Dimensionamento e Parametri Termodinamici Ing. Ph. D. Daniele De Lodovici

1. CALDAIA Dimensionamento e Parametri TermodinamiciIng. Ph. D. Daniele De Lodovici

2. Lo scambio del calore in caldaia Il calore è una forma di energia, più un corpo è caldo più le sue molecole vibrano in modo energico. Questo movimento tende ad estendersi alle zone circostanti più fredde, ovvero alle molecole meno veloci  TRASMISSIONE DEL CALORE • se ci sono differenze di temperatura il fenomeno è in evoluzione  REGIME DI TIPO VARIABILE • nel momento in cui le temperature sono uguali in tutti i punti del sistema si raggiunge lo stato di EQUILIBRIO

3. Trasmissione del calore (1a) Il calore può trasmettersi secondo tre diverse modalità: • Conduzione è un fenomeno interno al corpo considerato (fluido o solido), la trasmissione del calore è dovuta agli urti tra molecole vicine, ma che comunque restano sempre nella loro posizione. • Per esempio è la trasmissione di calore che si ha in uno strato di refrattario

4. Trasmissione del calore (2a) • Convezione è un fenomeno che si manifesta tra i fluidi in moto; consiste nel trasporto del calore operato dalle particelle più calde che si spostano verso zone più fredde rendendo alle particelle con vibrazioni meno energiche parte della loro energia. Il trasferimento di calore aumenta con la velocità del fluido e con la temperatura delle sue molecole. • Per esempio è la trasmissione di calore che si verifica tra i banchi convettivi della caldaia

5. Trasmissione del calore (3a) • Irraggiamento è un fenomeno di natura elettromagnetica, avviene tra due superfici a temperature diverse separate da un mezzo permeabile alle radiazioni (es. aria o gas di combustione) • Per esempio è la trasmissione di calore che caratterizza il primo canale delle caldaie

6. Scambio termico per conduzione Scambio termico su una parete piana semplice: Q = /s F (T1 - T2) • Q calore scambiato nel tempo dalla superficie considerata [W] •  coefficiente di conduttività interna [W/(m K)] • F superficie di scambio [m2] • T1, T2 temperature interne ed esterne alla parete [K] • s spessore della parete [m] Questa relazione può essere estesa al caso di pareti a più strati per determinare il profilo di temperatura attraverso la parete; calcolo di fondamentale importanza, per esempio, per la scelta dei materiali refrattari delle pareti del forno.

7. Scambio termico per convezione (1a) • Naturale: movimenti spontanei delle particelle del fluido che, riscaldate, si muovono verso l’alto, innescando moti cosiddetti convettivi • raffreddamento delle blindature del forno • Forzata: si ha quando al naturale movimento delle particelle si aggiungono movimenti indotti artificialmente che rendono lo scambio più energico • scambiatori di calore • sezioni convettive delle caldaie NB Nella pratica tecnica i moti laminari sono meno frequenti dei moti turbolenti.

8. Scambio termico per convezione (2a) Il calore scambiato nel tempo è definito dalla seguente relazione: Q = a S (T1 - T2) • Q calore scambiato nel tempo dalla superficie considerata [W] • a coefficiente di scambio termico convettivo [W/(m2 K)]: • S superficie di scambio [m2] • T1, T2 temperature del fluido e della parete [K] Il coefficiente convettivo a è una funzione, generalmente molto complessa, delle proprietà del fluido, del suo stato di moto e della temperatura e stato della superficie lambita.

9. Scambio termico per convezione (3a) Sono state formulate numerose correlazioni per calcolare il coefficiente a, ma tutte applicabili in un ristretto campo: • correnti turbolente di gas in tubi ruvidi: • a = 3.8 w0,75/D0,25 • superfici piane scabre con velocità del fluido superiori a 5 m/s • a = 6,12 w0,78

10. Scambio termico per irraggiamento (1a) Le onde elettromagnetiche si propagano attraverso i mezzi di trasmissione (aria, fumi...) e quando colpiscono un corpo in parte sono assorbite e in parte riflesse. In funzione di questo si definisce: • Corpo nero, un corpo che assorbe tutte le radiazioni che lo colpiscono; è puramente teorico. • Corpo grigio, un corpo che riflette una certa quantità di energia incidente; situazione reale.

11. Scambio termico per irraggiamento (2a) Il calcolo del calore scambiato per irraggiamento è molto complesso, in via teorica è proporzionale alla differenza delle quarte potenze delle temperature dei corpi coinvolti: Q = Ce F [ (T1/100)4 - (T2/100)4] • Ce = e C • e = coefficiente riduttivo che tiene conto dell’effetto di corpo grigio • C = costante di Stefann Boltzmann e vale 4,96 kcal/(m2hK4) Tale contributo ha importanza alle alte temperature diversamente è trascurabile.

12. La configurazione della caldaia in relazione all’assorbimento del calore Nelle caldaie a recupero a valle dei forni inceneritori, sono presenti tutti i fenomeni di scambio in precedenza descritti. La conformazione della caldaia deriva dall’applicazione dei processi di scambio termico tra i fluidi nelle varie sezioni, adottando opportune soluzioni che consentono di proteggere le superfici metalliche dall’aggressione acida dei fumi, da erosioni e surriscaldamenti. Tutte le caldaie sono realizzate in due distinte sezioni: • sezione ad irraggiamento • sezione convettiva

13. La configurazione della caldaia in relazione all’assorbimento del calore - Irraggiamento Lo scambio termico per irraggiamento coinvolge le pareti membranate nella sezione di alta temperatura della caldaia: • i fumi cedono calore alle pareti membranate che a loro volta sono raffreddate dall’acqua bollente che le percorre internamente. Per questa ragione i tubi delle pareti operano in una finestra di temperatura non critica dal punto di vista della corrosione. • i fumi così raffreddati entrano nella sezione convettiva della caldaia.

14. La configurazione della caldaia in relazione all’assorbimento del calore - Convezione Lo scambio termico avviene su banchi a tubi verticali o orizzontali, appesi o appoggiati ed alloggiati in un canale membranato o refrattario che a sua volta può essere verticale od orizzontale, posto a valle della sezione d’irraggiamento. Nelle caldaie più recenti si realizza normalmente un banco evaporatore a protezione del surriscaldatore per ridurre ulteriormente la temperatura dei fumi in ingresso alla convettiva (T < 600 °C) poiché il vapore surriscaldato (T = 380 – 400 °C) non refrigera la parete del tubo in modo efficace quanto l’acqua bollente (T = 250 – 260 °C).

15. La configurazione della caldaia in relazione alla salvaguardia dei banchi • La pulizia dei banchi è ottenuta con percussione / vibrazione o mediante la soffiatura con vapore o aria • Si impone che la velocità del fumo nei banchi sia inferiore a 6 m/sper evitare fenomeni di abrasione sui tubi • Il rapporto passo dimetro dei tubi è ottimizzato per ogni banco al fine di evitare occlusioni da polvere • I canali verticali che ospitano i banchi convettivi permettono l’allontanamento delle polveri solo dopo aver attraversato tutti i banchi sottostanti, mentre quelli orizzontali sfruttano la naturale tendenza della polvere a depositarsi lungo percorsi orizzontali con conseguente minor carico sulle sezioni successive

16. Problematiche relative alla corrosione su SH, EVA ed ECO Esistono diversi meccanismi di corrosione, il principale dei quali è operato dall’HCl, contenuto in quantità apprezzabili nei fumi di combustione (500-1000 mg/Nm3) in funzione della quantità di cloro presente nel combustibile. E’ dimostrato il ruolo fondamentale nella corrosione dei sali fusi sui tubi. La gestione dell’impianto deve essere tale da: • ridurre l’esposizione all’attacco chimico • impedire che si realizzino le condizioni favorevoli alla corrosione

18. Diagramma di stato trivalente di ZnCl2, KCl e PbCl2e loro Temperatura di fusione

19. Bilancio energetico della caldaia In regime stazionario possiamo scrivere il bilancio energetico come somma dei flussi energetici entranti ed uscenti dal sistema. Analogamente il bilancio di massa come sommatoria dei flussi di massa entranti ed uscenti dal sistema.

20. Schema di flusso

21. I flussi di massa ed energetici entranti ed uscenti dalla caldaia sono associati alle seguenti variabili

22. Bilancio energetico Wi=potenza i-esima Bilancio di massa mi=massa i-esima NB osserviamo che il contributo del termine m14 relativo alle dissipazioni delle pareti è nullo in quanto non associato ad un flusso di massa Equazioni di bilancio

23. Efficienza della caldaia (1a) L’efficienza  della caldaia è definita come: ossia la potenza termica associata ai fumi entranti detratte tutte le perdite, divisa per la potenza termica associata ai fumi entranti.

24. Efficienza della caldaia (2a) Considerando in prima approssimazione nulli i flussi termici relativi alle ceneri, dissipazioni ed allo spurgo: otteniamo che: ed assumendo che Cp8  Cp12 possiamo scrivere: NB Osserviamo che l’equazione è grossolana e può essere utilizzata solo in prima approssimazione