Cos'è un tamburo del vapore della caldaia?
Le caldaie a tubi d'acqua utilizzano tamburi del vapore per garantire che il vapore fornito ai consumatori sia 'pulito' (privo di impurità e umidità). I tamburi del vapore delle caldaie a tubi d'acqua sono posizionati nella parte superiore della caldaia, sopra tutte le altre componenti. Il tamburo del vapore è caratterizzato dalla sua forma cilindrica allungata ed è solitamente realizzato in acciaio spesso per resistere alle alte pressioni e temperature operative. Un tamburo del vapore può avere un diametro fino a due metri e una lunghezza fino a 30 metri.
Buono a sapersi - ci sono diversi modi di scrivere 'tubi d'acqua', 'tubi-d'acqua' o 'tubi d'acqua', ma il significato è lo stesso. Lo stesso vale per 'tubi di fuoco', 'tubi-di-fuoco' e 'tubi di fuoco' ad esempio caldaia a tubi di fuoco. I tubi d'acqua contengono acqua, mentre i tubi di fuoco contengono gas di scarico (da qui il nome 'caldaie a tubi di fumo').
Buono a sapersi - le caldaie a tubi di fuoco sono caldaie a bassa pressione. Le caldaie a tubi d'acqua sono utilizzate nelle centrali elettriche perché possono fornire una grande quantità di vapore, ad alta temperatura e alta pressione. Le caldaie a tubi di fuoco sono limitate nelle dimensioni a causa del loro design del guscio della caldaia (vedi il nostro articolo sulla caldaia a tubi di fuoco per ulteriori dettagli).
Posizione del Tamburo del Vapore della Caldaia a Tubi d'Acqua
Quali sono le principali funzioni di un tamburo del vapore?
Un tamburo del vapore ha tre funzioni principali:
- Il suo scopo principale è fornire vapore pulito e asciutto ai consumatori a valle, come i surriscaldatori e le turbine a vapore. Il tamburo del vapore garantisce che nessuna umidità (gocce d'acqua) o vapore umido raggiunga questi componenti a valle, garantendo così che non vengano danneggiati da problemi come trascinamento, colpo d'ariete e corrosione eccessiva.
- I tamburi del vapore fungono anche da serbatoio, contenendo una piccola quantità di acqua satura per affrontare le fluttuazioni nella domanda di vapore all'interno del sistema della caldaia.
- Il trattamento dell'acqua avviene all'interno del tamburo del vapore. Ad esempio, la miscelazione di prodotti chimici per il trattamento interno della caldaia avviene all'interno del tamburo del vapore, così come il blowdown (un processo utilizzato per controllare le proprietà dell'acqua come i solidi sospesi totali (TSS) e i solidi disciolti totali (TDS)).
Schema della Caldaia a Tubi d'Acqua
Quali sono le principali parti di un tamburo del vapore della caldaia a tubi d'acqua?
Di seguito è fornita una descrizione dettagliata delle principali parti di un tamburo del vapore. È importante notare le seguenti definizioni:
- Acqua di alimentazione - acqua che è stata trattata, ma non è ancora entrata nella caldaia.
- Acqua della caldaia - acqua che si trova all'interno della caldaia (incluso il tamburo del vapore).
- Condensato - vapore che si è condensato nuovamente in acqua. Il condensato diventa nuovamente acqua di alimentazione dopo essere stato trattato.
Per conoscere i percorsi di flusso dell'acqua e del vapore attorno a una caldaia a tubi d'acqua, consulta il nostro articolo sulla caldaia a tubi d'acqua. Puoi anche saperne di più sui diversi tipi di caldaie e su tutte le loro parti (collettore di vapore, parete del forno, ecc.) nel nostro Corso Video sui Fondamenti dell'Ingegneria Energetica.
Parti del Tamburo del Vapore della Caldaia
- Ingresso dell'Acqua di Alimentazione: Il tubo dell'acqua di alimentazione, che si estende per l'intera lunghezza del tamburo del vapore, distribuisce uniformemente l'acqua di alimentazione all'interno del tamburo. L'acqua di alimentazione viene introdotta nel tamburo attraverso fori equidistanti all'interno del tubo, garantendo una distribuzione uniforme lungo la lunghezza del tamburo.
Buono a sapersi - 'acqua di alimentazione' è anche scritto 'acqua-di-alimentazione' o 'acqua di alimentazione', ma il significato è lo stesso.
- Discendenti e Risalitori: I discendenti distribuiscono l'acqua della caldaia dal tamburo del vapore ai tamburi del fango alla base delle pareti del forno. Quando l'acqua viene riscaldata, sale all'interno delle pareti del forno a causa del suo cambiamento di densità (i fluidi più caldi sono meno densi), trasformandosi in una miscela di acqua-vapore mentre lo fa. La miscela di acqua-vapore ritorna quindi al tamburo del vapore tramite i collettori di vapore.
Buono a sapersi - i discendenti hanno un diametro maggiore rispetto ai risalitori e sono meno numerosi. Un tubo risalitore ha un diametro minore perché questo aumenta il suo tasso di trasferimento di calore, mentre questo non è un requisito per un tubo discendente. Sia i risalitori che i discendenti sono solitamente realizzati in tubi di acciaio al carbonio senza saldature.
Buono a sapersi - i risalitori sono talvolta chiamati 'tubi risalitori', o 'tubi risalitori'. Allo stesso modo, i discendenti sono talvolta chiamati 'tubi discendenti' o 'tubi discendenti'.
- Uscita del Vapore Saturo: Una volta che il vapore è adeguatamente pulito e asciugato, viene scaricato attraverso i tubi di scarico del vapore situati nella parte superiore del tamburo del vapore. Il vapore scaricato viene riscaldato dai surriscaldatori per aumentare la sua temperatura prima di essere diretto al suo consumatore finale, come una turbina a vapore. È importante notare che il vapore saturo viene scaricato dal tamburo del vapore, ma viene convertito in vapore surriscaldato una volta che è passato attraverso i surriscaldatori; questo riduce la probabilità che si formino gocce d'acqua nel vapore. L'output di vapore da una caldaia a tubi d'acqua può essere considerevole, a volte oltre 350 kg/s (771 lb/s), con il sistema della caldaia che può operare a oltre 190 bar (2.755 psi), e oltre 500°C (932°F),
Buono a sapersi - i surriscaldatori aggiungono calore sensibile al vapore. Il calore sensibile aumenta la temperatura del vapore, ma non cambia il suo stato/fase, cioè nessun cambiamento di stato da acqua a vapore o viceversa. Calore latente è l'energia aggiunta o rimossa durante un cambiamento di stato, cioè durante il processo di condensazione o evaporazione, ma questo cambiamento di energia non causa nessun cambiamento di temperatura.
Interni del Tamburo del Vapore
- Linea di Dosaggio Chimico: La linea di dosaggio chimico introduce prodotti chimici nella caldaia. Questi prodotti chimici, distribuiti uniformemente lungo la lunghezza del tamburo del vapore, riduce la probabilità di corrosione, formazione di incrostazioni e altri potenziali problemi all'interno del sistema della caldaia. L'ambiente turbolento all'interno del tamburo del vapore aiuta con la miscelazione di questi prodotti chimici.
- Linea di Blowdown Continuo (CBL): Per regolare la concentrazione di prodotti chimici all'interno della caldaia, la linea di blowdown continuo rimuove costantemente una porzione dell'acqua della caldaia. Questo processo è vitale poiché l'evaporazione dell'acqua può portare a un accumulo di prodotti chimici non evaporativi, aumentando così il numero di solidi disciolti totali (TDS).
- Monitoraggio del Livello dell'Acqua: La linea blu indicata all'interno del tamburo del vapore rappresenta il livello normale di funzionamento dell'acqua (NOWL o NWL), talvolta chiamato anche 'livello normale dell'acqua'. I fori di strumentazione nel tamburo del vapore ospitano indicatori di livello dell'acqua come sensori di livello e vetri di livello, nonché sensori di pressione e sensori di temperatura. Questi strumenti aiutano a garantire che il livello dell'acqua nel tamburo rimanga entro limiti definiti. Vedi il nostro articolo sul controllo del livello del tamburo per ulteriori informazioni su come viene mantenuto il livello dell'acqua all'interno di una caldaia a tubi d'acqua.
Separatori di vapore - l'acqua e il vapore vengono separati all'interno del tamburo del vapore utilizzando i seguenti metodi:
- Separazione Centrifuga: La miscela acqua-vapore, entrando nel tamburo, passa attraverso un separatore centrifugo. Questo dispositivo utilizza il principio della forza centrifuga per separare parte dell'acqua dal vapore.
- Separazione per Gravità e Densità: Le molecole d'acqua più dense si depositano naturalmente alla base del tamburo del vapore a causa delle forze gravitazionali.
Buono a sapersi - una differenza di densità all'interno di un fluido viene sempre creata ogni volta che c'è una differenza di temperatura, questo è il principio della convezione naturale.
- Percorso di Flusso Tortuoso: Il vapore semi-pulito passa quindi attraverso uno scrubber situato nella parte superiore del tamburo del vapore; questo fornisce un percorso di flusso tortuoso. Questo percorso fa sì che le molecole d'acqua collidano con le superfici dello scrubber, dove si coalescono in gocce più grandi e ricadono nel tamburo. Lo scrubber, solitamente realizzato con schermi a rete metallica pressati insieme, è talvolta chiamato asciugatore a chevron o demister, e garantisce che oltre il 99,5% dell'acqua venga separato dal vapore.
Gonfiore e Contrazione nei Tamburi del Vapore
Le improvvise fluttuazioni di pressione giocano un ruolo nel comportamento dell'acqua e del vapore all'interno di un tamburo del vapore. Ci sono due principali problemi che le fluttuazioni di pressione causano: gonfiore e contrazione.
- Gonfiore - c'è una improvvisa alta domanda di vapore, causando una diminuzione della pressione all'interno del tamburo del vapore, e questo fa sì che il livello dell'acqua aumenti. L'aumento del livello dell'acqua si verifica perché le bolle di vapore sospese nell'acqua si espandono (aumentano di volume) man mano che la pressione del tamburo diminuisce, il che fa sì che il livello dell'acqua aumenti. In una caldaia a controllo semplice a un solo elemento, la valvola automatica di ingresso dell'acqua di alimentazione si chiude in risposta all'aumento del livello dell'acqua, il che significa effettivamente che l'acqua alimentata nella caldaia è diminuita anche se il consumo di vapore è aumentato (una situazione pericolosa se non corretta).
- Contrazione - al contrario, quando c'è una improvvisa riduzione della domanda di vapore, la pressione del tamburo del vapore aumenta, facendo sì che le bolle di vapore sospese diminuiscano di volume e il livello dell'acqua diminuisca. La valvola automatica di ingresso dell'acqua di alimentazione si apre in risposta alla diminuzione del livello dell'acqua, causando una riduzione ancora maggiore del livello dell'acqua. Questo accade perché l'acqua relativamente fredda che entra nel tamburo del vapore raffredda l'acqua e le bolle di vapore, facendo collassare le bolle di vapore.
Fluttuazioni di pressione, e l'espansione o la contrazione che ne consegue, possono influenzare notevolmente il livello dell'acqua di un tamburo del vapore. Se non gestite correttamente, questi cambiamenti possono portare al trascinamento dell'acqua verso i surriscaldatori e le turbine a vapore, rischiando danni e inefficienze. Se il livello dell'acqua diminuisce a causa della contrazione termica, le superfici di trasferimento del calore della caldaia (tubi della caldaia ecc.) potrebbero non ricevere abbastanza acqua e potrebbero surriscaldarsi, mettendo a rischio l'integrità della caldaia.
Controllo a Tre Elementi del Tamburo del Vapore
Ci sono molti fattori che possono influenzare il livello dell'acqua all'interno di un tamburo del vapore. Il livello dell'acqua deve essere mantenuto entro limiti definiti in ogni momento per garantire il funzionamento sicuro della caldaia, il funzionamento efficiente e la protezione dei componenti a valle. Per garantire letture accurate del livello del tamburo, il sistema della caldaia utilizza un metodo noto come controllo a tre elementi. Il controllo a tre elementi misura:
- Flusso di vapore in uscita.
- Flusso di ingresso dell'acqua di alimentazione.
- Pressione del tamburo del vapore.
- Livello effettivo dell'acqua all'interno del tamburo del vapore.
Controllo a Tre Elementi
Questi fattori aiutano a determinare il bilancio di massa della caldaia (ciò che è stato immesso nella caldaia rispetto a ciò che è uscito). Considerando tutti questi fattori, il sistema può determinare accuratamente il livello dell'acqua, tenendo conto delle potenziali discrepanze causate dai cambiamenti di pressione. Puoi saperne di più sul controllo a un solo elemento, sul controllo a due elementi e sul controllo a tre elementi nel nostro Corso Video sui Fondamenti dell'Ingegneria Energetica.
Qual è la differenza tra un tamburo del vapore e un tamburo del fango?
I tamburi del vapore sono posizionati nella parte superiore della caldaia, mentre i tamburi del fango (o tamburo del fango) sono posizionati nel punto più basso della caldaia. Il nome 'tamburo del fango' deriva dal materiale sporco ('fango') che si accumula all'interno dei tamburi.
Corsi di Ingegneria Online Correlati
Spiegazione dei Tamburi del Vapore della Caldaia
Caldaie Sub-Critiche, Supercritiche e Ultra-Supercritiche
Risorse Aggiuntive
https://boilersinfo.com/boiler-steam-drum-internals-function/
https://www.rasmech.com/blog/steam-drum-101-boiler-basics/
https://www.processindustryinformer.com/optimising-boiler-and-steam-drum-level-control/
https://www.vega.com/en/company/blog/2020/steam-boiler-drum-level-measurement-technology-comparison