Cos’è un generatore di vapore?
Per essere in grado di scegliere tra diverse macchinari, occorre prima sapere come funzionano e come sono costruiti.
Cominciamo con le basi.
I generatori di vapore sono generalmente composti da 2 componenti principali: il bruciatore e il corpo caldaia.
Il corpo caldaia è poi costituito da una camera di combustione e da dei fasci tubieri, che seguono vari percorsi a seconda delle applicazioni.
A seconda che del fatto che dentro questi fasci tubieri scorrano i fumi derivanti dalla combustione o invece l’acqua, si ricade nei generatori di vapore a tubi di fumo, oppure a tubi d’acqua.
Oltre a queste due categorie, ne esistono poi molte altre che comprendono anche prodotti più piccoli per uso domestico.
Con questo articolo vogliamo occuparci dei generatori di vapore per uso industriale, largamente utilizzati nelle linee produttive di tutto il mondo per le più svariate applicazioni.
Come scegliere il generatore di vapore:
- I parametri principali per scegliere il generatore di vapore:
a. La portata di vapore e la pressione massima disponibile;
b. I consumi sia elettrici che di metano, e quindi i rendimenti;
c. Le emissioni dell’impianto;
d. La gestione quotidiana e la manutenzione;
e. Il trattamento dell’acqua. - Conclusioni.
1. I parametri principali per scegliere il generatore di vapore
Volendo dare delle indicazioni numeriche più specifiche abbiamo preso in esame casi in cui venissero usate caldaie a tubi di fumo, vista anche la loro diffusione nel mondo industriale.
Come detto, i generatori di vapore sono composti da un bruciatore e un corpo caldaia.
Il bruciatore viene inserito nella camera di combustione e gestisce la fiamma, i cui fumi caldi percorrono i fasci tubieri del corpo della caldaia, riscaldando l’acqua circostante.
In base all’applicazione i percorsi dei fasci tubieri varieranno, garantendo performance diverse.
Valutiamo quindi i parametri principali da considerare nella scelta del generatore.
I più importanti sono:
a. La portata di vapore e la pressione massima disponibile;
b. I consumi sia elettrici che di metano, e quindi i rendimenti;
c. Le emissioni dell’impianto;
d. La gestione quotidiana e la manutenzione;
e. Il trattamento dell’acqua.
a. La portata di vapore e la pressione massima disponibile
Cominciamo con le caratteristiche tecniche più banali e semplici.
In base alle esigenze del tuo impianto produttivo, avrai già individuato quali sono i profili di fabbisogno giornaliero di vapore, sia in termini di pressione che di portata.
Partendo da questi valori e aggiungendo un margine di sicurezza (consigliato 20-30%), riusciamo a ricavare portate e pressioni necessarie.
Ogni modello di generatore che verrà preso in considerazione dovrà rispettare questi parametri.
Lo studio dell’andamento delle pressioni e portate richieste al nostro generatore di vapore, diventa sempre più cruciale, man mano che aumenta la complessità dell’impianto.
Se infatti, il calcolo di portata di vapore e pressione, è molto semplice per un piccolo caseificio che usa il vapore solo per la pastorizzazione, diventa molto più complesso quando si devono soddisfare anche altri richieste, come il riscaldamento dei forni, l’umidificazione e la sterilizzazione del impianto.
b. I consumi del generatore di vapore
Insieme al costo iniziale di un nuovo impianto, i costi d’esercizio e quelli per il suo mantenimento, occupano sono senza dubbio il secondo più importante aspetto.
Per capire cosa implichi questa affermazione abbiamo studiato 10 anni di vita di alcuni nostri generatori che lavorano per diverse aziende e applicazioni.
Di questi 10 anni, abbiamo accorpato tutti costi legati all’acquisto iniziale, installazione e poi metano, elettricità e manutenzione.
L’analisi ha dimostrato che il costo iniziale del generatore rappresenta meno del 10% dell’intero costo dell’impianto (a scendere man mano che la vita si allunga).
La maggior parte dei costi sono dovuti ai consumi di metano, elettricità, acqua e manutenzione.
Di qui capiamo il perchè diventa fondamentale ridurre il più possibile queste voci di costo.
Abbiamo ricavato questi dati analizzando un piccolo impianto che produce circa 2 tonnellate all’ora di vapore e lavora circa il 50% del tempo.
Torniamo a noi e cominciamo ad analizzare la voce di costo più ingente: il metano.
Per calcolare il consumo di metano conviene partire considerando l’output di vapore desiderato, per esempio 1 tonnellata all’ora.
Conoscendo il rendimento della caldaia e il calore necessario per portare l’acqua a una temperature di 80 gradi a 10 bar, possiamo calcolare la quantità di calore totale richiesta e quindi il metano necessario.
Come si vede dalla formula, gioca un ruolo fondamentale il rendimento della caldaia.
Per semplicità abbiamo calcolato il volume di metano necessario, teorizzando un uso della caldaia al 100%.
Molte volte però i generatori di vapore funzionano a potenze variabili a secondo del carico richiesto.
I rendimenti espressi nelle schede tecniche sono riferiti a condizioni di carico massime, mentre invece variano man mano in base alla potenza erogata.
Per stimare il consumo di energia elettrica occorre analizzare la potenza installata, normalmente espressa i kilowatt (kW), a cui andrà moltiplicato il tempo stimato di utilizzo e infine il costo medio per kW/h.
Questo presupponendo un utilizzo costante a massima potenza della caldaia, ma anche qui occorre poi declinare i dati in base all’uso reale di tutti i giorni.
Nel valutare il rendimento della caldaia vanno quindi tenuti in considerazione le condizioni di carico quotidiane e stagionali.
Qualora le richieste di vapore varino molto nell’arco di 24h diventa fondamentale avere un bruciatore modulante che possa adeguarsi ad ogni condizione, e che allo stesso tempo venga mantenuto un rendimento alto.
Riassumendo: Due voci grosse di costo sono corrente elettrica e metano.
Per ognuna di queste due calcola quanto il nuovo impianto possa farti risparmiare e come. Paragona poi i dati dei vari costruttori scegliendo quello che ti assicura condizioni di funzionamento, e quindi risparmio, migliori nel tuo utilizzo quotidiano.
c. Le emissioni del generatore di vapore
Un terzo aspetto sempre più rilevante sono i limiti nelle emissioni di gas in atmosfera.
Come per le nostre macchine, anche le caldaie sono sottoposte a regolamentazioni sempre più restrittive in termini di emissioni.
Le tipologie di gas sotto accusa sono anche qui gli NOx, ovvero gli ossidi di azoto.
I limiti che prima erano frammentati in base alla regione di provenienza, sono stati unificati sotto un unico limite nazionale di 100 mg/kWh.
Questo limite è riferito solo per impianti termici industriali e non sono retroattivi su generatori già installati.
Se questo è il limite italiano occorre tenere a mente che diversi stati nel mondo hanno limiti ancora più restrittivi proprio per l’alta grado di nocività di questi gas.
California e Cina, ad esempio, hanno limiti massimi di 20-30 mg/kWh a partire dai prossimi anni.
I limiti che si sono auto imposti Cina e California, derivano dalla disponibilità tecnologica presente ora sul mercato.
Visti i prodotti presenti sul mercato, nel valutare un nuovo generatore è responsabilità di tutti tenere d’occhio anche le emissioni, cercando di preservare l’ambiente il più possibile.
d. La gestione quotidiana e la manutenzione
Una volta scelto e installato il generatore si presenta il “problema” della sua gestione quotidiana.
Come già saprai, il generatore necessita di una continua supervisione in quanto macchinario in pressione.
La supervisione è compito del cosiddetto conduttore, un persona formata e specializzata nella gestione di una caldaia.
Un modo per diminuire il carico di lavoro per un conduttore è la certificazione della caldaia per l’esercizio senza supervisione continua per 72h.
Un’ulteriore semplificazione della gestione quotidiana della centrale termica, è l’uso della connettività.
Molti generatori dispongono, infatti, di numerosi sensori che ne tengono monitorate le performance, e grazie alla connessione internet, permettono di inviarli su un server remoto ed essere visualizzati dal gestore in totale autonomia.
Se a questo aspetto aggiungiamo la possibilità di controllare questi parametri da remoto, diminuiremo ancora le ore da dedicare alla gestione quotidiana.
Insieme alla gestione quotidiana della caldaia, in parallelo, va presa in considerazione anche la manutenzione.
Se, però, è difficile avere una stima precisa dei costi legati alla manutenzione, è possibile farsi un’idea del quadro generale.
Per esempio alcune aziende offrono contratti per l’assistenza ordinaria di una nuova caldaia, oppure è possibile indagare sui centri di assistenza presenti sul territorio, e richiedere un kit di parti di ricambio da tenere a portata di mano.
È consigliato poi verificare la provenienza di pompe, sensori e valvole, scegliendo quelle di produttori affidabili e riconosciuti.
Sia per la gestione ordinaria, sia per quanto riguarda la manutenzione, avere un sistema elettronico di controllo e connesso, sicuramente facilita il lavoro.
Anche qui verifica che la nuova caldaia sia connessa a internet e che la casa madre possa fornire assistenza anche da remoto, accedendo direttamente ai controlli del generatore.
Questo facilita l’interazione tra i tecnici delle 2 parti limitando i tempi di intervento e di risoluzione di eventuali problemi.
e. Il trattamento delle acqua
Un ultimo aspetto non marginale, è quello legato alla trattamento dell’acqua.
È fondamentale infatti mantenerne monitorati i parametri ed assicurarsi che siano in linea con quelli richiesti dal produttore.
Dall’acqua dovrà venir rimossa la salinità per evitare incrostazioni, tutti i gas disciolti per togliere il rischio di corrosione e le sostanze organiche per evitare schiume e depositi.
Più pulita è l’acqua da sali e gas disciolti, più si allungherà la vita della caldaia, diminuendo anche le manutenzioni necessarie.
Ogni produttore di generatori di vapore monta diversi sistemi per il filtraggio e spurgo dell’acqua.
In fase di acquisto è necessario richiedere informazione e specifiche al riguardo, assicurandosi che monitorino costantemente l’acqua, evitino sprechi inutili e siano possibilmente connessi.
Gli sprechi si possono verificare soprattutto tramite i sistemi di spurgo.
Questi infatti eliminano l’acqua dalla corpo caldaia, per togliere depositi di sali sul fondo e in superficie.
Facendo ciò, gli spurghi buttano via litri di acqua già trattata e soprattutto, già scaldata.
Questo non fa altro che diminuire l’efficienza totale dell’impianto.
Conviene quindi controllare che tipologia di spurghi vengono utilizzati e l’acqua che ogni giorno viene eliminata, cercando il sistema che ne elimini meno.
Conclusioni
In questo articolo abbiamo visto i parametri più importanti da tenere in considerazione durante la fase di acquisto di un nuovo generatore.
Ripercorriamo velocemente i punti.
Bisogna innanzitutto valutare i fabbisogni giornalieri e stagionali dell’impianto produttivo, sia per quanto riguarda la portata di vapore necessaria, sia per il profilo di pressione.
Per migliorare l’efficienza dell’impianto occorre costruire delle curve fabbisogni più accurate possibili.
In base agli andamenti si può scegliere il generatore più adeguato.
Nella scelta della caldaia più adatta bisogna poi tenere a mente che l’investimento iniziale (l’acquisto iniziale) è solo una minima parte rispetto ai costi totali, considerando il suo periodo di vita.
È infatti, considerando il periodo totale di vita del generatore che si gioca la vera partita e dove si possono raggiungere ingenti risparmi.
Sono infatti i consumi di elettricità, metano, e sulla gestione quotidiana con relative manutenzioni, i parametri su cui si gioca la vera partita dell’efficienza e il risparmio.
Un sistema, una valvola, una pompa, o un bruciatore che sembra particolarmente costoso, può invece garantire un rendimento leggermente più alto che si traduce in un continuo risparmio nell’arco degli anni.