COMPONENTI DELLE CENTRALI TERMICHE A VAPORE

Le trasformazioni indicate in Figura 63 sono realizzate mediante particolari dispositivi, schematizzati con simbolismo in Figura 62 a destra. Questi dispositivi sono fra loro collegati mediante tubazioni nelle quale scorre il vapore o l’acqua di condensa, a seconda delle trasformazioni.

La Caldaia

Le caldaie di potenza sono mastodontiche installazioni, vedi Figura 65, nelle quali si trasferisce la massima quantità di energia termica dalla fiamma, in basso nella sezione conica, all’acqua e al vapore che fluiscono lungo le pareti e nella zona laterale protetta, rispettivamente. La zona laterale (detta naso) è utilizzata per il surriscaldamento del vapore: essa riceve calore solo per convezione poiché l’irraggiamento termico della fiamma viene mascherato dalla struttura e in questo modo può limitare la temperatura massima del vapore.

Si ricordi, infatti, che il calore specifico del vapore è minore di quello dell’acqua e pertanto se si mantenesse lo stesso flusso termico di fiamma si avrebbe il rischio di bruciatura dei tubi. Queste caldaie sono assai ingombranti e pongono seri problemi anche dal punto di vista delle installazioni.

Esse richiedono, infatti, strutture portanti di grandi dimensioni, solitamente in acciaio, e capaci di sopportare azioni deflagranti e sismiche.

Per impianti di modeste dimensioni si possono avere tipologie di caldaie più semplici a tubi d’acqua e a tubi di fumo. La fiamma proveniente dal bruciatore produce fumi che lambiscono i tubi all’interno dei quali scorre l’acqua che viene così riscaldata e/o vaporizzata.

Le caldaie a tubi di fumo (cioè con passaggio dei gas di combustione all’interno del fascio tubiero mentre l’acqua scorre all’esterno) hanno limiti di pressione e temperatura di 30 bar e 350 °C con una produzione di circa 2.8 kg/s (cioè 10 t/h). Le caldaie a tubi d’acqua possono produrre vapore in condizioni diverse. Nelle caldaie a circolazione naturale la circolazione avviene senza organi motori esterni. Nelle caldaie a circolazione forzata le pompe di alimentazione assicurano la circolazione attraverso l’intero generatore a vapore in modo da favorire lo scambio termico in condizioni di assoluta sicurezza.

Figura 65: Layout di una caldaia di potenza per grandi centrali

I componenti di una caldaia sono, in genere:

 La camera di combustione in cui avviene la trasformazione dell’energia del combustibile in calore;

 Il corpo cilindrico superiore in cui la miscela acqua-vapore (funzione del titolo di uscita) si separa liberando in alto il vapore acqueo che prosegue il ciclo;

 Il corpo cilindrico inferiore che serve per distribuire l’acqua nel fascio tubiero;

 Il fascio tubiero costituito da tubi, investiti esternamente dai fumi caldi e percorsi internamente dall’acqua in riscaldamento e/o vaporizzazione;

 Il surriscaldatore, posto lateralmente alla caldaia (naso) costituito da una serpentina ove il vapore passa da saturo a surriscaldato;

 L’economizzatore, posto nella parte estrema della caldaia con la funzione di riscaldare l’acqua di alimento;

 Il riscaldatore d’aria che sfrutta il calore contenuto nei fumi all’entrata della caldaia;  Le pompe di circolazione, presenti solo nelle caldaie a circolazione forzata o controllata;  L’impianto di pulizia della caldaia per allontanare i depositi e/o le incrostazioni.

La Turbina a vapore

L’organo che produce potenza attiva è la turbina a vapore il cui schema costruttivo è dato in Figura 66 nella quale sono visibili gli organi di distribuzione del vapore e gli anelli del rotore di diametro crescente verso l’uscita73. Nella Figura 67 si può osservare una turbina a vapore di potenza aperta in stabilimento. Sono ben visibili gli anelli di palette e la sezione crescente verso il collettore di uscita (coclea esterna). Le dimensioni delle turbine a vapore sono crescenti man mano che la pressione di esercizio si abbassa rispetto a quella iniziale.

Figura 66: Schema di una turbina a vapore

Pertanto le turbine ad alta pressione (oltre 50 bar) sono molto più piccole di quelle a bassa pressione (una decina di bar). Le turbine ad alta pressione sono spesso del tipo contrapposto, vedi Figura 68, per ridurre lo sforzo sui cuscinetti di supporto. In questo caso la distribuzione del vapore è centrale e il flusso viene poi suddiviso verso i due lati in modo da bilanciare la spinta laterale sui banchi di supporto. I parametri che caratterizzano una turbina a vapore sono i seguenti:

 condizioni del vapore all’ammissione e allo scarico;  portata massica del vapore;

 rendimento adiabatico;  potenza fornita.

Il rendimento adiabatico a dipende dal tipo di turbina e in particolare dalla taglia secondo la seguente tabella:

 per potenze sopra i 150 MW si ha a= 0.820.83

73 Si ricordi che il vapore espandendosi aumenta considerevolmente il suo volume specifico e pertanto la turbina deve consentire questo incremento volumetrico mediante l’incremento della sezione di passaggio del vapore.

 per potenze tra 5 e 50 MW si ha a= 0.760.82  per potenze fra 1 e 5 MW si ha a= 0.700.76  per potenze < 1 MW si ha a< 0.72

Quando la turbina a vapore è accoppiata ad un alternatore occorre tenere conto, ai fini del calcolo della potenza elettrica prodotta, del rendimento di quest’ultimo variabile, secondo la taglia, nell’intervallo 0.960.99.

Figura 67: Turbina a vapore aperta

Condensatore

Il condensatore è l’organo di maggiori dimensioni di tutto l’impianto. Esso è costituito da grandi banchi di tubi di rame nei quali si fa passare acqua fredda all’interno e vapore in uscita dalla turbina all’esterno. La condensazione avviene ad una temperatura di 32-40 °C e ad una pressione di 0,035-0,045 bar. Si utilizza, di norma, l’acqua di mare o l’acqua di fiumi di grandi portate (ad esempio il Po) per evitare l’inquinamento termico cioè l’innalzamento sensibile della temperatura dell’acqua e ciò per evitare conseguenze biologiche nella flora e nella fauna marina. La pressione di esercizio (0,020,04 bar) dei condensatori viene inizialmente creata mediante pompe per vuoto e poi, una volta avviato il ciclo a vapore, mantenuta automaticamente (termodinamicamente) per effetto dell’equilibrio fra pressione e temperatura nei vapori saturi.

Pompe di alimentazione in caldaia

L’acqua uscente dal condensatore a bassa pressione (circa 0,04 bar) viene poi portata alla pressione di alimentazione in caldaia (circa 70 bar) mediante opportune pompe di alimentazione le cui dimensioni sono piccole rispetto a quelle degli altri organi sopra descritti. La potenza assorbita dalle pompe di alimentazione è di 1÷2 % di quella prodotta dalle turbine.