Le caldaie che producono vapore
Dalla rivoluzione industriale in poi la produzione di vapore è sempre più diventata un aspetto cardine delle nostre vite.
Partendo dai primi treni a vapore di fine ‘800, fino ad arrivare a tutte le caldaie a vapore che usiamo ora nelle stirerie, nelle macchine sterilizzatrici, nelle linee per la produzione della pasta, oppure negli impianti per la produzione di energia elettrica.
Ogni applicazione richiede parametri e caratteristiche ben precise e, di conseguenza, il mondo della generazione del vapore è ampio e complesso.
Cerchiamo di mettere ordine.
Le caldaie che producono vapore
- Cos’è una caldaia a vapore?
- Le caratteristiche delle caldaie a vapore;
- Le applicazioni della caldaia a vapore;
- Come noi vediamo il futuro della generazione di vapore?
1. Cos’è una caldaia a vapore?
Cominciamo col definire cos’è una caldaia a vapore.
Una caldaia a vapore è un macchinario progettato per riscaldare un liquido fino a portarlo ad ebollizione, creando cosi vapore.
Il vapore generato può essere saturo, saturo secco, oppure surriscaldato, a seconda di temperature, pressioni e umidità finali del vapore.
Di caldaie e generatori ne esistono migliaia di modelli, ma sono tutti accomunati dal fatto che possiedono un bruciatore e un corpo.
Il bruciatore è responsabile della combustione mentre il corpo caldaia funge da scambiatore di calore, trasmettendolo dalla fiamma al fluido.
La modalità con cui questo avviene dipende dalle applicazioni e dalle necessità di ogni impianto.
Le caratteristiche necessarie in uno stabilimento che produce pasta, saranno, ad esempio, molto diverse da una centrale che produce energia elettrica o una stireria.
Nel tempo, quindi, sono stati sviluppati una miriade di prodotti proprio per soddisfare ogni esigenza.
2. Le caratteristiche delle caldaie a vapore
Viste le numerose configurazioni e caratteristiche disponibili, spesso diventa una missione impossibile farsi strada nella scelta della giusta caldaia a vapore.
Cerchiamo, anche qui, di dare qualche linea guida.
Partiamo con il definire le caratteristiche principali di una generica caldaia a vapore:
a. La tipologia di partizione, ovvero a tubi di fumo o a tubi d’acqua;
b. Il combustibile utilizzato per scaldare l’acqua;
c. La tipologia di circolazione del fluido, che può essere assistita o combinata, o forzata;
d. La capacità totale di fluido (acqua) che può contenere il corpo caldaia;
e. Il tipo di tiraggio (atmosferico, pressurizzato, in depressione);
f. La portata di vapore disponibile;
g. La pressione massima d’esercizio.
Alcuni di questi parametri sono più immediati da capire, alcuni sono un po’ più tecnici.
Vediamoli uno ad uno per togliere ogni possibile dubbio.
a. Caldaie a tubi di fumo o tubi d’acqua
Come accennato, la suddivisione più importante tra le caldaie a vapore, è la tipologia di partizione.
Ovvero se la caldaia è a tubi d’acqua o a tubi di fumo.
Ogni caldaia è composta da fasci tubieri necessari per consentire lo scambio termico.
A seconda del fatto che dentro questi tubi circolino i fumi derivanti dalla combustione e all’esterno ci sia acqua, o viceversa si ricade nella prima o nella seconda categoria.
b. Tipologia di combustibile nella caldaie a vapore
Una seconda distinzione molto importante è la tipologia di combustibile utilizzato per riscaldare il fluido fino a portarlo a vaporizzazione.
I combustibili principali e i più utilizzati sono:
1. Olio combustibile;
2. Gas naturale;
3. Carbone;
4. Combustibili fossili.
L’olio combustibile è ormai poco diffuso e veniva utilizzato per lo più nei decenni scorsi nei motori termici per la produzione di energia elettrica.
È invece largamente diffuso il gas naturale, soprattutto nelle caldaie a tubi di fumo, dove potenze e pressioni sono contenute, tipicamente sotto i 20 bar, rispetto a quelle a tubi d’acqua, dove invece si possono raggiungere anche i 160 bar.
Le caldaie a tubi di fumo sono infatti largamente utilizzate nei processi produttivi industriali, come nella produzione di generi alimentari, nel settore tessile e in quello ospedaliero.
Per queste applicazioni, il gas naturale rappresenta il combustibile ideale garantendo alti rendimenti e bassi costi.
Le caldaie a tubi d’acqua, come detto, sono generalmente più grandi e possono produrre vapore bruciando carbone (applicazione sempre meno utilizzata) oppure bruciando combustibili fossili, come per esempio nelle centrali per la produzione di energia elettrica, dove alimentano grosse turbine.
c. La circolazione del vapore dentro il corpo della caldaia
Le caldaie vengono poi suddivise in base alla tipologia di circolazione che viene imposta al fluido interno.
Ne esistono infatti di 3 tipi:
1. Naturale
2. Accelerata;
3. Forzata.
La circolazione naturale si ha quando il fluido si mantiene in movimento grazie ai gradienti di densità che si creano nell’impianto.
Questa situazione si ha tipicamente nelle caldaie a tubi di fumo o in quelle a tubi d’acqua a basse pressioni.
Si utilizza, invece, la circolazione accelerata o forzata, qualora questi differenze di densità tra entrata e uscita non sono più sufficienti.
In questi casi si usano delle pompe per accelerare o forzare il passaggio del fluido, a seconda della specifica configurazione dell’impianto.
d. Il contenuto d’acqua delle caldaie a vapore
Tutte le caldaie sono caratterizzate in base al loro contenuto di fluido rapportato alla superficie riscaldata.
Una comune suddivisione è la seguente:
1. Grande: volume 130÷250 l/m^2;
2. Medio: 70÷130 l/m^2;
3. Piccolo: <70 l/m^2.
Più alto è il valore più grande sarà il corpo caldaia, e quindi il suo volume interno.
Le primissime caldaie erano progettate cercando di mantenere alto questo numero, alzando il volume d’acqua disponibile fino ad arrivare anche a 150-200 kg/m^2.
Queste caldaie con grande massa d’acqua presentano dei tempi di avviamento molto alti, necessari per portare a temperatura tutta l’acqua.
Una volta che però l’impianto è a regime, il volume d’acqua riscaldata funge da volano termico, rendendo la caldaia molto stabile e poco sensibile alle irregolarità dei fuochi.
Irregolarità data dalla poca tecnologia disponibile in quegli anni.
Man mano che nuovi sistemi venivano sviluppati e portati sul mercato si è andati verso i generatori a media massa d’acqua (circa 70-100 l/m^2), soprattutto per i processi di produzione industriale.
Così facendo sono diminuiti drasticamente i tempi di avviamento, garantendo la stessa stabilità grazie ai bruciatori di ultima generazione.
La flessibilità aumenta ancora scendendo sotto la soglia di 70 l/m^2.
Qui il volano termico disponibile è residuale e per ogni variazione di vapore richiesta è fondamentale disporre di un bruciatore con basso tempo di risposta ma con alto campo di modulazione.
e. Le pressioni della camera di combustione
Torniamo per un secondo alle basi.
Ogni caldaia per funzionare, ha bisogno di una camera di combustione.
Qui il combustibile viene bruciato, producendo calore che verrà trasmesso al fluido grazie al corpo caldaia (normalmente acqua).
Inizialmente le camera a combustione erano progettate facendo leva sul tiraggio naturale, cioè facendo leva sulla sola pressione atmosferica per far circolare i fumi all’interno della caldaia.
Questo portava ad avere un lieve depressione all’interno della camera di combustione rispetto alla pressione atmosferica esterna.
L’evoluzione delle caldaie a vapore ha portato a percorsi dei fumi sempre più complessi e caratterizzati da velocità maggiori.
Il tutto è finalizzato ad aumentare i coefficienti di scambio termico e, allo stesso tempo, diminuire la superficie necessaria.
Con l’aumentare della complessità, il semplice tiraggio naturale non era più sufficiente. Si sono quindi dovuti aggiungere i ventilatori per garantire una corretta circolazione dei fumi.
A seconda del fatto che i ventilatori siano 2 (uno in ingresso e uno in uscita) oppure solo 1 si parla, rispettivamente, di tiraggio bilanciato oppure forzato.
Il primo è classico per le grosse caldaie a tubi d’acqua delle centrali termoelettriche o negli impianti di termovalorizzazione, mentre il secondo viene largamente utilizzato nelle caldaie a tubi di fumo.
L’utilizzo di un unico ventilatore in ingresso porta grossi risparmi in termini di elettricità consumata, ma anche per quanto riguarda la vita dei suoi componenti, che infatti non vengono esposti ai fumi sporchi del camino.
f. La portata delle caldaie a vapore
La portata di vapore è una delle caratteristiche principali di una caldaia a vapore.
Tramite la portata necessaria per il nostro impianto, possiamo definire la taglia del nostro generatore.
La portata può variare notevolmente a seconda delle applicazioni, passando da pochi centinaia di kg/h di una piccola caldaia a tubi di fumo, fino ai 200-300 mila di un generatore a tubi d’acqua.
Nella fase di acquisto di una nuova caldaia, ad esempio, la portata è senz’altro uno dei primi parametri che vanno stimati.
Si valutano le portate di vapore necessarie ad alimentare ogni macchinario della linea produttiva, tenendo anche il fattore di contemporaneità.
Questo per esempio, per quei processi in cui dei macchinari vengono utilizzati solo a determinate ore del giorno.
Per non sbagliare nella scelta del generatore di vapore, è quindi fondamentale stimare un profilo d’uso giornaliero delle richieste di vapore.
Il tutto va poi condito con un fattore di sicurezza, aggiungendo circa un 20-30%.
g. La pressione delle caldaie a vapore
Di pari passo con la portata, va la pressione.
Le caldaie a vapore possono essere suddivise in caldaie a:
1. Bassa pressione <1 bar;
2. Media 1÷15 bar;
3. Alta 15÷100 bar;
4. Altissima >100 bar.
Come accennato più in alto, le caldaie a tubi di fumo sono di solito quelle che lavorano a pressioni più basse, mentre quelle a tubi d’acqua a pressioni più alte.
Anche in questo caso, nella scelta del generatore va tenuto conto dei picchi di pressione che si possono verificare nell’arco della vita della caldaia, scegliendo il modello di conseguenza.
3. Le applicazioni della caldaia a vapore
Come abbiamo visto fino ad adesso, le caldaie a vapore si differenziano molto per caratteristiche e applicazioni.
Abbiamo visto che una caldaia di un impianto che produce energia elettrica non è uguale a quella di un ospedale.
Ma vediamo alcuni esempi di caldaie a vapore all’opera.
a. Caldaie a vapore per la produzione di pasta
Nel settore della produzione di generi alimentari trova largo spazio l’uso del vapore.
Il caso delle linee produttive di pasta è forse quello più completo, perché il vapore viene utilizzato su vari livelli.
In un pastificio tutto inizia dalla pastorizzazione, cioè il processo in cui la maggior parte della materia prima viene sottoposta prima di iniziare la vera e propria produzione.
Qui il vapore, che deve essere secco, viene impiegato a temperature di circa 120 gradi per eliminare la carica batterica.
Successivamente viene utilizzato anche nel processo di impacchettamento del prodotto finito, dove viene utilizzato per eliminare la frazione di umidità che è presente sulla superficie, evitando incollature con l’involucro esterno.
Come in tutte le linee che trattano prodotti alimentari, anche per la pasta c’è l’esigenza di sterilizzare continuamente i macchinari produttivi, e qui ci viene nuovamente in soccorso il vapore “secco” ad alta temperatura.
b. Caldaie a vapore per i caseifici
Rimanendo nel mondo del “food & beverage”, vediamo l’applicazione all’interno dei caseifici.
Il vapore, qui, trova vasto impiego nel portare a termine i trattamenti termici che il latte deve subire prima di essere lavorato.
I 2 trattamenti principali sono la pastorizzazione e sterilizzazione.
Sono entrambi volti ad eliminare tutti quegli agenti patogeni, enzimi, e specie microbiche che possono alterare le proprietà del latte.
Soprattutto nella sterilizzazione viene fatto largo uso del vapore, dovendo portare il latte ad alte temperature (140-150 gradi) per pochi secondi.
Normalmente le dimensioni di un impianto di produzione caseario non sono tali da giustificare l’uso di un generatore a tubi d’acqua.
Nella maggioranza dei caseifici, infatti, si trovano generatori a tubi di fumo, che garantiscono alta flessibilità di utilizzo, alti rendimenti e, di conseguenza, bassi consumi.
c. Caldaie a vapore negli ospedali
Un altro settore in cui il vapore trova molteplici applicazioni è quello ospedaliero.
Come in alcuni processi industriali, anche qui, il vapore viene spesso usato per alimentare tutti i macchinari dedicati alla sterilizzazione.
La sterilizzazione a vapore, infatti, è una delle più diffuse nel panorama medico.
Questo perchè garantisce costi molto bassi, semplicità d’utilizzo e un altissimo livello di efficacia.
Anche qui i volumi e pressioni necessari sono normalmente bassi, viene quindi preferito l’utilizzo di generatori a tubi di fumo.
d. Caldaie a vapore per la produzione di energia
Un altro segmento che usa ampiamente i generatori di vapore è quello della produzione di energia.
Qui il vapore viene utilizzato come vettore per veicolare energia a una turbina che produce energia elettrica.
Viste le grosse dimensioni e le alte pressioni richieste, vengono ampiamente utilizzati generatori di vapore a tubi d’acqua.
4. Come vediamo noi il futuro della generazione di vapore?
Sicuramente il vapore rimarrà un vettore energetico centrale nei processi produttivi industriali.
Diventerà, quindi, sempre più cruciale produrlo a costi sempre più bassi garantendo affidabilità e qualità.
Questo l’abbiamo imparato chiedendolo a chi, il vapore, lo utilizza tutti i giorni.
Gli abbiamo chiesto quali fossero le loro esigenze, i loro problemi e i loro suggerimenti.
Ci hanno risposto chiedendoci più semplicità d’utilizzo, più autonomia nella gestione della centrale, e soprattutto una forte riduzione dei costi.
Da qui siamo partiti sviluppando da zero un nuovo concetto di caldaia a vapore.
L’abbiamo chiamata EcoVapor.
EcoVapor è il primo generatore di vapore con il bruciatore completamente integrato nel corpo caldaia, e che dispone di un innovativo sistema di controllo connesso in remoto.