RICUPERO del CALORE

RICUPERO del CALORE

. Rappresenta l'insieme dei metodi destinati a raccogliere la maggiore quantità possibile del calore restituito dal laboratorio degli apparecchi termici (forni, caldaie, motrici), che altrimenti andrebbe perduto, e a riutilizzarlo col più alto rendimento compatibile con il funzionamento e con il costo, per impianto ed esercizio, dei dispositivi impiegati: Può farsi secondo due sistemi:

1. Il calore ricuperato viene rinviato nello stesso ciclo di elaborazione (ricupero interno, o dipendente, o diretto). A parità della quantità di calore restituita dal laboratorio, si ha un'economia nel combustibile e un'esaltazione nell'elaborazione, che anzi in alcuni casi (ad es., nei forni fusorî per acciaio) è resa industrialmente conveniente solo per mezzo del ricupero.

2. Il calore ricuperato viene utilizzato all'infuori del ciclo, per riscaldamento, per forza motrice, per servizî ausiliarî, ecc. (ricupero esterno, o indipendente, o indiretto): sì ottiene un'economia nelle spese di esercizio e talvolta una fonte di entrate per l'azienda. Questo sistema permette una certa elasticità nel tipo d'impiego, ma non sempre le esigenze di questo possono conciliarsi economicamente nel tempo e nella quantità con quelle della elaborazione; ad ogni modo è consigliabile tutte le volte che non risulti opportuno il primo sistema o che vi sia esuberanza nel calore da ricuperare per via interna. Per rappresentare le quantità di calore in giuoco riesce utile il diagramma di Sankey, nel quale non si tiene conto però del diverso livello termico delle quantità stesse. La fig. 1 dà gli esempî generici relativi rispettivamente ai due casi sopra considerati, nell'ipotesi che rimanga costante la quantità di calore assorbita nella elaborazione.

Ricupero nei forni industriali a combustione. - In questi (vedi forno) il rendimento termico è sempre assai basso (raramente raggiunge il 60%) principalmente perché i prodotti della combustione (fumi) debbono lasciare il laboratorio a una temperatura superiore di circa 70°, a quella delle materie, per cui asportano una forte percentuale del calore fornito.

A) Ricupero del calore trasmesso attraverso le pareti del laboratorio: si può preriscaldare l'aria comburente, che circola in opportune intercapedini ricavate nelle pareti, nella vòlta e sotto la suola del forno.

B) Ricupero del calore asportato dai prodotti della combustione:

1. - Prodotti con calore sensibile (fumi): s'inserisce l'apparecchio di ricupero nel percorso dei fumi prima di avviarli al camino, tenendo presente il limite imposto dal tiraggio naturale, e se del caso, attivando questo artificialmente, e realizzando gli effetti sottoindicati:

a) Preriscaldamento delle materie da elaborare: su questo principio sono costruiti i forni a due camere per grossa fucinatura e i forni continui (dei quali si dirà appresso).

b) Preriscaldamento dell'aria comburente (e talvolta anche del combustibile nei forni a gas di gassogeno):

adottando, per le quantità di calore che sono in giuoco, le notazioni della fig. 1, sia Q_r = ρQ_a la quota parte del calore, asportato dai fumi, che viene assorbita dall'apparecchio di ricupero R (così ρ = Q_r/Q_a misura la capacità termica specifica di questo); il calore ceduto al camino Q_c = (1 − ρ) Q_a. Sia poi q_r = λQ_r la quota parte di Q_r che viene ricuperata e riportata in ciclo preriscaldando l'aria e il gas (così λ = q_r/Q_r misura il rendimento termico dell'apparecchio); si ha q_r = λρQ_a e il calore perduto dall'apparecchio: q_p = (1 − λ) Q_r = (1 − λ) ρQ_a.

Il rendimento quantitativo del forno senza ricupero:

Nell'ipotesi Q_u = cost., il rendimento con ricupero:

e l'aumento di rendimento dovuto al ricupero:

L'economia di combustibile, dovuta al calore q_r riportato in ciclo dal fluido preriscaldato:

da cui:

L'economia effettiva è accresciuta per la diminuzione della massa dei fumi (e quindi del calore Q_a) dipendente da ε e dal risparmio di aria e per la diminuzione della temperatura di scarico dei fumi e del loro tenore in CO.

Nell'ipotesi Q = cost., si ha un aumento della quantità di calore utilizzato nel laboratorio, che diviene:

e un aumento della temperatura di combustione.

Gli apparecchi adoperati possono essere:

α) ricuperatori, o preriscaldatori a superficie, nei quali si ha una trasmissione di calore continua tra la corrente dei fumi e quella del fluido da preriscaldare. Si distinguono: in base alla direzione relativa delle due correnti (figg. 2 e 3), in ricuperatori a correnti parallele equiverse. (più bassa temperatura delle pareti trasmittenti), parallele inverse (più elevata temperatura di preriscaldamento), incrociate (più semplice costruzione); in base al materiale, in ricuperaturi metallici e di refrattario. Quelli metallici (di acciaio speciale al Cr, Ni, Mo, ecc.), che s'impiegano per temperature inferiori a 500÷600°, presentano elevata conducibilità e sicura tenuta, sono poco ingombranti e di comoda fabbricazione; possono essere "tubulari" (generalmente a correnti inverse o incrociate; fig. 4) o "laminari o a camere" (generalmente a correnti incrociate; fig. 5). Quelli di refrattario, che si impiegano nei forni ad alta temperatura (ad es., in siderurgia; figg. 6 e 7) hanno una bassa conducibilità, sono ingombranti e facili a fessurarsi;

β) rigeneratori, o preriscaldatori a inversione, nei quali il calore viene accumulato da un riempimento refrattario (attraversato dai fumi in una prima fase, e ceduto poi al fluido da riscaldare (che attraversa il refrattario in senso inverso in una seconda fase). Sono composti o di due camere (preriscaldo di sola aria) o di quattro (preriscaldo di aria e di gas), delle quali una (o due) si trovano in fase di accumulazione, mentre l'altra (o le altre due) si trovano in fase di raffreddamento (cessione di calore ai fluidi da preriscaldare). Costituiscono come un volano di calore quando il laboratorio dei forni ne richiede forti quantità a intermittenza e a temperature superiori ai 1100°: ad es., forni Siemens per acciaio, per vetrerie, per grossa fucinatura, ecc. (fig. 8).

c) Utilizzazione per altri scopi (ricupero esterno). Deve formare oggetto di particolare studio la ripartizione sia della quantità del calore ricuperabile, sia del salto termico disponibile, sia degli apparecchi relativi, tra i due sistemi di ricupero (interno ed esterno). Così talvolta si tende a limitare il salto termico nei ricuperatori a favore della produzione di vapore in caldaie di ricupero poste a valle di questi, che hanno minore rendimento termico rispetto alle caldaie stesse. Queste differiscono dalle caldaie a fuoco diretto per la più bassa temperatura nel focolare, per la minore attività di circolazione dell'acqua e per la scarsa purezza dei fumi riscaldati. S'istallano il surriscaldatore a monte e l'economizzatore a valle del generatore. Dai fumi uscenti (a circa 700°) dai generatori dei forni Martin Siemens e dai forni rotativi per cemento si possono ottenere fino a 600 kg. di vapore, a 15 kg./cmq., per ogni tonn. di prodotto. Occorre però che i fumi abbiano almeno la temperatura di 400° perché convenga l'istallazione di queste caldaie, di cui le figg. 9 e 10 dànno qualche esempio.

2. - Prodotti con calore latente: ad es., i gas d'alto forno, che contengono CO e H in quantità sufficienti per un'ulteriore combustione. Il ricupero di questo calore, che rappresenta circa il 60% di quello fornito, avviene per il 20% circa con il preriscaldamento dell'aria comburente, fino a 800°, nelle torri Cowper (v. ferro, XV, p. 80; siderurgia) o accumulatori di calore a riempimento refrattario (rigeneratori a camera di combustione). Il restante calore latente viene utilizzato in ricupero esterno da gruppi elettrogeni a gas, da moto-compressori, da caldaie, da forni di acciaieria, ecc. Ricerche recenti (Brown-Boveri) consiglierebbero di abolire i Cowper, facendo bruciare i gas in uno speciale generatore di vapore (Velox) e inviando i prodotti della combustione in un ricuperatore metallico attraversato, in controcorrente continua, dall'aria comburente.

C) Ricupero del calore sensibile asportato sia dai prodotti della combustione sia dalle materie elaborate: si effettua preriscaldando le materie da elaborare e l'aria comburente (ovvero l'aria e il combustibile nei forni a gas). Questo doppio ricupero interno si applica ai forni continui come: rotativi per cemento (v. cemento), a galleria (lineari) per ceramiche e per riscaldo lingotti, anulari (tipo Hoffmann e derivati; v. laterizi).

La fig. 11 dà il diagramma di Sankey relativo a uno di questi casi di doppio ricupero in periodo di regime.

Un miglioramento è quello di rendere indipendente il ricupero del calore sensibile delle materie elaborate (riscaldo dell'aria destinata a preriscaldare direttamente le materie da elaborare) da quello relativo al preriscaldo dell'aria comburente (o dell'aria e del gas) aggiungendo un apparecchio di ricupero separato dalle zone del forno e messo in circuito col laboratorio L (R. San Nicolò). Nelle fornaci Hoffmann si può migliorare il rendimento facendo circolare ripetutamente nell'interno del canale di cottura una parte dei prodotti della combustione invece d'inviare questi integralmente al camino, diminuendo così la quantità di aria fredda esterna che si deve preriscaldare a spese del calore sensibile del materiale cotto (A. Carena).

Recupero degl'impianti a vapore. - A) Ricupero del calore trasmesso attraverso le pareti: si può far circolare, come nei forni, l'aria comburente secondaria in opportune intercapedini.

B) Ricupero del calore asportato dai prodotti della combustione. A differenza di quanto avviene in un forno industriale, i fumi abbandonano il generatore di vapore a una temperatura alquanto più bassa di quella iniziale, quindi si possono applicare apparecchi metallici, aventi una delle funzioni sottoindicate.

1. - Preriscaldamento dell'acqua di alimentazione. Si effettua negli "economizzatori" inseriti nel canale dei fumi tra il generatore e il camino (fig. 12). Nelle caldaie ad alta pressione l'impiego del solo economizzatore non è conveniente perché l'aumento del calore di riscaldamento dell'acqua richiede un'eccessiva superficie dell'apparecchio.

2. - Surriscaldamento del vapore: non si tratta proprio di ricupero, ma di una migliore utilizzazione del calore del focolare da parte del generatore. Il surriscaldamento, con apparecchi a convezione, o a radiazione, o indipendenti dal focolare, si può applicare, oltre che al vapore vivo da inviare alla motrice, anche in corrispondenza di stadî intermedi del funzionamento di questa.

3. - Preriscaldamento dell'aria comburente: forma di ricupero già indicata per i forni industriali e che viene talvolta preferita a quella con economizzatori, specialmente se al preriscaldamento dell'acqua si provvede con la rigenerazione (v. sotto). Si adottano ricuperatori metallici dei tipi già trattati, o tubulari, o laminari. Naturalmente l'aria in essi riscaldata può invece essere destinata ad usi diversi (ricupero esterno), come a riscaldamento e condizionamento industriale o di ambienti abitati.

C) Ricupero del calore del fluido (acqua o vapore) operante nell'impianto:

1. - Acqua di condensa. Si può ricuperare il calore sia rinviando l'acqua nel generatore (ricupero interno) ovvero utilizzandola per scopi diversi (ricupero esterno). Con acqua a 140° convogliata sotto pressioni in ciclo chiuso (Taglietti e Tasso) si può raggiungere un'economia anche del 25%.

2. - Vapore delle motrici:

a) Rigenerazione del calore dell'acqua (ricupero interno). Lo schema della fig. 14 dà le perdite di calore in un impianto di caldaia e motrice a condensazione; una parte Q_a del calore Q_v fornito al vapore dal generatore è relativa al riscaldamento dell'acqua fino alla temperatura di vaporizzazione. Alimentando con l'acqua di condensa preriscaldata a spese del calore contenuto nel vapore di mano in mano che questo si espande nella motrice, il coefficiente economico del ciclo percorso dal fluido si può avvicinare molto a quello del corrispondente ciclo di massimo rendimento. Una certa quantità di vapore viene sottratta (spillata) in due o più punti del corpo della motrice e avviata in altrettanti preriscaldatori inseriti nel circuito dell'acqua di alimentazione (fig. 15). Il processo di rigenerazione s'impone negli impianti ad alta pressione per limitare anche le perdite al condensatore; associato con gli economizzatori, permette di ridurne la superficie e con i preriscaldatori d'aria permette di ottenere elevate temperature iniziali del fluido e di produrre, nei grandi impianti perfezionati, il kWh elettrico con 2800 calorie di carbone.

b) Soppressione o limitazione della condensazione: per ridurre la quantità del calore asportato dall'acqua di circolazione del condensatore, che può superare anche il 50% del calore fornito (fig. 14), possono attuarsi varie soluzioni.

α) Motrici a contropressione (a ricupero totale): il vapore, scaricandosi da queste alla pressione di qualche atmosfera, può cedere il proprio calore condensandosi in apparecchi industriali di riscaldamento a bassa pressione e riportare così il rendimento termico della motrice a valori prossimi all'unità (fig. 16); convengono quando la quantità di vapore per usi industriali è maggiore della metà di quella per forza motrice e il rapporto relativo rimane pressoché costante.

β) Motrici a condensazione con prese intermedie del vapore (a ricupero parziale), che ha parzialmente lavorato e che si avvia verso apparecchi di utilizzazione, oltre che alla rigenerazione dell'acqua; convengono quando il vapore richiesto per usi industriali è in quantità limitata e continuamente variabile.

γ) Accumulatori, nei quali si avvia il vapore di scarico delle motrici a contropressione, specialmente se queste debbono funzionare irregolarmente o a intermittenza. Gli accumulatori erogano vapore saturo che può azionare speciali turbine (funzionamento a pressione decrescente) ovvero puo aggiungersi, in ore di maggiore richiesta, a quello erogato dalle caldaie (funzionamento a pressione costante).

δ) Produzione mista di energia e di calore per riscaldamento, ottenuto: o trasformando il vapore di scarico o di spillamento delle motrici dei tipi corrispondenti, o utilizzando questo per riscaldamento di acqua o di aria, ovvero impiegando direttamente l'acqua di circolazione di uno speciale tipo di condensatore annesso alle motrici. Si può così ridurre il consumo di combustibile a poco più di 900 kWh. Quando le esigenze di energia e di riscaldamento non sono conciliabili, l'azienda può cedere vapore o acqua calda come sottoprodotti.

Ricupero nei motori a combustione interna. - Il ricupero del calore sensibile dei gas combusti, che rappresenta il 25÷33% di quello fornito, può avvenire in caldaie a tubi di fumo. Il ricupero del calore sensibile dell'acqua di raffreddamento, che rappresenta il 30÷35% di quello fornito, può avvenire direttamente solo col riscaldamento a bassa temperatura. Si può però portare, mediante il calore dei gas combusti, la temperatura di scarico dell'acqua a circa 150° lasciando inalterato il salto termico dell'acqua stessa nell'interno del motore (raffreddamento ad alta temperatura) e utilizzare il calore ricuperato in una turbina a vapore a bassa pressione (ricupero misto Semmler). Si può così realizzare anche un'economia del 50%. È stato anche ideato un motore Diesel a due tempi (Still), nel cui cilindro, e precisamente nella camera opposta a quella di combustione, agisce il vapore generato da una caldaia di ricupero del calore dei gas di scarico, alimentata dall'acqua di raffreddamento ad alta temperatura (1700) e provvista anche di bruciatore ausiliario.

Bibl.: Opere e monografie: A. Anastasi, Evoluzione dei motori termici nell'ultimo decennio (Pubblicaz. nel cinquanten. della società Edison), I, 1934; H. Balcke, Utilisation des chaleurs perdues, Parigi 1934; E. C. Blanc, Le ciment Portland, ivi 1927; U. Bordoni, Fondam. di fisica tecnica, I, Bologna 1932; A. Carena, L'industria dei laterizi, Torino 1922; E. Corti, Costruzione dei forni industriali, ivi 1935; Gerber-Reutlinger, Kraft u. Wärmewirtschaft in der Industrie, Berlino 1930; W. Gumz, Lufvorwärmung, Lipsia 1933; W. Heiligenstaedt, Regeneratoren, Rekuperatoren, Winderhitzer, Lipsia 1931; H. Le Chatelier, Chauffage industriel, Parigi 1925; M. Medici, Le macchine termiche, parte 1ª, Padova 1935; M. Schlipkoter, Économie thermique dans la sidérurgie, Parigi 1930; W. Tafel, Wärme u. Wärmewirtschaft der Kraft u. Feuerungsanlagen in der Industrie, Monaco 1924; W. Trinks, Les fours industriels, Parigi 1932.

Riviste: Associazione elettrotecnica italiana (Rendic. della XXXV riun. annuale, Trieste 1930; mem. di A. Anastasi, E. Foà, G. De Mottoni, ecc.); Bulletin Oerlikon Calore (A. Q. Cuffaro, 1932; P. Foffano, 1930-32; N. Gavotti, 1930; V. Grazioli, 1930; G. Piperno, 1930; A. R. Sprega, 1930, 1932; G. Vecco, 1930); Chaleur et Industrie, Energia termica, Fuerungstechnik, Industria (F. Salerno, 1934), Industrie del cemento (id., 1933; F. Cova, 1934), Industrie dei silicati (A. Carena, 1931, 1932), Marelli, Metallurgia italiana (L. Bemporad, 1933), Politecnico (F. Salerno, 1928, 1929, 1934; R. San Nicolò 1928; V. Scavia, 1929); Power, Revue Brown-Boveri, Wärme.