Caldaia a vapore
Una caldaia a vapore è un recipiente a pressione chiuso e riscaldato o un sistema di tubazioni a pressione che viene utilizzato per generare vapore acqueo a una pressione superiore alla pressione atmosferica (p> 1,013 bar assoluti) o acqua calda a temperature superiori a 100 ° C per il riscaldamento e il funzionamento .
Se la caldaia a vapore viene utilizzata per generare vapore, si parla di generatore di vapore . A seconda dell'uso del vapore, in una caldaia a vapore viene generato vapore saturo o vapore surriscaldato .
Dimensioni
La dimensione delle caldaie a vapore è ampia. Si va dalle piccole caldaie a vapore per uso domestico (pulitore a vapore, ferro da stiro a vapore) e nelle barche rumorose alle caldaie a vapore a torre nelle centrali elettriche a vapore con un'altezza fino a 155 m con una produzione di vapore fino a 3600 t / h.
Ad esempio, le dimensioni della moderna unità K alimentata a lignite della centrale di Niederaussem sono :
- 168 m di altezza del locale caldaia,
- 2620 tonnellate di vapore all'ora,
- una potenza termica di 2306 MW ,
- un consumo di carburante di 847 t all'ora,
con parametri di progetto 274 bar e 580°C ( vapore vivo ) o 600°C ( vapore secondario dopo postriscaldamento).
Caldaia con cottura
Il calore può essere fornito da cottura con gassosi, liquidi o solidi combustibili .
Evaporatore senza cottura
Il trasferimento di calore può avvenire per irraggiamento o conduzione,
- quando una sorgente di radiazione, come la radiazione solare focalizzata , fornisce energia,
- se un mezzo di raffreddamento nel circuito primario di un reattore fornisce energia dal calore della fessura nucleare,
- un prodotto di un processo chimico esotermico riscalda lo scambiatore di calore,
- un riscaldamento a resistenza funziona con energia elettrica,
- Il calore di scarto viene alimentato a una turbina a gas in una centrale elettrica a ciclo combinato o a un motore a combustione interna o a gas
eccetera.
Il calore di scarto che può essere utilizzato in questo modo deriva da reazioni chimiche o dalla fusione fisica delle materie prime. I presupposti per il flusso di calore sono sufficienti
- Differenze di temperatura e
- Flussi di massa
- Superfici di trasferimento
Nel caso delle caldaie a combustione diretta, i combustibili utilizzati sono carbone , petrolio greggio , gas naturale e sempre più anche biomasse e rifiuti .
Nel caso dei combustibili solidi si distingue tra cottura a polvere , cottura a griglia e cottura a letto fluido .
Disegni
In termini di design, viene fatta una distinzione tra generatori di vapore ad alta velocità, caldaie a mantello e caldaie a tubi d'acqua. Le caldaie a vapore riscaldate elettricamente vengono utilizzate anche per generare piccole quantità di vapore.
Viene fatta una distinzione tra caldaie a vapore terrestri e caldaie a vapore mobili . La caldaia a vapore del paese è in una posizione permanente. Le caldaie a vapore mobili sono z. B. Caldaie a vapore su locomotive , locomobili , navi o gru per azionare un veicolo o un dispositivo di sollevamento mediante una macchina a vapore o una turbina a vapore.
Locomotiva caldaia a vapore
La caldaia a vapore della locomotiva era originariamente una costruzione rivettata che è stata ottimizzata per l'uso mobile. La produzione di vapore più alta possibile doveva essere generata in uno spazio limitato. La caldaia a vapore della locomotiva ha un focolare raffreddato ad acqua . Le pareti del focolare sono stabilizzate con prigionieri alla camicia esterna. All'uscita del focolare si collega la cosiddetta caldaia lunga , attraverso la quale i fumi vengono convogliati nei tubi da fumo. Di solito è costituito da diverse sezioni della caldaia rivettate o saldate insieme. Per aumentare l' efficienza del motore a vapore, le bobine del surriscaldatore sono state utilizzate nelle potenti caldaie a vapore delle locomotive , che sono condotte nei tubi del fumo come tubi a U. Le pressioni di esercizio della caldaia a vapore della locomotiva sono per lo più da 12 a 16 bar (Germania) o da 14,1 a 21,8 bar (USA). Pressioni di esercizio più elevate non sono riuscite a prevalere.
Le nuove caldaie utilizzate dopo la seconda guerra mondiale sono state principalmente progettate come costruzioni saldate a causa del progresso della tecnologia di saldatura.
Produzione di vapore: fino a 22 t / h (Germania, caldaie serie 45, i cosiddetti tipi di schegge non sono presi in considerazione); fino a oltre 45 t/h (USA, caldaie di varie serie)
Caldaia a conchiglia
Si distingue tra:
- Caldaia a tubi di fumo a tubi di fiamma
- Caldaia a tubi di fiamma
- Caldaia a tubi da fumo
- Ciotola a rulli.
Questo tipo di caldaia ha un guscio cilindrico. Dalla caldaia a rulli riscaldata a mantello del XIX secolo, la caldaia a tubi di fiamma è stata ulteriormente sviluppata, il che si traduce in un trasferimento di calore più efficace. Con l'introduzione della tecnologia di saldatura, è stata creata la caldaia a tubi di fumo a tubi di fiamma. Il tubo focolare è dotato di una camera girevole attraverso la quale il flusso dei fumi viene convogliato nei tubi dei fumi a valle. Il design maggiormente utilizzato oggi è il tubo focolare, il tubo da fumo, la caldaia a tre giri. Dispone di un tubo focolare e di due condotti per i fumi e quindi di una camera di rotazione anteriore e posteriore. Il treno denota una superficie di riscaldamento continua tra due deviazioni del percorso del flusso.
La caldaia a tubi da fumo è una caldaia a recupero di calore. La caldaia è una fornace, z. B. un focolare, un forno o una turbina a gas a monte.
La caldaia a conchiglia viene utilizzata per portate di vapore e pressioni di vapore medio-piccole. Le pressioni sono limitate perché la camicia deve essere progettata per la pressione con un diametro fino a 4 m. I limiti di prestazione sono:
Pressioni vapore: fino a 30 bar.
Uscita vapore: fino a 55 t/h (due tubi fiamma).
Tutti i lavori di saldatura sul corpo caldaia sono eseguiti dal produttore. Nel caso di caldaie di piccole e medie dimensioni, l'isolamento e l'installazione dell'apparecchiatura possono essere eseguiti anche dal produttore, in modo che sia necessario solo il collegamento ai componenti dell'impianto della caldaia a vapore e al circuito delle utenze vapore nel luogo di installazione.
Caldaia a tubi d'acqua
A differenza delle caldaie a mantello, le caldaie a tubi d'acqua contengono acqua nei tubi. Questo tipo di caldaia viene utilizzato per portate e pressioni di vapore più elevate. La caldaia a tubi d'acqua viene utilizzata anche per la combustione di combustibili solidi, in quanto la camera di combustione, a differenza di un tubo di fiamma, può essere progettata a piacere disponendo le pareti del tubo. I soffiatori di fuliggine possono essere inseriti nel percorso dei fumi per pulire le superfici riscaldanti in caso di molta polvere.
Le seguenti varianti appartengono alle caldaie a tubi d'acqua:
Le superfici riscaldanti vengono toccate dai gas di scarico caldi e assorbono il calore. Nell'area di combustione (elevata densità di flusso termico) e nelle aree a rischio di ingegneria termica o abrasione / corrosione, vengono posizionati rivestimenti refrattari davanti alle pareti del tubo o le superfici vengono fissate e rivestite con composto di pigiata. Per migliorare il trasferimento di calore, gli evaporatori a serpentina sono collegati alle canne fumarie. Poiché il vapore generato dalle caldaie a tubi d'acqua viene spesso utilizzato per le turbine a vapore, il vapore deve essere surriscaldato. A tale scopo, i surriscaldatori sono appesi nel percorso dei fumi nell'area delle temperature medie dei fumi . Il preriscaldatore dell'acqua di alimentazione ( economizzatore ) viene solitamente utilizzato nell'ultimo passaggio . Il calore residuo può ancora essere utilizzato nel preriscaldatore d'aria (LuVo) per riscaldare l'aria di combustione. Il gas di scarico viene quindi inviato al sistema di pulizia dei gas di scarico .
La stabilità statica di questa costruzione è ottenuta saldando i tubi con ferro piatto (foto), che diventa allo stesso tempo impermeabile ai gas di fumo .
Generatore di vapore rapido
Il generatore di vapore ad alta velocità è una caldaia a tubi d'acqua per piccole uscite per generare vapore umido o saturo . Le superfici riscaldanti sono costituite esclusivamente da una disposizione a spirale di tubi. Il bruciatore è disposto sull'asse della batteria di riscaldamento. La quantità di carburante e la quantità di mandata della pompa sono coordinate in modo tale da generare vapore umido con un basso contenuto di acqua residua. Un separatore d'acqua è spesso disposto nella linea del vapore per ottenere condizioni di vapore quasi saturo. Poiché il generatore di vapore ad alta velocità non ha volume di accumulo, devono essere collegate solo le utenze di vapore che richiedono una quantità uniforme di vapore. Il vantaggio del generatore di vapore ad alta velocità si basa sul prezzo inferiore rispetto alla caldaia a tubi di fumo / tubi di fumo e il breve tempo di avviamento dallo stato freddo a quello di funzionamento. I limiti delle prestazioni sono le pressioni del vapore: fino a 32 bar con una portata di vapore fino a 2 t/h.
Caldaia elettrica a vapore
la generazione di vapore nelle caldaie elettriche a vapore può avvenire in due modi:
- Utilizzo di resistenze riscaldanti immerse nell'intercapedine d'acqua. Il riscaldamento avviene tramite la resistenza ohmica degli avvolgimenti di riscaldamento.
- Tre elettrodi ( corrente trifase ) isolati dalla camicia sono immersi nello spazio d'acqua . L'acqua della caldaia funge da elettrolita e viene riscaldata dalla resistenza ohmica dell'acqua. In questo caso, è necessario utilizzare acqua di caldaia salata per ottenere una conduttività sufficiente. Tuttavia, questa disposizione è usata raramente.
Le caldaie elettriche a vapore vengono utilizzate quando sono richieste solo piccole quantità di vapore o quando il vapore è richiesto solo in modo irregolare (es. per sistemi di prova). Un altro motivo per l'uso di caldaie a vapore elettriche può essere i requisiti ufficiali in materia di emissioni.
La produzione di vapore generato elettricamente da una caldaia è generalmente ben al di sotto di 1 t/h. I bollitori sono generalmente costituiti da camicie cilindriche con fondo bombato . Le resistenze sono inserite e sigillate in una flangia cieca e sono avvitate ad una boccola flangiata della caldaia.
Gli sterilizzatori negli ospedali o nei laboratori sono spesso alimentati con vapore da caldaie elettriche, che sono integrate nell'alloggiamento del sistema per risparmiare spazio. Le caldaie a vapore elettriche possono includere anche ferri da stiro a vapore o dispositivi riscaldati a vapore per la pulizia o per rimuovere la carta da parati .
Centrali elettriche nucleari
Nelle centrali nucleari con reattori ad acqua bollente , il vapore viene generato nel recipiente a pressione del reattore .
Nelle centrali nucleari con reattori ad acqua pressurizzata , il vapore viene generato in scambiatori di calore nei quali l' acqua di alimentazione viene evaporata nel circuito secondario mediante il passaggio forzato dell'acqua primaria riscaldata nel recipiente a pressione del reattore . Nelle centrali nucleari della Siemens AG / Kraftwerk Union sono presenti generatori di vapore con tubi a U verticali , nella centrale nucleare Mülheim-Kärlich (BBC / BBR- Babcock-Brown Boveri Reaktor GmbH ) erano in uso generatori di vapore verticali a tubi diritti.
Generazione di vapore nel diagramma Ts
Il diagramma Ts mostra le tipiche variazioni di stato dell'acqua e del vapore acqueo in un generatore di vapore con surriscaldatore (sono state trascurate le perdite di carico):
- 1–2 : Aumento della pressione dell'acqua alla pressione della caldaia della pompa di alimentazione
- 2-3 : Isobar (a pressione costante) apporto termico fino alla temperatura di evaporazione corrispondente alla pressione
- 3-4 : Evaporazione isotermica completa dell'acqua
- 4-5 : Surriscaldamento isobarico del vapore acqueo risultante
(Considerazioni energetiche: vedi centrale elettrica a vapore )
Utilizzo di caldaie a vapore
Le caldaie a vapore vengono utilizzate in particolare dove è richiesto vapore e vapore surriscaldato . Le caldaie a vapore sono utilizzate nell'industria energetica sotto forma di generatori di vapore per centrali elettriche per generare elettricità. Oltre ai vari campi di applicazione nell'industria, ad esempio negli impianti di riscaldamento o nella produzione, le caldaie a vapore vengono utilizzate anche in agricoltura per la vaporizzazione (disinfezione del suolo) per la disinfezione del suolo .
Sicurezza delle caldaie a vapore
Monitoraggio dissalazione e acqua di caldaia
Nella caldaia, soprattutto nel generatore di vapore, i sali si accumulano nel tempo , poiché dalla caldaia fuoriesce solo acqua chimicamente pura per evaporazione o evaporazione e l'acqua carica di sali deve essere reintegrata. Questi sali devono essere rimossi nuovamente per spurgo. In caso contrario sussiste il rischio di corrosione e formazione di depositi.
Se i depositi sui tubi del fumo o dei tubi di fiamma portano inizialmente a un deterioramento del trasferimento di calore e alle relative perdite di energia, il contenuto di sale troppo elevato nel bollitore porta alla "schiuma", paragonabile alla cottura delle patate, ad es. In altre parole, l'acqua di caldaia salata può essere portata via con il vapore e portare alla corrosione nelle linee del vapore a valle e nei componenti dell'impianto. Se i depositi si accumulano in misura tale da ostacolare il trasferimento di calore dalle superfici di riscaldamento all'acqua della caldaia, le superfici di riscaldamento si surriscaldano, il che può portare a una bruciatura e quindi a un'esplosione della caldaia. Le conseguenze sono simili a quelle dei danni da carenza idrica.
La caldaia è preventivamente protetta da tali danni mediante controlli automatici di spurgo. I sistemi di misurazione della conducibilità conduttiva monitorano costantemente la conduttività elettrica dell'acqua della caldaia. In caso di superamento dei limiti definiti, l'acqua viene scaricata tramite una valvola di spurgo . Viene fatta una distinzione tra sistemi a due e quattro elettrodi, analoghi ai circuiti a due e quattro fili . Se la misurazione a due elettrodi è adatta per monitorare l'acqua di caldaia pulita in un intervallo di conduttività preferito da 0,5 a 1000 µS / cm, la misurazione a quattro elettrodi viene utilizzata principalmente dove sono previsti depositi e depositi, a seconda dei componenti dell'acqua della caldaia. Con la misurazione a due elettrodi, i depositi che aumentano la resistenza sono inclusi direttamente nel risultato della misurazione, ad es. Cioè, viene simulata una conduttività inferiore. I sistemi testati sui componenti riconoscono questo fatto ed emettono un messaggio di errore. I sistemi semplici mostrano semplicemente una conduttività inferiore. Con il metodo di misurazione a quattro elettrodi, tuttavia, la separazione degli elettrodi conduttori di corrente e degli elettrodi utilizzati per la misurazione esclude gli effetti di polarizzazione sul risultato della misurazione e compensa anche lo sporco o la formazione di depositi per quanto possibile. I sistemi testati sui componenti hanno una compensazione automatica della temperatura, i. Ciò significa che l'aumento della conduttività a seguito di un aumento della temperatura viene automaticamente e permanentemente compensato.
Nella caldaia le particelle sedimentate mediante spurgo devono essere rimosse.
Regolamenti di qualità
Le caldaie a vapore sono attrezzature a pressione a rischio di surriscaldamento ai sensi della Direttiva sulle attrezzature a pressione 2014/68/UE (fino al 07-2016 RL 97/23/CE) e possono essere immesse sul mercato solo se il produttore ha dimostrato attraverso una conformità procedura di valutazione con la partecipazione di un organismo notificato che i requisiti di sicurezza di base della linea guida sono stati rispettati. Il produttore appone il marchio CE e rilascia una dichiarazione di conformità CE .
Le norme di prodotto armonizzate per le caldaie a vapore sono:
- EN 12952-1 a 17: caldaie a tubi d'acqua
- EN 12953-1 a 14: Caldaie a mantello
- EN 14222: Caldaia a guscio in acciaio inossidabile
Nell'applicare questi standard, il produttore può presumere di soddisfare i requisiti di sicurezza di base della direttiva (presunzione di conformità).
La base per il requisito di sistemi di misurazione della conducibilità affidabili può essere trovata nelle regole TRD 604. I requisiti che sono un prerequisito per un esame del tipo possono essere trovati, ad esempio, in: B. nell'opuscolo VdTÜV "Dispositivi di monitoraggio dell'acqua 100".
Tuttavia, possono essere utilizzati anche altri standard e regolamenti. Tuttavia, il produttore deve dimostrare di soddisfare i requisiti di sicurezza di base della direttiva sulle apparecchiature a pressione.
Regole operative
Le caldaie a vapore oi sistemi di caldaie a vapore hanno un alto potenziale di rischio a causa della loro elevata energia immagazzinata e della loro alta pressione interna. Appartengono quindi ai sistemi che richiedono il monitoraggio secondo l' Ordinanza sulla sicurezza del lavoro . A causa di queste disposizioni sono
- far controllare la caldaia a vapore da un organismo di controllo autorizzato prima della messa in servizio
- ottenere l'autorizzazione all'esercizio di questo sistema dall'autorità competente
- Effettuare prove ricorrenti (prove interne ed esterne, prove di resistenza, prove funzionali dei dispositivi di sicurezza) da parte di un organismo di controllo autorizzato entro determinati periodi.
Nella maggior parte dei casi, i sistemi menzionati possono essere gestiti solo da specialisti qualificati, operatori di impianti di riscaldamento , addetti alla caldaia o riscaldatori .
Guarda anche
letteratura
- Resch, Fritz Mayr Editore: Kesselbetriebstechnik.
- Wolfgang Noot: Dalle caldaie a valigia alle grandi centrali elettriche: lo sviluppo nella costruzione di caldaie. Nozioni di base, costruzione, applicazioni . Vulkan-Verlag, Essen 2011, ISBN 978-3-8027-2558-6 .
Evidenze individuali
- ↑ Immagine di tubi saldati. Estratto l'8 febbraio 2019 .
- ↑ a b c monitoraggio acqua caldaia. (Non più disponibile online.) IGEMA GmbH, già nell'originale ; Estratto il 22 ottobre 2012 . ( Pagina non più disponibile , ricerca negli archivi web ) Info: Il collegamento è stato automaticamente contrassegnato come difettoso. Si prega di controllare il collegamento secondo le istruzioni e quindi rimuovere questo avviso.
