GUIDA AI GENERATORI DI VAPORE

L’impiego del vapore per trasportare energia risale al XVIII secolo, quando venivano utilizzate caldaie in metallo cilindriche riscaldate dall’esterno a carbonella contenendo la combustione in una struttura in muratura refrattaria (successivamente la fiamma venne spostata all’interno del corpo cilindrico in un apposito tubo chiamato focolare, come nei moderni sistemi). Già alla fine XVIII secolo, l'esigenza dell'aumento della superficie di scambio termico determinò il passaggio ai sistemi a tubi di fumo, e ben presto debuttò anche la tecnologia alternativa a tubi d’acqua.

Vediamo ora perché è conveniente utilizzare il vapore. Innanzitutto, è possibile produrlo in modo economico utilizzando diversi combustibili. Inoltre, è possibile variare la sua pressione, un parametro che è direttamente proporzionale alla temperatura: questa correlazione diretta consente di controllare con facilità la quantità di energia erogata. Una caratteristica molto importante, poi, che rappresenta un vantaggio rispetto ad altri vettori, è che per essere movimentato il vapore non richiede altri dispositivi meccanici come pompe o compressori, perché proprio la pressione fornisce la spinta necessaria alla sua distribuzione verso l’utenza. Grazie al vapore, in sostanza, il contenuto di energia termica viene trasferito con facilità al processo o a un altro vettore energetico. Infine, il vapore è sterile, caratteristica molto importante per alcuni comparti industriali, come l’industria alimentare e quella farmaceutica.

I moderni generatori di vapore sono compatti, sicuri e facili da gestire (gli impianti industriali dotati dei necessari sistemi di controllo non necessitano di una supervisione continua); grazie alla dotazione di sistemi di recupero del calore, inoltre, assicurano un’alta efficienza dell’impianto.

Un generatore di vapore consente di produrre vapore saturo, ossia in equilibrio tra la fase liquida e gassosa, che può essere surriscaldato oltre la temperatura di ebollizione. Si definiscono generatori a bassa pressione quelli fino a 1 bar, a media pressione fino a 15 bar e ad alta pressione oltre i 15 bar. Negli ambiti tipici delle industrie italiane si utilizzano impianti a media-alta pressione con una capacità produttiva (producibilità) da 0,5 fino a 20 tonnellate l’ora di vapore. 

Le caldaie sfruttano tecnologie consolidate che, nel tempo, sono state costantemente migliorate:

• a tubi di fumo; il grande recipiente metallico contiene, oltre alla camera di combustione, i tubi nei quali avviene il deflusso dei fumi di combustione che, durante il tragitto, cedono il calore all’acqua;
• a tubi d’acqua; in questo caso è l’acqua a scorrere nei tubi e ad essere riscaldata direttamente dal calore prodotto dal bruciatore. A questa tipologia appartengono anche le caldaie “rapide” o a “vaporizzazione istantanea”.

Nella maggior parte delle applicazioni industriali vengono installate caldaie a tre giri di fumo e fiamma passante, con un grande volume d’acqua. Questa configurazione consente un’installazione e una manutenzione più semplici, un rendimento più elevato ed emissioni di NOx (ossidi di azoto che si producono durante la combustione) inferiori a 80 mg/Nm3, il limite prescritto dalla normativa per alcune zone italiane.

Vi sono alcuni elementi che influenzando l’affidabilità e il livello di efficienza di un generatore di vapore:

• isolamento; lavorando a pressioni elevate e ad alte temperature (150-200°C) le caldaie a vapore devono essere bene isolate tramite un idoneo spessore delle pareti per evitare perdite termiche importanti. L’isolamento deve essere esteso anche al circuito fumi, alle porte e agli allacciamenti idraulici;
• bruciatore; è un elemento cruciale per il buon funzionamento, il rendimento e l’efficienza di un generatore di vapore. Il dimensionamento in relazione alla caldaia, la corretta regolazione e la pulizia sono fondamentali;
• trattamento dell’acqua; l’acqua che alimenta le caldaie deve subire dei particolari trattamenti chimico-fisici per ridurre il rischio di corrosione, formazione di fango o depositi. Le norme di riferimento sono la UNI EN 12953-10 (per generatori a tubi da fumo) e la UNI EN 12952-12 (per generatori a tubi d’acqua). Anche una corretta e costante manutenzione è fondamentale per prevenire i problemi (per approfondire si veda questo articolo).
• sistemi per il recupero del calore: si tratta di elementi installabili sui generatori che permettono di recuperare il calore dai fumi e dalle condense degli scarichi, evitando sprechi energetici (per approfondire si veda il punto n° 4 di questa Guida).
  
  

Alcuni dispositivi installabili sull’impianto a vapore consentono di ottenere un consistente risparmio energetico aumentando il rendimento del generatore:

• l’economizzatore recupera il calore dei fumi di scarico per preriscaldare l’acqua di alimentazione della caldaia. È un dispositivo di dimensioni ridotte, posizionato direttamente nel corpo caldaia, e può incrementare il rendimento dell’impianto del 5%;
• il condensatore è uno scambiatore che recupera calore a bassa temperatura dalla condensazione dei fumi e che si può montare a valle dell’economizzatore, aumentando il rendimento del 7%. Il calore può essere utilizzato per risparmiare energia in altri processi aziendali, per esempio pre-riscaldando l’acqua nelle lavanderie industriali;
• accessori al bruciatore; montando alcune soluzioni che migliorano la combustione del bruciatore (un inverter che regola la velocità del ventilatore e un dispositivo che controlla l’ossigeno residuo) è possibile ottenere un ulteriore risparmio energetico.

Installando l’economizzatore, il condensatore e alcuni accessori al bruciatore il rendimento della caldaia può aumentare del 20%, con un consistente risparmio economico e di emissioni nocive (per conoscere di più sui sistemi che fanno risparmiare energia e d emissioni è disponibile questo articolo).

Vi sono svariati campi di applicazione del vapore nei circuiti di processo o negli impianti di riscaldamento industriali. Ecco i principali settori di utilizzo.

Alimentare e caseario: nell’industria conserviera il vapore viene utilizzato sia per la sterilizzazione dei contenitori senza l’uso di prodotti chimici, sia per la cottura degli alimenti. Nei caseifici il vapore può essere utilizzato sia insufflato direttamente, sia in maniera indiretta, grazie a recipienti a doppio fondo nei quali il vapore riscalda l’alimento in modo graduale.

Industria bevande, cantine e birrifici: nel settore delle bevande, nella produzione di vino e birra, il vapore è utilizzato direttamente per il lavaggio e la sanificazione di bottiglie e macchinari. Non dimentichiamo che questo processo, come per tutta l’industria alimentare, è critico per garantire la sicurezza alimentare.

Mangimifici: il vapore viene utilizzato per essiccare e cuocere i cereali e per il processo di pellettatura, responsabile di un grande consumo di energia termica, necessario per trasformare il mangime in pellet favorendo la densificazione del prodotto ai fini della conservazione e dello stoccaggio.

Tessile: il vapore viene utilizzato nelle macchine tessili quali lavaggio, colorazione, finissaggio e lo stiro. Deve essere vapore saturo secco, garantendo l’assenza di umidità che può macchiare i tessuti. L’impianto, quindi, deve prevedere, a monte del macchinario che utilizza il vapore, un dispositivo che elimina la condensa nascente nel processo di generazione e distribuzione.

Chimico farmaceutico: il vapore è utilizzato soprattutto, per i processi di sterilizzazione termica di materiali (apparecchiature, contenitori, ambienti e prodotti). La qualità di vapore deve essere altissima: deve essere puro, sterile e demineralizzato.

Carta e cartone: il vapore viene utilizzato nel processo di disidratazione del nastro continuo della carta, facendolo passare sopra cilindri essiccatori realizzati in ghisa, riscaldati con vapore saturo alla pressione di 2 atmosfere insufflato in un perno cavo posto all’interno del cilindro stesso.

Industria della gomma: viene utilizzato il vapore nella preparazione del materiale, in particolare nel processo produttivo di vulcanizzazione della gomma, nel quale il composto viene legato chimicamente allo zolfo tramite riscaldamento. Grazie a questo procedimento, il materiale diventa più elastico e resistente alle trazioni e alle abrasioni.

Industria dei semilavorati in cemento: il vapore viene utilizzato nella produzione di prefabbricati in calcestruzzo, in particolare per velocizzare il processo di maturazione o stagionatura, durante il quale il cemento prima si idrata e poi si asciuga, consentendo di ottenere elevati valori di resistenza.

L’installazione di un generatore di vapore moderno e dotato di tutte le tecnologie che consentono un recupero e un risparmio energetico (come l’economizzatore e il condensatore), determina un miglioramento del livello di efficienza energetica aziendale. Qui di seguito si riporta un esempio pratico del risparmio che si può ottenere dalla sostituzione di un vecchio generatore di vapore  diretto con un nuovo generatore Vitomax HS completo di tutti gli accessori.

Viessmann progetta, produce e commercializza i generatori di vapore Vitomax HS, una gamma a media ed alta pressione (da 6 a oltre 30 bar) in grado di utilizzare diversi combustibili e di coprire qualsiasi esigenza in ambito industriale dove sia necessaria l’erogazione continua di vapore. La tecnologia a tre giri di fumo, la conformazione della camera di combustione e i bruciatori utilizzati, realizzati con la collaborazione dei principali produttori mondiali del settore, consentono di ottenere un alto rendimento e valori di emissione minimi. Il rendimento di queste caldaie dotate di economizzatore per il recupero termico, infatti, è superiore al 95%, mentre le emissioni di NOx sono inferiori a 70 mg/Nm3 utilizzando gas metano. I generatori di vapore Vitomax HS, inoltre, garantiscono un’ottima qualità del vapore con un basso contenuto di umidità residua grazie a un particolare separatore integrato e un’ampia camera di vapore. Il design e morfologia costruttiva dei generatori facilitano le operazioni di ispezione e manutenzione. Su ogni modello sono implementabili soluzioni per l’automazione, controllo, misura e analisi, sistemi di trattamento e l’analisi dell’acqua, sistemi per monitoraggio a distanza anche per Service programmato.

VI presentiamo tre casi esempi di aziende in tre diversi settori (farmaceutico, conserviero, alimentare) che hanno ottenuto in significativo risparmio energetico adottando generatori di vapore Viessmann.