Sistemi Energetici - caldai a combustione

Caldaie a Combustione

Il progetto è condizionato da:

1. Condizioni del vapore generato pressione e temperatura di SH
2. Taglia dell'impianto Portata di vapore generato
3. 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 possibile tipologie costruttive:

1. Caldaie a tubi di fumo
2. 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:

1. Condizioni del vapore generato pressione e temperatura di SH
2. Taglia dell'impianto Portata di vapore generato
3. 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, se 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)

Pregio:

• grande affidabilità
• se si ottura un tubo diminuisce le potenzialità ma non vi sono pericoli di surriscaldamento del materiale con conseguente rottura
• grande stabilità
• si progetta nel nome 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 RIGENER

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

doveΔT_lmov sono fissate dalle

• temperature del fluido
• temperature elevate dei gas

1/U = 1/h_g^* + 1/k_iU ≈ h_g^* per elevato

possiamo esporre la superficie di scambio alla 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 < σ < σ_lim (dato il materiale)

all'aumentare delle potenzialità della caldaiaaumenta anche lo spessore del mantello

Aumentano quindi MATERIALI e COSTI

N.B.Anche i tubi di fumo sono soggetti allo stesso ΔPma di compressione non è di fuzione

B. CALDAIE A TUBI D'ACQUA

Risolve:

• maggiore superficie irragiata 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 poniamo trovare una pompa di circolazione pressione 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 assicurato da una portata di fluidi sufficiente

• errori di progettazione
• circolazione insufficiente
• incrostazioni e sporcizie

Allora:

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

STABILITÀ DI FUNZIONAMENTO

Se subentra il flusso tecnico (aumenta h_c)

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

ma:

• onde la differenza di debito aumenta,quindi P_inif - P_out ↑
• la circolazione naturale subentraquindi P_r - P_s ↑
• la portata ricavolante nasce,quindi ṁR ↑
• si ha una diminuzione deltitolo nei risers
• onde coefficiente di scambiotecnico subentra

PROGETTO NEL RAMO STABILE DELLA CURVA

CALDAIE A CORPI CILINDRICIRIPRISTINA AUTONOMAMENTELE CONDIZIONI DI TITOLOOTTIMAL

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 SURNRISCALDATORI e RISURNRISCALDATORI

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°CTgas = 1300°C}
3. SH CONVETTIVI: sono banchi di tubi alettati_{Tgas ≤ 100°CTpe = 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

Liquid

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:
  • Psale
  • Teva 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

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 costosi.

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