVA è favorito dalla differenza di densità del fluido tra tubi di caduta: liquido saturo; tubi di risalita: miscela bifase.

Difetti

• Deve scaldare grande quantità di acqua
• Avviamenti lenti
• Cambi di carico lenti

Circolazione assistita

Nel downcomer possiamo trovare una pompa di circolazione per pressioni di sovrapressione superiori a 120 - 130 bar.

Problemi di circolazione

Nelle caldaie a tubi d'acqua esistono problemi di distribuzione del liquido nei risers poiché, se nei risers non è assicurata una portata di fluidi sufficiente:

• Errori di progettazione
• Circolazione insufficiente
• Incrostazioni e sporcizie

Allora:

• Coefficiente di scambio termico non è elevato
• Fusione della parete del fondo
• Tubo scoppia

Stabilità di funzionamento

Se subentra il flusso termico (aumenta h_c):

• Aumenta il titolo dei risers: Xs + ΔX
• Aumenta la temperatura di parete interna ed esterna.

Ma:

Onde la differenza di debito aumenta, quindi P_inif - P_out ↑.

La circolazione naturale subentra, quindi P_r - P_s ↑.

La portata ricircolante nasce, quindi ṁR ↑.

Si ha una diminuzione del titolo nei risers, onde coefficiente di scambio termico subentra.

Progetto nel ramo stabile della curva.

Caldaie a corpi cilindrici

Ripristina autonomamente le condizioni di titolo ottimali.

Caldaie ad attraversamento

Si tratta di una configurazione sviluppata per pressioni supercritiche in cui non vi è la fase di evaporazione e non sono quindi spartite per contenere la temperatura dei tubi inzzugioli della fiamma.

• Vantaggio: il contenuto di fluido è molto minore rispetto alle caldaie a corpo cilindrico e quindi risposta più rapida ai transitori (minore inerzia termica).

Svantaggi:

• Minore inerzia termica e quindi meno stabile
• Portata determinante del sistema di controllo della pompa
• Una zona di caldaia lavora oltre il punto di crisi termica. Ruota.

Meno stabili di quelle a corpo cilindrico.

Banchi di surriscaldatori e risurriscaldatori

Ci sono 3 tipologie di banchi di surriscaldamento:

1. SH radianti: sono pareti membranate di tubi lisci che prendono energia affacciate alla fiamma _{Tpe = Tvar + 100°C}
2. SH a piastra: sono tubi lisci o U che ricevono calore per convezione e irraggiamento _{Tpe = Tvar + 80°C Tgas = 1300°C}
3. SH convettivi: sono banchi di tubi alettati _{Tgas ≤ 100°C Tpe = Tvar ≃}

Scopo: surriscaldano vapore sano.

Scopo: prove di vapore mediante caletti.

Nota bene: non possono essere a diretto contatto con la fiamma poiché il coefficiente di scambio termico convettivo non è tale da consentire _{Tpe < Tmax}.

Disposizione tipica in impianti di grossa taglia subcritici

2000°C

1200

900

500

350

150

Evaporatore

Economizzatore

SH-RH

Fluido bifase

Vapore

Vapore

Vapore

Vapore

Liquido

Aria

Evaporatore: sempre a T gas maggiore.

Economizzatore: in coda.

SH RH: disposizione in base al progetto.

Problemi operativi dei generatori di vapore

Possibile formazione di vapore nei banchi h dell’ecotermostatore (sia per caldaie a corpi cilindrici che a tubi di fumo).

Se si forma del vapore:

• Volume specifico aumenta
• Velocità aumenta per mantenere costante la portata
• Aumentano le perdite di carico

Se la pompa non è in grado di vincere le perdite, a fronte di una portata evaporata assegnata, il corpo cilindrico si svuota e l’impianto va in blocco.

Quindi rischio:

• Fusione dei tubi
• Vibrazioni
• Rotture per fatica

Donato alla formazione di bolle.

N.B. Si verifica soprattutto ai carichi parziali.

Soluzioni

• ΔT_oi sotto raffreddamento dell'acqua di alimento: all'interno dell'evaporatore, questo ti offre un margine di sicurezza colpevole al problema che in caso di sbilanciamento ai cicli parziali.
• Pressurizzazione dei banchi mediante valvola di laminazione: chiudendo la valvola si premunisce il mercato:
  • P sale
  • T eva cresce
  • Si allontana il rischio di formare bolle
  • Pompa Alin
  • ECO
  • Valv
  • Corpo cilindrico

Dove entra in grado di vincere le perdite di carico aggiuntive dovute alla valvola.

Temperatura dei fumi al camino

Vincoli:

• Disperdere i fumi in ambiente: se troppo freddi tendono a ristagnare (inquinanti)
• Contenimento del calore sensibile perso (rendimento di caldaia)
• Evitare condense di sostanze acide (manutenzione struttura)

Dare inoltre T_pe > T_cond.

Se onde fumi T_cam > T_cond, è possibile che le pareti di scambio tra fumi e sue del percorso dove avviene un cambio di temperatura improvviso e con la condensazione di acque e acidi.

Parete:

R_f h_o = (60 ÷ 80) W / m²K → T_p,e = (T_fumi + T_aria) / 2 = 167,5 °C

T_fumi = 120 °C

T_aria = 215 °C

Possibile condense nella parte più vicina al camino.

Preriscaldatore d'aria rigenerativo rotante

Quando uso un preriscaldatore d'aria di tipo rigenerativo rotante tale che:

• Costi poco: realizzato con materiali poco costosi e quindi poter cambiare spesso le superfici di scambio.
• Poter sostituire rapidamente: ridotti tempi di fermo impianto.

Si dice: Ljungstron.

Condizioni:

• Pressioni simili delle correnti, per evitare infiltramenti
• Fluidi compatibili, perché un minimo mescolamento c'è sempre

Il rotore è diviso in settori, ognuno con il suo cestello, volubilità dei migliaia di, fatti con lamiere poco costose.

Arie e fumi percorrono lo scambiatore in controcorrente che ruota con velocità di rotazione 1-2 m/s.

Ciascun cestello è percorso alternativamente in controcorrente dai gas caldi e aria fredda.

L'energia accumulata viene rilasciata all'aria quando questa percorre lo scambiatore.

L'elevata inerzia termica della massa dello scambiatore limita a pochi gradi l'oscillazione di temperatura in ogni punto dei materiali garantendo una elevata efficienza di scambio termico.