Introduzione
Le caldaie a tubo di fiamma, conosciute anche come caldaie a tubo di fumo, sono il tipo più comune di caldaia industriale utilizzata oggi. Rispetto alle caldaie a tubo d'acqua, sono molto più adatte per applicazioni in impianti più piccoli perché possono gestire meglio le fluttuazioni improvvise della domanda di vapore.
La combustione avviene all'interno di una camera di combustione con i gas di scarico (gas di combustione) che passano attraverso una serie di tubi della caldaia prima di uscire attraverso un camino. Poiché i gas di scarico passano attraverso tubi immersi nell'acqua, la caldaia è definita come 'caldaia a tubo di fiamma/fumo'. Le caldaie a tubo d'acqua hanno tubi pieni d'acqua circondati da gas di scarico, cioè l'opposto di una configurazione di caldaia a tubo di fiamma.
Caldaie a Tubo di Fiamma
Parti e Funzioni della Caldaia
Guscio
Molte delle parti di una caldaia a tubo di fiamma sono alloggiate all'interno di un lungo guscio cilindrico che funge da recipiente a pressione. Il guscio è pieno d'acqua con spazio in alto per la liberazione del vapore.
Guscio
Tubi
I tubi passano da un'estremità all'altra del guscio; questo può avvenire una o più volte. Il guscio e i tubi possono essere installati in orientamento verticale o orizzontale, anche se l'orientamento verticale è meno comune.
Alcuni dei tubi possono avere un diametro maggiore rispetto ai tubi standard, questi tubi sono chiamati 'tubi di sostegno'. I tubi di sostegno riducono le sollecitazioni meccaniche sui fogli dei tubi quando la caldaia è pressurizzata; possono essere utilizzate anche barre di sostegno per questo scopo.
Tubi
Fornace
La fornace è dove avviene la combustione; è il luogo dove si raggiungono le temperature più alte all'interno della caldaia. Le fornaci sono solitamente corrugate per aumentare la loro resistenza meccanica, anche se le fornaci non corrugate non sono rare.
Fornace, Tubi e Guscio
Fogli dei Tubi
I fogli dei tubi sono utilizzati per sigillare entrambe le estremità del guscio e per fornire un luogo per il montaggio dei tubi. I fogli dei tubi sono solitamente collegati al guscio tramite barre di sostegno.
Fogli dei Tubi della Caldaia a Tubo di Fiamma
Bruciatore
Combustibile, aria e calore devono essere forniti alla fornace per ottenere la combustione. Il combustibile e l'aria vengono alimentati nella fornace dal bruciatore. Una fonte di accensione è fornita da un accenditore (un elettrodo che crea un arco elettrico, simile a una candela ma più grande). I combustibili tipici includono olio combustibile leggero (LFO) e gas metano, anche se sono disponibili altri. La 'parte anteriore' della caldaia si trova dove è montato il bruciatore.
Bruciatori Montati su Caldaie
Camera di Inversione
Ci può essere una o più camere di inversione. Le camere di inversione cambiano la direzione dei gas di scarico mentre escono da un passaggio e vengono diretti in un altro. Le camere di inversione situate lontano dal bruciatore sono 'camere di inversione posteriori' mentre quelle più vicine al bruciatore sono 'camere di inversione anteriori'.
Camera di Inversione
Cassetta del Fumo
La cassetta del fumo è l'ultima parte della caldaia che i gas di scarico attraversano prima di uscire verso il camino.
Cassetta del Fumo e Camino
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Design delle Caldaie a Tubo di Fiamma
È possibile variare il design della caldaia in diversi modi:
- Retro bagnato - la parte posteriore della fornace è circondata da una camicia d'acqua.
- Retro asciutto - la parte posteriore della fornace è circondata solo da lamiera.
- Duomo del vapore - un duomo montato sulla parte superiore del guscio della caldaia per facilitare la liberazione del vapore.
- Numero di fornaci - una caldaia può avere da una a tre fornaci (regola generale).
- Design della fornace - corrugata o non corrugata. L'immagine sottostante mostra una fornace corrugata cioè la fornace non è un cilindro diritto.
Fornace Corrugata Indicata
- Numero di passaggi - ogni volta che i gas di scarico passano attraverso la caldaia, si parla di passaggio. Le caldaie a tubo di fiamma hanno tipicamente tre o quattro passaggi, anche se sono in uso anche caldaie a uno e due passaggi.
Caldaia 1° Passaggio
Come funzionano le caldaie a tubo di fiamma?
Il video sottostante è un estratto dal nostro Corso Online di Introduzione al Vapore, Caldaie e Termodinamica.
Aria e combustibile (solitamente olio combustibile leggero (LFO) o gas metano) vengono alimentati nella fornace da un bruciatore. La miscela aria/combustibile viene accesa da un accenditore e la combustione inizia.
Il calore dalla combustione viene trasferito immediatamente alla parete della fornace e all'acqua circostante. Tra il 40-60% di tutto il calore generato nella caldaia verrà trasferito all'acqua dalla fornace, con il resto trasferito all'acqua tramite i tubi. La fornace rappresenta il 1° passaggio attraverso la caldaia.
I gas di scarico dalla combustione viaggiano quindi verso la prima camera di inversione. I gas escono dalla camera di inversione e poi entrano nel 2° passaggio dei tubi, seconda camera di inversione, 3° passaggio dei tubi, cassetta del fumo e infine il camino.
L'acqua viene riscaldata dal calore della combustione e dai gas di scarico risultanti. Man mano che l'acqua nel guscio viene riscaldata, il vapore viene liberato nella parte superiore del guscio della caldaia. Il vapore continua ad accumularsi fino a quando non si raggiunge la pressione e la temperatura desiderate.
Componenti del Modello 3D
Questo modello 3D mostra tutti i principali componenti associati a una tipica caldaia a tubo di fiamma a tre passaggi, questi includono:
- Guscio – recipiente a pressione riscaldato.
- Bruciatore – utilizzato per la combustione.
- Fornace corrugata – dove avviene la combustione.
- Tubi – utilizzati per dirigere i gas di scarico attraverso il guscio.
- Fogli dei tubi – utilizzati per mantenere i tubi in posizione.
- Camera di inversione – i gas vengono invertiti in questo spazio e inviati nella direzione opposta.
- Coperchio – trattiene l'isolamento che aumenta l'efficienza termica della caldaia.
- Cassetta del fumo – situata dove i gas di scarico escono dall'ultimo passaggio dei tubi, ma prima del camino.
- Valvole di sicurezza - utilizzate per alleviare la pressione del sistema in caso di sovrapressione.
- Indicatori - indicatori locali e remoti utilizzati per monitorare temperatura, pressione e flusso.
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Fire-tube_boiler
https://www.elprocus.com/fire-tube-boiler-working-principle-types-of-fire-tube-boilers
https://en.zozen.com/products/wns-series-gas-oil-fired-steam-hot-water-boiler.html