CALDAIA

CALDAIA (VIII, p. 365; App. I, p. 342)

Nel campo degli impianti a vapore si tende attualmente all'unificazione delle caratteristiche funzionali e, possibilmente, anche di quelle costruttive, sia dei generatori di vapore (caldaie), sia dei turbomotori e dei macchinari ausiliari, in maniera da limitare la variazione di dette caratteristiche ad un ristretto numero di valori, con evidenti vantaggi per i tempi e per i costi di fabbricazione e riduzione delle spese per i ricambî e i duplicati. Per quanto riguarda i generatori di vapore si tende all'unificazione per le seguenti coppie di valori delle pressioni (ata = atmosfere assolute) e delle temperature del vapore:

L'adozione di pressioni superiori alle 100 ata è giustificata soltanto se essa è accompagnata da temperature di surriscaldamento iniziale superiori ai 515 °C (la centrale nordamericana di Trenton Channel funziona già ad una temperatura iniziale del vapore di 593 °C, alla quale si può far corrispondere una pressione di 140 ata; la BBC ha in costruzione delle centrali termoelettriche a vapore, progettate per 140 ata e 600 °C). Il passaggio a pressioni iniziali oltre le 150 ata è opportuno soltanto se si effettua un surriscaldamento ripetuto del vapore lungo l'espansione in turbina per eliminarne l'umidità negli ultimi elementi di B. P., secondo la direttiva più recente consistente nell'adozione di distributori e di diaframmi a doppia parete nella cui intercapedine si invia del vapore adeguatamente surriscaldato.

La potenzialità massima attualmente raggiunta coi generatori di vapore è di 500 t/h; però, anche negli Stati Uniti d'America, nel 65% delle costruzioni più recenti non si sono superate le 200 t/h. Sarebbe opportuna un'unificazione anche per le potenzialità oltre le 20 t/h ed i valori unificabili potrebbero essere i seguenti: 25-32-50-64-80-100-126-160 e 200 t/h (secondo la sequenza dei numeri normali od unificati).

Molto importante è divenuta attualmente la considerazione dei seguenti dati tecnici: 1. potenzialità per metro di larghezza del generatore di vapore, che si esprime in t/h•m e che varia, in media, da 5 a 25 per i generatori a serpentine tubolari od a tubi d'acqua, mentre è appena da 0,2 ad 1 per i generatori a grande corpo ed a focolari interni; 2. contenuto d'acqua del generatore di vapore per unità di potenzialità (t/h), i cui valori in t. variano da 0,3 a 0,7 per i generatori a tubi d'acqua, mentre scendono sino a 0,1 nei generatori speciali; 3. carico termico specifico della camera di combustione, per il quale, alla pressione ordinaria, si tende in media a cifre dell'ordine di 200.000 kcal/mc•h con combustione a carbone (125-000 kcal/mc•h, se si tratta di ligniti) e di 600.000 kcal/mc•h con la combustione a nafta, mentre con la combustione sotto pressioni di alcune atmosfere si sale, rispettivamente, a valori decupli; 4. tempo di permanenza dei fumi nella camera di combustione, variabile da 0,5 ad 1,5 sec., a seconda delle caratteristiche costruttive e funzionali di questa; 5. carico termico specifico della sezione orizzontale della camera di combustione, che si esprime in kcal/mq•h e che, mediamente, ha valori decupli di quelli del carico termico specifico della camera di combustione; 6. cifra di refrigerazione della camera di combustione, che è il rapporto fra la superficie tubolare di schermatura delle pareti della camera di combustione e quella efficacemente irradiata dal corpo di fiamma: può avere valori varianti da 0,25 a 0,80, a seconda della utilizzazione del calore in forma di calore radiante nell'ambito della camera di combustione; 7. carichi termici specifici delle diverse superfici trasmittenti del generatore di vapore (rispettivamente delle porzioni: evaporante, surriscaldatore, economizzatore e preriscaldatore d'aria), che si esprimono in kcal/mq•h; 8. carico termico specifico dello specchio d'evaporazione, quantitativo di vapore evaporato per mq. di specchio d'acqua nei corpi cilindrici del generatore, che è dell'ordine dai 6000 ai 12.000 kg/mq•h, a seconda della categoria del generatore di vapore; 9. carico termico specifico della camera di vapore dei corpi cilindrici, valore medio del quantitativo di vapore generato per ora e per mc. di detta camera, dell'ordine di 150 a 400 kg/mc•h; 10. potenzialità specifica o cifra d'evaporazione specifica, quantitativo di vapore evaporato, in media, per mq. di superficie trasmittente, in un'ora; 11. potere evaporante, quantitativo di vapore prodotto per la combustione di 1 kg. o di 1 mc. di combustibile; 12. indice-soda (N_s = NaOH + 0,22 [Na₂ CO₃ + Na₂SO₃] + 3,33 P₂O₅) che indica il grado d'alcalinità dell'acqua contenuta od immessa nel generatore di vapore: variabile, in esercizio, fra 100 e 400, se nell'acqua v'è fosfato in eccesso, e fra 200 e 1000, se manca il 3° termine della relazione precedente; e valore del pH, che deve rimanere fra 9 e 12 per un soddisfacente comportamento; 13. rapporto di circolazione, per generatori di vapore funzionanti a circolazione meccanica d'acqua, oppure di vapore (soluzione Loeffler), che indica quale è la quantità di fluido circolante nel generatore rispetto a quella che va all'utilizzazione industriale come vapore evaporato, nell'unità di tempo.

Affinché una camera di combustione possa essere sfruttata bene, si adottano adeguati rapporti fra altezza e superficie in pianta di detta camera, nonché fra volume V e sezione orizzontale S media. Le piccole camere di combustione hanno più favorevoli rapporti V/S e possono quindi essere caricate di più termicamente: lo stesso vale anche per le camere di combustione che hanno proporzionalmente grande altezza.

Per i generatori di vapore di grande potenzialità conviene l'adozione di camere di combustione doppie, che possono essere dislocate in parallelo (soluzione Foster Wheeler) con notevole vantaggio per l'accensione all'avviamento e per il funzionameto ai carichi ridotti (fig. 1), oppure in serie, separandole con uno schermo tubolare ad alta vaporizzazione (soluzione Babcock), allorché e prevista l'estrazione dei residui della combustione (scorie e ceneri) allo stato fuso (fig. 2). I focolari per i quali l'estrazione ha luogo allo stato fuso, non superano il 20% del numero complessivo installato nel mondo. La maggior parte dei generatori odierni brucia carbone polverizzato, ma sono spesso attrezzati anche per la combustione a nafta o per quella con gas naturali (metano) ed in alcuni casi per tutte e tre le combustioni. Sono stati anche ideati e messi a punto bruciatori combinati per due e per tre combustibili. Nel campo dei bruciatori sono stati realizzati progressi notevolissimi, specialmente per i bruciatori di nafta e per quelli del metano. Si è riusciti a polverizzare molto bene anche nafte d'alta viscosità e ad ampliare molto il campo di variabilità per le portate dei bruciatori a nafta. I bruciatori ad atomizzazione meccanica sotto pressione sono più adatti per nafte poco viscose mentre per quelle molto viscose si prestano meglio i bruciatori ad insufflazione di aria compressa o di vapore e quelli a coppa rotante, che utilizzano l'effetto della forza centrifuga alle elevate velocità di rotazione (3500 a 7000 e persino 10.000 giri al minuto). La coppa rotante può essere azionata anche da una piccola turbina ad aria compressa e deve essere protetta dalle fiamme quando il bruciatore viene posto fuori servizio. La forma della coppa (cilindrica o conica) determina in parte la forma della fiamma, sulla quale hanno anche influenza la dislocazione e le dimensioni del distributore ad anello dell'aria comburente.

Per i bruciatori del gas (metano) vengono usati bruciatori a premiscelazione del gas con l'aria comburente (da preferire a quelli senza premiscelazione), di cui esistono varî tipi, ad un solo oppure a due tubi Venturi disposti in serie fra di loro, che si differenziano in base ai valori della pressione a cui funzionano ed alle caratteristiche tecniche e dimensioni delle diverse luci di passaggio dell'aria e del gas. È consigliato (Medici) intercalare, fra i tronchi convergenti e quelli divergenti dei tubi Venturi, un tratto cilindrico lungo almeno 4 volte il diametro tubolare. Molto promettenti sono i bruciatori a bracci rotanti, dai cui fori (fig. 3) si eroga il gas ad alta pressione, che pone in rotazione, per effetto di reazione, la raggiera dei bracci menzionati ed un ventilatore ad essa collegato, il quale aspira l'aria comburente. Si ottiene in tal modo una rapida ed intima miscelazione del gas col comburente e si utilizza integralmente il volume della camera di combustione. Le fiamme dei combustibili gassosi sono, a pari quantitativo di calore liberato nel focolare, più corte di quelle degli altri combustibili; la trasmissione del calore nell'ambito della camera di combustione è, con la combustione a metano, molto più intensa, sia per la maggiore irradiazione, sia per accresciute trasmissioni per convezione e conduttività. La fiamma esce, pertanto, dai focolai a metano con temperature notevolmente minori e restano disponibili per le successive superfici trasmittenti del generatore minori quantità di calore.

Innovazioni per la combustione a polverizzato sono: 1) i focolari detti a ciclone con i quali si brucia il carbone semplicemente sminuzzato e non polverizzato, in sospensione, e che hanno delle limitazioni d'impiego derivanti dal contenuto delle materie volatili del combustibile e dalla temperatura di rammollimento dei residui della combustione (scorie e ceneri, per circa il 90%), che vengono estratti allo stato fuso; 2) la semplificazione del sistema di combustione tangenziale consistente nell'impiegare due sole file verticali di bruciatori su due pareti opposte della camera di combustione leggermente sfalsate; 3) impiego di bruciatori inclinabili, sia verso la suola della camera di combustione, sia verso l'alto.

Quanto maggiori sono le dimensioni dei generatori di vapore tanto più difficile riesce il mantenerli puliti in esercizio con la combustione a carbone; i generatori a polverizzato sono meno esposti a questo inconveniente di quelli con combustione su griglia. Stanno tramontando i tipi di griglia a storta ed affermandosi quelli detti a lancio, coi quali le particelle di carbone più minute bruciano in sospensione, mentre le più grandi vengono lanciate sulla griglia e vi bruciano bene con l'ausilio di adatti attizzatoi. Nella combustione su griglia si adottano attualmente sottili letti di combustibile e vanno eliminandosi le voltine e gli archi, onde potervi bruciare carboni di caratteristiche diverse.

Vanno sempre più diffondendosi i dispositivi di regolazione automatica della combustione e l'uso generalizzato di soffiatori di fuliggine di caratteristiche adatte alle singole porzioni dei generatori (soffiatori retrattili, girevoli, ecc.) e di efficaci depolverizzatori dei fumi (elettrostatici a ciclone dei tipi aerotec e derivati, ecc.).

Si preferiscono attualmente i generatori di vapore a circolazione naturale a quelli a circolazione meccanica, anche nel campo delle elevate pressioni. Un'innovazione recentissima è quella della circolazione duplice, con la quale si realizzano due circuiti a circolazione naturale, uno primario per la porzione radiante del generatore ed uno secondario per la porzione a convezione: l'acqua d'alimentazione è addotta al corpo cilindrico del circuito primario, fluisce lungo le schermature tubolari esposte al calore radiante, indi ritorna al corpo cilindrico, dal quale ha luogo un'estrazione continua d'acqua, che serve ad alimentare il circuito secondario, col vantaggio di ridurre la concentrazione salina e le perdite termiche per gli spurghi.

Si è diffuso l'impiego di economizzatori vaporizzanti, per i quali vengono preferiti, per lo meno per le sezioni attraversate da fumi meno caldi, i tubi d'acciaio calibrati esternamente e con applicati elementi di ghisa nervati, in maniera da riunire il vantaggio dell'elevata resistenza a pressione interna del tubo d'acciaio con quello della buona resistenza alle corrosioni dell'elemento esterno nervato in ghisa speciale. Per ottenere la costanza del surriscaldamento e la sua agevole regolabilità in esercizio, viene attuata la combinazione di surriscaldatori a calore radiante con quelli a convezione ed in tutti i casi viene adottato uno scambiatore-condensatore, detto attemperator, inserito nel circuito dell'acqua d'alimentazione, col quale si regola la temperatura del vapore a volontà, a seconda delle esigenze. Anche l'impiego dei bruciatori inclinabili consente di variare alquanto la temperatura del vapore surriscaldato, in relazione specialmente alle modifiche derivanti da variazioni delle caratteristiche tecnologiche del combustibile che si brucia. Si estende altresì l'impiego dei lavatori del vapore nei corpi cilindrici per migliorare la purezza del vapore che passa ai surriscaldatori.

Notevoli progressi sono stati compiuti anche in materia di calcolo delle strutture dei generatori di vapore e nella regolamentazione delle verifiche degli apparecchi a pressione, specie ad opera dell'ANCC.

Per le caldaie marine v. nave: Apparati motori, in questa App.

Bibl.: W. H. Mc Adams, Heat transmission, New York 1942; P. E. Brunelli, Le caldaie, Torino 1945; id., Resistenza organica delle caldaie, Torino 1937 e 1942; Terrel Croft, Power plant series: 1) Steam Boilers, 2) Steam Power Plant Auxiliaires and Accessories, 3) Practical Heat, New York 1946; J. Griswold, Fuels, Combustion and Furnaces, New York 1946; M. Medici, Le macchine termiche, I, Gli impianti a vapore, Padova 1947; id., La progettazione delle macchine termiche, I, La progettazione degli impianti a vapore, Padova 1947; id., Sui criteri di scelta e di unificazione delle caratteristiche funzionali per gli impianti a vapore a condensazione, in Il Calore, VI (1947); R. D. Munro, Steam boilers, Londra 1938; K. Steiner, Oil Burnersa, New York 1937; T. W. Traill, Boilers, Marine and Land, Londra 1939; A. R. Sprega, Il calcolo degli apparecchi a pressione nella teoria e nella pratica, II Congresso nazionale ATI, 1948 e in Il Calore, I (1948).