Il calore necessario per questa operazione può essere fornito sia dalla combustione di energie fossili (metano, gasolio, ecc.) sia da un cascame termico (gas caldi di espulsione da motori, turbine, ecc.) per quanto riguarda i generatori di vapore a recupero. Nell'articolo ci concentreremo soprattutto sulle caldaie a vapore a “uso tecnologico” con producibilità oraria al di sotto delle 20 t/h dato che ricoprono ben il 90% del mercato.
Quali sono i settori che utilizzano i generatori di vapore?
Per quanto riguarda gli impieghi, i generatori di vapore sono utilizzati in moltissimi processi industriali, quali:- Industrie conciarie
- Industrie del settore lattiero/caseario
- Industrie conserviere
- Industrie di produzione bevande
- Cantine vinicole
- Oleifici
- Mangimifici
- Industrie di lavorazione delle carni
- Industrie della lavorazione di plastica e gomma
- Industrie farmaceutiche
- Industrie metalmeccaniche
- Lavanderie
- Industrie tessili
- Industrie chimiche e galvaniche
- Raffinerie
I campi di applicazione sono vasti e non si fermano qui; infatti, i generatori di vapore possono essere impiegati anche negli ospedali, case di cura (RSA) e complessi universitari.
Caratteristiche che deve avere un generatore di vapore industriale ad alta efficienza
I generatori di vapore si suddividono in due grandi tipologie: a “tubi da fumo” e a “tubi d’acqua”.
Molto sinteticamente, le caldaie “a tubi da fumo” sono costituite da un grande serbatoio cilindrico nel quale trova spazio la “camera di combustione” (un cilindro dove si sviluppa la fiamma del bruciatore) e una serie di tubi dentro i quali sono fatti passare i fumi della combustione. Durante il tragitto nei tubi, i fumi cedono il calore all’acqua nel serbatoio. Dal fatto che i gas di scarico passano dentro i tubi della caldaia deriva il nome “tubi da fumo”.
Le caldaie a “tubi d’acqua”, invece, sono composte generalmente da due serbatoi cilindrici relativamente piccoli (uno in alto e uno in basso), collegati tra loro da una lunga serie di tubi sagomati e affiancati tra loro in modo da formare un parallelepipedo. La fiamma del bruciatore si sviluppa dentro questa grande camera rettangolare formata da tubi. Dal fatto che l’acqua scorre dentro i tubi deriva il nome “tubi d’acqua”.
Della categoria delle caldaie a “tubi d’acqua” fanno parte anche le caldaie definite “rapide” oppure a “vaporizzazione istantanea”. Questi generatori di vapore sono molto più piccoli dei precedenti e sono costituiti da due anelli concentrici formati da un tubo avvolto a spirale, dentro il quale scorre l’acqua introdotta ad alta pressione da una pompa. La fiamma del bruciatore si sviluppa dentro l’anello più piccolo e percorrendo le spirali scalda l’acqua che scorre dentro il tubo fino a che non si trasforma in vapore.
All’interno di aziende facenti parte dei settori appena citati, le caldaie maggiormente installate sono quelle del tipo “a tubi di fumo” a grande volume d’acqua. Perché questa scelta? Per i seguenti motivi:
- Installazione più semplice
- Gestione più semplice
- Manutenzione più semplice
- Rendimento più elevato
- Maggiore flessibilità di impiego
Chi ha necessità di installare all’interno del proprio impianto un generatore a vapore, dovrebbe tenere in considerazione la versione “a tre giri di fumo e fiamma passante”; questa geometria costruttiva consente di ridurre le emissioni NOx allo scarico dei fumi a valori che possono scendere sotto gli 80 mg/Nm³ (per la combustione di metano), limite che in alcune zone d’Italia è già prescritto per Legge.
Altro elemento costruttivo da considerare è la camera di combustione. È da preferire la soluzione con cilindro liscio per le precisioni ottenibili nella lavorazione, nel montaggio e nella saldatura. Quando le dimensioni della camera di combustione e le pressioni di esercizio sono particolarmente elevate, si opta per un cilindro interamente corrugato e formato a caldo per garantire uniformità nella resistenza meccanica.
Da evitare l’impiego di giunti di dilatazione isolati della camera di combustione che creano disomogeneità strutturale nel cilindro.
Oltre alle caratteristiche riportate sopra, vediamo quali sono gli altri aspetti da valutare per acquistare un generatore di vapore ad alta efficienza:
- Isolamento: l’isolamento termico del generatore di vapore dev’essere esteso anche alla cassa fumi, alle porte interiori e agli allacciamenti idraulici.
- Refrattari: dev'essere ridotto al minimo l’impiego di cementi e materiali refrattari per ridurre le dispersioni termiche per accumulo di calore (volano termico). Ciò viene garantito limitando al massimo le parti della caldaia non raffreddate dall'acqua della stessa, sia nella parte posteriore (fondo della camera di combustione) che nella parte frontale (porte frontali di ispezione e parte frontale del focolare).
- Recupero energetico: la presenza di adeguati dispositivi come i recuperatori, economizzatori e scambiatori a condensazione consente di recuperare parte dell’energia termica dispersa elevando il rendimento globale dell’impianto.
- Recuperatore: questo dispositivo di recupero preriscalda l’aria comburente del bruciatore attraverso uno scambiatore fumi/aria posto allo scarico fumi del generatore. Il rendimento del sistema aumenta del 2-2,5%.
- Economizzatore: l’installazione di questo accessorio (in alternativa al recuperatore) consente una notevole economia di esercizio, incrementando il rendimento del sistema del 5% (e conseguente risparmio del 5% sul consumo del combustibile). Sfrutta il calore dei fumi per preriscaldare l’acqua in ingresso alla caldaia tramite uno scambiatore fumi/acqua. Le ridotte dimensioni dello scambiatore consentono l’installazione integrata nel corpo caldaia riducendo (a differenza del recuperatore) la necessità di spazio del generatore in centrale termica.
- Scambiatore a condensazione: l’installazione di questo accessorio è possibile come secondo stadio di recupero termico a valle del recuperatore o economizzatore, in modo da sfruttare ulteriormente il calore residuo dei fumi per preriscaldare acqua a bassa temperatura nei processi che hanno questo utilizzo (ad esempio l’acqua fredda nelle lavanderie industriali). Il rendimento del sistema aumenta di un altro 7% circa per effetto della condensazione dei fumi.
Il generatore ad alta efficienza dovrebbe rispettare e avere tutti gli elementi appena elencati ma, come per ogni caldaia, la qualità dell’acqua assume una importanza fondamentale.
L’acqua destinata all'alimentazione dei generatori di vapore, per poter essere utilizzata, deve subire dei trattamenti chimico-fisici. Le norme di riferimento sono: UNI EN 12953-10 (per generatori a tubi da fumo) e UNI EN 12952-12 (per generatori a tubi d’acqua). Le norme stabiliscono i requisiti minimi che debbono avere sia l’acqua di alimentazione che l’acqua nel generatore al fine di evitare corrosioni, incrostazioni, precipitazioni di fango o formazione di depositi che potrebbero danneggiare la caldaia.
