Guida ai generatori di vapore

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GENERATORI DI VAPORE

Introduzione

Affidabilità operativa, alto rendimento e basse emissioni sono tra le caratteristiche più importanti di un generatore di vapore per i processi industriali. Ecco le informazioni per orientarsi nella scelta.

Il vapore è un vettore energetico estremamente performante che viene utilizzato in molti settori industriali, sia direttamente, sia per trasferire calore ad altri vettori per i processi produttivi e per il riscaldamento. La scelta di un generatore di vapore efficiente, affidabile e dotato delle più moderne soluzioni tecnologiche (comprese quelle per il recupero energetico e per le basse emissioni), favorisce la continuità dei processi produttivi nelle migliori condizioni e contribuisce ad abbattere i consumi e i costi energetici. Un generatore di vapore deve essere “progettato” correttamente in funzione delle specifiche esigenze, per cui è necessario rivolgersi a un fornitore con competenze specializzate in grado di offrire prodotti e servizi di alto livello. In questa guida spieghiamo come funziona un generatore di vapore e quali sono le caratteristiche più importanti da considerare nella scelta, concludendo con alcuni casi di efficientamento energetico conseguito grazie all’installazione di generatori di vapore Viessmann.

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GENERATORI DI VAPORE

Perché è conveniente utilizzare il 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.

 

APPROFONDIMENTO

Le tecnologie che consentono alle aziende dell’industria e dei servizi di fare efficienza energetica nella produzione di calore.

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GENERATORI DI VAPORE

Come funzionano i generatori di vapore

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).

Schema di funzionamento di un generatore di vapore Vitomax HS

1. Bruciatore e rampa gas.

2. Alloggio bruciatore raffreddato ad acqua, per riduzioni delle dispersioni termiche in ambiente e miglioramento della combustione.

3. Porte di ispezione con doppia guarnizione di tenuta fumi a battente per l’ispezione e la pulizia, facilmente apribili senza dover rimuovere il bruciatore.

4. Pacchetto accessori idoneo per funzionamento senza supervisione continua fino a 72h.

5. Longaroni di appoggio con basamento svincolato dal corpo in pressione.

6. PLC con pannello operatore TFT touch screen a colori.

7. Copertura della caldaia con pedana calpestabile e parapetto perimetrale di sicurezza per agevolare le operazioni di montaggio e manutenzione.

8. Economizzatore integrato nella cassa fumi posteriore.

9. Camino scarico fumi di combustione. 

10.  Degasatore termofisico per la riduzione della concentrazione dei gas corrosivi (O2 e CO2) disciolti nell’acqua di alimento del generatore.

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Dispositivi per l’efficienza nei generatori di vapore

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).

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In quali settori viene utilizzato il vapore

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.

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Gli incentivi economici per l’installazione dei generatori di vapore

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.

Risparmio spesa energetica annuale

Questa caratteristica consente alle aziende che sostituiscono il vecchio generatore di vapore con uno nuovo, di sfruttare l’incentivo economico dei Titoli di Efficienza Energetica, o Certificati Bianchi, che vengono riconosciuti, appunto, per interventi che generano risparmi addizionali di energia rispetto al livello precedente consentendo di ridurre notevolmente il tempo di ritorno dell’investimento. Ad ogni progetto presentato e approvato dal GSE viene riconosciuto un numero di certificati bianchi corrispondente al risparmio addizionale realizzato grazie all’intervento, rispetto al consumo “baseline”. In particolare, per ogni TEP risparmiata, viene riconosciuto un TEE, per un numero di anni compreso tra 3 e 10 a seconda del tipo di intervento. I TEE possono essere scambiati sulla piattaforma gestita dal GME (Gestore dei Mercati Energetici), oppure attraverso contrattazioni bilaterali. Per sapere di più sui Certificati Bianchi è disponibile questo articolo.

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I generatori di vapore Viessmann

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.

La gamma Vitomax HS

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Casi di successo che utilizzano generatori di Vapori Viessmann

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.

PROGETTO

Angelini Acraf

gasgas

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PROGETTO

Angelini Acraf

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GENERATORI DI VAPORE

Angelini Acraf, azienda farmaceutica nata in Italia all’inizio del Novecento, utilizza il vapore presso lo stabilimento di Ancona per la sterilizzazione di tutti gli elementi che sono coinvolti nella preparazione dei medicinali.

Le esigenze

  • Angelini era alla ricerca di una soluzione con un rendimento superiore rispetto alla precedente centrale termica e in grado di soddisfare le crescenti esigenze produttive. 

La soluzione Viessmann

  • Si è passati da generatori a vaporizzazione istantanea a generatori Vitomax M95A a tre giri di tubi di fumo ed economizzatore per il recupero termico. Il risultato è stato un aumento dell’efficienza del 30%, consentendo l’accesso ai Titoli di Efficienza Energetica.
PROGETTO

Fonti Pineta

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PROGETTO

Fonti Pineta

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Fonti Pineta è un’azienda bergamasca produttrice di acque minerali che fa parte del Gruppo Bracca, forte di una produzione di circa 300 milioni di bottiglie d’acqua con un fatturato annuo di circa 26 milioni di euro.

Le esigenze

  • L’ampliamento delle linee produttive ha reso necessaria la predisposizione di una nuova centrale termica per la produzione di vapore, utilizzato per la sterilizzazione delle bottiglie e per il riscaldamento industriale.

La soluzione Viessmann

  • È stato installato un generatore di vapore a tre giri di fumo Vitomax HS tipo M73B, dotato di un’architettura costruttiva compatta e dimensionabile in funzione delle esigenze. L’impianto consente di produrre fino a 4 tonnellate di vapore l’ora.
PROGETTO

Eurovo

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PROGETTO

Eurovo

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Gruppo Eurovo è un’importante realtà italiana del settore delle uova, degli ovoprodotti e degli ovoderivati. Nello stabilimento di Occhiobello (RO) vengono prodotti ovoderivati liofilizzati per l’industria alimentare e zootecnica. Il vapore è utilizzato per la sterilizzazione, l’essiccazione e la liofilizzazione.

Le esigenze

  • Eurovo era alla ricerca di un impianto tecnologicamente innovativo, capace di assicurare la massima affidabilità ed efficienza, riducendo l’impatto ambientale grazie a un ridotto consumo di combustibile.

La soluzione Viessmann

  • Sono stati installati due generatori di vapore Vitomax 200 HS M75B da 5 t/h a 16 bar, allestiti con economizzatori e bruciatori dotati di inverter e controllo dell’ossigeno. L’impianto assicura un rendimento fino al 95% e garantisce continuità operativa. La strumentazione conforme alla direttiva PED consente l’esonero dal presidio continuativo.
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