Cosa sono le caldaie a tubo d'acqua?
Una caldaia a tubo d'acqua, conosciuta anche come caldaia a tubo d'acqua o caldaia a tubo d'acqua, è un tipo di caldaia che utilizza tubi riempiti d'acqua tubi per generare vapore. Questo è in contrasto con una caldaia a tubo di fiamma che utilizza tubi riempiti di gas caldi per generare vapore. Il vapore generato dalla caldaia può essere utilizzato per una varietà di scopi, inclusa la generazione di energia tramite turbine a vapore, applicazioni di processo industriale e riscaldamento degli edifici (riscaldamento distrettuale).
Nota - per aiutare la comprensione e la familiarizzazione, questo articolo utilizza le varie forme di tubo d'acqua, tubo d'acqua, e tubo d'acqua, in tutto.
Trasferimento di Calore a Tubi di Caldaia a Tubo d'Acqua e Tubo di Fiamma
Le caldaie a tubo d'acqua sono tipicamente più efficienti di altri tipi di caldaie e sono anche in grado di generare volumi maggiori di vapore a pressioni operative più elevate e temperature; questo le rende ideali per l'uso in centrali elettriche e altri ambienti industriali dove è richiesta una maggiore capacità.
In questo articolo, esploreremo il funzionamento delle caldaie a tubo d'acqua impiegate nelle centrali elettriche a carbone. Discuteremo i principali sistemi associati a queste grandi caldaie, le loro parti principali e come possiamo utilizzare il vapore per generare energia elettrica. Puoi comunque saperne di più sui diversi tipi di caldaie e macchinari per centrali elettriche nel nostro Corso Video sui Fondamenti dell'Ingegneria dell'Energia.
Caldaia a Tubo d'Acqua
Buono a sapersi – ‘tubo d'acqua’ è anche scritto ‘tubo-d'acqua’, o ‘tubo d'acqua’, ma le diverse varianti significano tutte la stessa cosa.
Quali sono le parti principali di una caldaia a tubo d'acqua?
Le parti principali di una caldaia a tubo d'acqua sono:
- Tamburo del vapore
- Tamburo del fango
- Discendenti
- Ascendenti
- Collettori
- Surriscaldatore (Primario, Secondario ecc.)
- Riscaldatore (Primario, Secondario ecc.)
- Economizzatore
- Fornace (spazio di combustione)
- Valvola di sicurezza
- Ventilatore dell'aria primaria
- Ventilatore dell'aria secondaria
- Ventilatore di scarico
- Attemperatore
Tubazioni e Percorsi di Flusso della Caldaia a Tubo d'Acqua
Come funzionano le caldaie a tubo d'acqua?
Il diagramma sottostante mostra la disposizione tipica delle attrezzature e dei sistemi associati a una centrale elettrica a carbone; utilizza il diagramma come riferimento mentre procedi con questo articolo. È necessario comprendere tutti i sistemi di una centrale elettrica per comprendere come funziona una caldaia a tubo d'acqua.
Diagramma dei Sistemi e delle Attrezzature di una Centrale Elettrica a Carbone
Sistema di Alimentazione della Caldaia a Tubo d'Acqua
Prima che il carbone venga alimentato alla caldaia, viene immagazzinato in un cortile del carbone, quindi trasportato ai siloi giornalieri. I siloi giornalieri hanno tipicamente una capacità sufficiente per 4-12 ore di funzionamento massimo della caldaia, il che garantisce che la caldaia possa rimanere in servizio anche se c'è un problema con il trasportatore(i) nel cortile del carbone. I siloi giornalieri alimentano il carbone ai polverizzatori di carbone (inglese americano ‘pulverizers’).
Polverizzatore di Carbone
Lo scopo di un polverizzatore è macinare, asciugare, e classificare il carbone, assicurando che contenga una bassa quantità di umidità e che sia della dimensione corretta, quando raggiunge la caldaia. Il carbone polverizzato viene scaricato dai polverizzatori e trasportato pneumaticamente attraverso tubazioni ai bruciatori della caldaia.
Il carbone polverizzato viene spruzzato nella fornace attraverso ugelli del bruciatore, dove viene acceso e subisce combustione. L'aria viene soffiata nella fornace per garantire una combustione efficiente. Dietro i tubi laterali della fornace (pareti laterali d'acqua) ci sono le camere del vento; l'aria si accumula in ciascuna camera del vento prima di entrare nella caldaia. Una camera del vento fornisce una piccola riserva d'aria e riduce la probabilità di pulsazioni d'aria o fornitura d'aria incoerente alla caldaia. Ci sono due principali sistemi d'aria associati alle caldaie a tubo d'acqua, questi sono i sistemi di aria primaria e aria secondaria.
Camera del Vento della Caldaia a Tubo d'Acqua
Sistemi di Aria Primaria e Secondaria della Caldaia a Tubo d'Acqua
I sistemi di aria primaria e secondaria hanno due funzioni separate.
- Aria primaria – controlla la quantità di combustibile bruciato.
- Aria secondaria – controlla l'efficienza del processo di combustione.
I ventilatori dell'aria primaria e secondaria utilizzati in entrambi i sistemi sono tipicamente di design ventilatore centrifugo, sebbene il numero e il tipo di ventilatori dipenda dal design della caldaia. Il sistema di aria primaria alimenta l'aria primaria ai polverizzatori di carbone, mentre il sistema di aria secondaria fornisce aria alle camere del vento.
Sistema di Aria Primaria
Il sistema di aria primaria controlla la quantità di combustibile bruciato. Regolando la quantità di aria primaria fornita, si può regolare la quantità di carbone alimentato alla fornace. L'aria primaria fredda entra nel polverizzatore di carbone e si mescola con l'aria primaria calda per creare una miscela aria-combustibile ottimale e temperatura. La miscela aria-combustibile viene quindi trasportata pneumaticamente attraverso tubi ai bruciatori, e nella fornace.
Sistema di Aria Secondaria
Il sistema di aria secondaria controlla l'efficienza del processo di combustione; fornisce aria alle camere del vento, che distribuiscono l'aria secondaria uniformemente all'interno della fornace. Il sistema di aria secondaria aiuta a mantenere condizioni di combustione ottimali regolando la quantità di aria fornita in base ai livelli di anidride carbonica e ossigeno nei gas di scarico. Monitorando la composizione dei gas di scarico, il sistema di aria secondaria può garantire che la combustione sia il più efficiente possibile; questo processo è noto come controllo dell'efficienza della combustione.
Riscaldatore d'Aria
I riscaldatori d'aria utilizzano i gas di scarico della combustione per riscaldare l'aria primaria e secondaria prima che entri nella caldaia; questo processo migliora l'efficienza della caldaia prevenendo il raffreddamento continuo della caldaia a causa dell'introduzione di aria fredda.
Riscaldatore d'Aria della Caldaia a Tubo d'Acqua
Caldaia a Tubo d'Acqua: Principio di Funzionamento
Questa sezione discute i vari componenti e sistemi utilizzati per convertire l'acqua in vapore all'interno di una caldaia a tubo d'acqua. Componenti comuni della caldaia a tubo d'acqua come il tamburo del vapore, i discendenti, gli ascendenti, i tamburi del fango, le pareti della fornace, i collettori, e i surriscaldatori, saranno discussi.
Flusso Attraverso una Caldaia a Tubo d'Acqua
Economizzatore
L'acqua di alimentazione della caldaia entra prima nella caldaia tramite l'economizzatore (inglese americano ‘economizer’), che è uno scambiatore di calore di tipo serpentino. L'acqua della caldaia scorre avanti e indietro attraverso i tubi dell'economizzatore fino a raggiungere la parte superiore dello scambiatore di calore, dove viene scaricata nel tamburo del vapore.
Buono a sapersi – ‘acqua di alimentazione’ è anche scritto ‘acqua-di-alimentazione’ o ‘acqua di alimentazione’, ma le diverse varianti significano tutte la stessa cosa.
Buono a sapersi – l'acqua che è stata trattata ma non è ancora entrata nella caldaia, è classificata come ‘acqua di alimentazione’. L'acqua che si trova all'interno della caldaia, è classificata come ‘acqua della caldaia’. Il vapore che si è condensato nuovamente in acqua, è classificato come ‘condensato’. Il condensato diventa acqua di alimentazione dopo essere stato trattato.
Economizzatore e Tamburo del Vapore della Caldaia a Tubo d'Acqua
Tamburo del Vapore, Discendenti e Tamburi del Fango
Il tamburo del vapore riceve l'acqua della caldaia dall'economizzatore. Il tamburo del vapore è lungo, di forma cilindrica, e fabbricato con piastre metalliche piatte. A causa dell'alta pressione del sistema del vapore (solitamente circa 190 bar/2.755 psi), la temperatura di ebollizione dell'acqua è corrispondentemente alta (la temperatura di ebollizione dell'acqua dipende dalla pressione). Il tamburo del vapore è responsabile della separazione dell'acqua e del vapore. Il vapore viene scaricato dal tamburo del vapore alle turbine a vapore, mentre l'acqua viene ricircolata nella caldaia fino a diventare vapore.
Modello 3D del Tamburo del Vapore della Caldaia a Tubo d'Acqua
L'acqua relativamente fredda dal tamburo del vapore -con una densità maggiore a causa della sua temperatura più bassa- scorre attraverso grandi tubi chiamati discendenti fino a raggiungere i tamburi del fango. I tamburi del fango sono collettori d'acqua alla base della caldaia. Se la caldaia è una caldaia a circolazione naturale, i discendenti collegano il tamburo del vapore nella parte superiore della caldaia ai tamburi del fango nella parte inferiore, senza l'uso di una pompa. Se la caldaia è una caldaia a circolazione forzata, una pompa centrifuga multistadio sarà installata tra il tamburo del vapore e il tamburo del fango. I discendenti prendono il loro nome dal fatto che l'acqua ‘scende’ dal tamburo del vapore.
Caldaie a Tubo d'Acqua a Circolazione Naturale e Forzata
Buono a sapersi – ‘collettori’ e ‘testate’ sono due parole spesso usate in modo intercambiabile. Entrambe le parole significano ‘un punto di distribuzione centrale che fornisce sistemi più piccoli’.
Ci sono tipicamente sei discendenti in una caldaia a tubo d'acqua, questo garantisce un flusso d'acqua adeguato ai tamburi del fango. I tamburi del fango sono installati alla base delle pareti della fornace e servono come punto di raccolta per sedimenti e altre impurità che circolano all'interno del sistema. I tamburi del fango devono essere aperti e puliti a intervalli programmati per rimuovere i depositi accumulati.
Buono a sapersi – il nome ‘tamburo del fango’ deriva dal materiale ‘sporco’ che si accumula all'interno dei tamburi.
Tamburi del Fango della Caldaia a Tubo d'Acqua
Pareti della Fornace e Ascendenti
Dai tamburi del fango, l'acqua scorre verso l'alto attraverso i tubi vicini alla fornace; questi tubi sono chiamati ‘ascendenti’ perché l'acqua ‘sale’ al tamburo del vapore. La fornace è circondata da ascendenti su tutti e quattro i lati (anteriore, posteriore e entrambi i lati), formando una scatola di forma rettangolare. A causa della forma rettangolare della fornace, e perché gli ascendenti sono pieni d'acqua, ciascun lato della caldaia è spesso indicato come ‘parete d'acqua’.
Costruzione della Parete della Fornace della Caldaia a Tubo d'Acqua
Gli ascendenti hanno un diametro molto più piccolo rispetto ai discendenti perché il loro scopo principale è assorbire calore, quindi richiedono una grande superficie di contatto con la fornace. I tubi ascendenti formano la parte evaporatore della caldaia perché l'evaporazione avviene all'interno dei tubi.
Evaporazione dell'Acqua all'interno di un Tubo di Caldaia a Tubo d'Acqua
Quando si verifica la combustione all'interno della fornace, il calore viene trasferito agli ascendenti tramite radiazione e convezione. Il trasferimento di calore radiante richiede una linea di vista tra la fonte di calore e il destinatario, quindi elementi come l'economizzatore non vengono riscaldati tramite calore radiante (perché non c'è linea di vista diretta tra il combustibile in combustione e l'economizzatore).
Conduzione, Convezione e Radiazione
Collettori e Formazione del Vapore
Man mano che l'acqua viaggia verso l'alto attraverso le pareti della fornace, assorbe calore e inizia a evaporare in vapore. In cima alla fornace, il vapore umido (vapore contenente molecole d'acqua sospese) viene scaricato nei collettori, quindi nel tamburo del vapore. Ci sono solitamente quattro collettori, uno per lato della parete della fornace. Non tutta l'acqua evapora in vapore, quindi anche l'acqua viene restituita al tamburo del vapore.
Il vapore umido e l'acqua entrano nel tamburo del vapore, dove deflettori, scrubber, e cicloni, separano le molecole d'acqua sospese dal vapore. Il vapore saturo secco viene scaricato dal tamburo del vapore, cioè il vapore non contiene molecole d'acqua sospese.
Componenti del Tamburo del Vapore della Caldaia a Tubo d'Acqua
Buono a sapersi – il vapore è un gas invisibile e inodore. Il vapore che la maggior parte delle persone visualizza pensando al vapore è in realtà ‘vapore umido’. Se il vapore contiene molecole d'acqua sospese, viene definito ‘vapore umido’; sono queste molecole d'acqua sospese che sono visibili. Se il vapore non contiene molecole d'acqua sospese, viene definito ‘vapore secco’. La secchezza del vapore è misurata dalla sua frazione di secchezza (nota anche come ‘qualità del vapore’), con un valore di 0 completamente liquido e 1 completamente secco.
Surriscaldatori
La quantità di energia che una turbina a vapore può estrarre dal vapore è determinata dalla temperatura e dalla pressione del vapore. Per aumentare ulteriormente la temperatura del vapore -aumentando così la quantità di potenza disponibile per la turbina a vapore-, viene inviato attraverso una serie di surriscaldatori. Il vapore che viene riscaldato al di sopra della sua temperatura di saturazione è definito ‘vapore surriscaldato’, questo è ciò che avviene nei surriscaldatori, ed è così che hanno ottenuto il loro nome.
I surriscaldatori sono scambiatori di calore fabbricati con tubazioni simili nel design agli ascendenti; sono classificati come primari o secondari a seconda della loro posizione all'interno della caldaia. I surriscaldatori aumentano la temperatura del vapore cioè, aggiungono calore sensibile. I surriscaldatori non aggiungono calore latente perché il vapore è già in fase gassosa cioè, non c'è cambiamento di fase mentre il vapore viene riscaldato.
Il surriscaldatore primario aggiunge calore al vapore mentre scorre attraverso un'area relativamente fresca della caldaia, questo previene il raffreddamento e la condensazione del vapore prima che raggiunga i surriscaldatori secondari. Il vapore saturo secco fluisce nel surriscaldatore primario e il vapore surriscaldato secco fluisce fuori!
Surriscaldatori Primari e Secondari della Caldaia a Tubo d'Acqua
Dopo il surriscaldatore primario, il vapore surriscaldato secco passa a due surriscaldatori secondari: il surriscaldatore a piastre e il surriscaldatore secondario finale. I surriscaldatori secondari sono situati in regioni più calde della caldaia, garantendo così che il vapore raggiunga la sua temperatura più alta prima di essere scaricato dalla caldaia alle turbine a vapore ad alta pressione.
A questo punto, non c'è ulteriore flusso attraverso la caldaia a meno che la caldaia non sia una caldaia di ri-riscaldamento.
Buono a sapersi – le turbine a vapore sono classificate in base alle pressioni a cui operano:
- Turbina a vapore ad alta pressione – la prima turbina che il vapore incontra dopo aver lasciato il surriscaldatore secondario finale; questa turbina è chiamata ‘Turbina HP’.
- Turbina a vapore a pressione intermedia – la turbina che il vapore incontra dopo aver lasciato il surriscaldatore di ri-riscaldamento secondario (se una caldaia di ri-riscaldamento), o, dopo aver lasciato la turbina HP. Questa turbina è chiamata ‘Turbina IP’.
- Turbina a vapore a bassa pressione – il vapore viene consegnato dalla turbina IP alla turbina a bassa pressione tramite un collegamento di attraversamento. Questa turbina è chiamata ‘Turbina LP’.
Caldaie di Ri-Riscaldamento
Dopo che il vapore surriscaldato ad alta pressione secco è passato attraverso la turbina a vapore ad alta pressione, viene scaricato e inviato nuovamente alla caldaia per il ri-riscaldamento. Il ri-riscaldamento del vapore avviene in scambiatori di calore chiamati ‘ri-riscaldatori’, che sono simili nel design ai surriscaldatori. Come i surriscaldatori, i ri-riscaldatori sono anche classificati come primari o secondari a seconda della loro posizione all'interno della caldaia. Dopo il ri-riscaldamento, il vapore viene scaricato alla turbina a vapore a pressione intermedia, e infine alla turbina a vapore a bassa pressione (che è collegata tramite un tubo di attraversamento).
Non tutte le caldaie a tubo d'acqua hanno un ciclo di ri-riscaldamento. Lo scopo principale del ri-riscaldamento del vapore è aumentare la sua temperatura e conseguentemente aumentare la potenza disponibile per la turbina a vapore; il ri-riscaldamento aumenta anche l'efficienza termica complessiva dell'impianto. Il ri-riscaldamento del vapore riduce la probabilità che siano presenti molecole d'acqua sospese nel vapore, riducendo così i rischi di erosione e corrosione delle pale della turbina.
Ri-Riscaldatore Primario
Un ri-riscaldatore primario è simile a un surriscaldatore primario (entrambi utilizzano un design di scambiatore di calore a serpentina), ma si trova in una parte adiacente della caldaia. Il vapore dalla turbina ad alta pressione viene scaricato nel ri-riscaldatore primario. Man mano che il vapore viaggia attraverso il ri-riscaldatore primario, viene ri-riscaldato, e quindi scaricato nel ri-riscaldatore secondario. Il percorso del vapore è piuttosto intricato, il che garantisce un trasferimento di calore ottimale.
Ri-Riscaldatori della Caldaia a Tubo d'Acqua
Ri-Riscaldatore Secondario
Dopo essere passato attraverso il surriscaldatore di ri-riscaldamento primario, il vapore entra nel surriscaldatore di ri-riscaldamento secondario, dove subisce un ulteriore riscaldamento prima di essere scaricato dalla caldaia alla turbina a pressione intermedia.
Sistema di Pulizia dei Gas di Scarico
Il sistema di pulizia dei gas di scarico tratta i gas di combustione generati durante il funzionamento della caldaia.
Buono a sapersi – ‘gas di combustione’, sono anche conosciuti come ‘gas di scarico’, o ‘gas di combustione’.
I gas di scarico viaggiano attraverso la caldaia, passando sopra scambiatori di calore (surriscaldatori ecc.) e altri componenti (riscaldatore d'aria ecc.) mentre lo fanno. Una volta che i gas di scarico hanno trasferito la maggior parte della loro energia termica alla caldaia, vengono scaricati nel sistema di pulizia dei gas di scarico.
Il sistema di pulizia dei gas di scarico include tipicamente desolforatori dei gas di scarico, e precipitatori elettrostatici o filtri a sacco. L'attrezzatura per la pulizia dei gas di scarico è progettata per rimuovere inquinanti e particolato dai gas di scarico prima che vengano scaricati in atmosfera.
Riepilogo – Come Funziona Tutto Insieme
- Il carbone entra nei siloi giornalieri dal cortile del carbone.
- Il carbone viene consegnato ai polverizzatori, dove viene macinato, asciugato e classificato.
- Il carbone polverizzato viene trasportato pneumaticamente ai bruciatori della caldaia.
- Il carbone viene spruzzato nella fornace, dove viene acceso e subisce combustione.
- L'aria secondaria viene soffiata nella fornace per garantire una combustione efficiente.
- L'acqua della caldaia relativamente fredda scende dal tamburo del vapore ai tamburi del fango tramite discendenti.
- L'acqua scorre dai tamburi del fango verso l'alto attraverso i tubi ascendenti vicini alla fornace. Man mano che l'acqua scorre verso l'alto, assorbe calore e parte dell'acqua evapora in vapore.
- Il vapore umido esce attraverso i collettori in cima alla fornace.
- Il vapore umido entra nel tamburo del vapore, dove le molecole d'acqua sospese vengono separate. Il vapore saturo secco viene scaricato dal tamburo del vapore.
- Il vapore secco passa attraverso surriscaldatori primari e secondari per raggiungere la sua temperatura finale (diventa surriscaldato durante questa fase).
- Il vapore surriscaldato secco viene scaricato dalla caldaia e può ora essere utilizzato dalle turbine a vapore per la generazione di energia.
- Se è installato un sistema di ri-riscaldamento, il vapore dalla turbina ad alta pressione viene restituito alla caldaia per il ri-riscaldamento. Se non è installato alcun sistema di ri-riscaldamento, il vapore viene scaricato dalla turbina ad alta pressione alle fasi successive cioè, turbine IP o LP.
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Water-tube_boiler
https://www.rasmech.com/blog/watertube-boiler-a-complete-overview/
https://testbook.com/mechanical-engineering/water-tube-boilers-definition-diagram-and-applications