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Università degli studi di Bologna
D.I.E.M.Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche,
Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia
05_Generatori di vapore
rev. Ottobre 2009
1
Programma
• Bilancio della camera di combustione. Determinazione della temperatura di combustione. Temperatura di parete nei tubi vaporizzatori e surriscaldatori.
• Rendimento del generatore di vapore per via diretta ed indiretta. Influenza dell’eccesso d’aria e del carico sul rendimento del generatore di vapore.
• Estrazione di calore dai fumi. Preriscaldo dell’acqua e dell’aria. Rugiada acida. Carico termico volumetrico. Limiti al carico termico.
• Evoluzione dell’architettura dei generatori di vapore Caldaia ad irraggiamento, architettura e diagramma di scambio.
2
1Bilancio della camera di combustione
Determinazione della temperatura di
combustione
Temperatura di parete nei tubi
vaporizzatori e surriscaldatori.
3
1.1
BILANCIO
CAMERA DI
COMBUSTIONE
4
1.1 Bilancio camera di combustione
5
BILANCIO CAMERA DI COMBUSTIONE
metodo semplificato di Mullikin
Entalpia reagenti
( )
cfff
pc
b
irr
b
iirr
aaabbr
firrri
tcmH
TTm
S
m
tcmtcH
HqHK
=
−==
+⋅=
+=+
44
0
1
&&
&
σ
ε
Tutte le quantità sono riferite ad un kg di combustibile (J/kgcomb)
Entalpia fumi
Energia irraggiata
σ0 = 5.67 10-8 W/(m2 K4) costante di Boltzmann
6
1.2 Temperatura di combustione
7
1.2
Scambio termico parete piana
8
Potenza scambiata
convezione fluido caldo-parete (1 = c)
( )S
QTTTTSQ
c
pcpcc αα
&& =−⇒−= 11
( )S
sQTTsTTSQpppp λ
λ′
=−⇒′−=&
&2121
/
( )S
QTTTTSQ
f
fpfpf αα
&& =−⇒−=
22
conduzione attraverso la parete piana di spessore s’
convezione parete-fluido freddo (2 = f)
9
Coefficiente globale
di scambio termicosommando membro a membro i termini precedenti
e raccogliendo a fattore comune si ottiene:
SK
QTT
s
S
QTT
fc
fc
fc
&&
=−⇒
+′
+=−αλα11
( )fc TTSKQ −=&
fc
s
K αλα111
+′
+=avendo introdotto il
COEFFICIENTE GLOBALE
DI SCAMBIO TERMICO K
dato dalla:
Dalla quale si ricava la potenza scambiata:
10
Temperatura di parete
convezione fluido caldo-parete; convezione parete-fluido freddo
( ) ( )⇒−=−= fpfpcc TTSTTSQ αα&
( ) ppppp TTTsTTSQ ==⇒′−∞=⇒∞= 2121 /&λ
( ) ( )
cf
ffcc
p
ffpfpccc
fpfpcc
TTT
TTTT
TTTT
αα
αα
αααα
αα
+
+=
−=−
−=−
Trascurando la resistenza termica attraverso la parete piana di spessore s’
temperatura di parete
11
2
Rendimento del generatore di
vapore per via diretta ed indiretta
Influenza dell’eccesso d’aria e del
carico sul rendimento del
generatore di vapore
12
Bilancio del GENERATORE
13
2.1
Metodo diretto
14
RENDIMENTO DEL GENERATORE DI VAPORE
definizione - metodo diretto
i
oavap
ib
oavap
spesa
utileg
K
hhm
Km
hhm
P
P )()( −=
−==
&
&η
mvap è riferita ad un kg di combustibile (kgvap/kgcomb)
15
2.2
Metodo indiretto
16
RENDIMENTO DEL GENERATORE DI VAPORE
metodo indiretto – bilancio energetico
ufff
b
dd
apffapaabbr
fdavapovapri
tcmH
m
tcmtcmtcH
HqhmhmHK
=
=
≅+⋅=
++=++
&
&
1
ε
Tutte le quantità sono riferite ad un kg di combustibile (J/kgcomb)
Entalpia fumi
Entalpia reagenti
Energia dispersa
17
RENDIMENTO DEL GENERATORE DI VAPORE
metodo indiretto - 2
i
d
i
auff
g
auffdiig
auffdigi
auffdoavapi
K
q
K
ttcm
ttcmqKK
ttcmqKK
ttcmqhhmK
−−
−=
−−−=
−++=
−++−=
)(
)(
)(
)()(
εη
εη
ηε
ε
Tutte le quantità sono riferite ad un kg di combustibile (J/kgcomb)
Perdita per
“calore sensibile”
Energia dispersa
dalle pareti
Rendimento
combustione
18
Influenza
dell’eccesso d’aria (1)
19
Influenza
dell’eccesso d’aria (2)
20
e* e
Influenza del carico (1)
21
Influenza del carico (2)
22
3
Estrazione di calore dai fumi.
Preriscaldo dell’acqua e dell’aria
Rugiada acida
Carico termico volumetrico
Limiti al carico termico
23
Estrazione di calore dai fumi.
24
surriscaldatore
3.2 Rugiada acida
25
p = 0.05 bar
32.9
3.3
CARICO TERMICO
VOLUMETRICO
26
CARICO TERMICO VOLUMETRICO
τct Tempo di combustione totale
V
KmC ictv
&=
Condizione necessaria per avere la completa combustione:
τr Tempo di riscaldamento
τc Tempo di combustione
τp Tempo di permanenza
crctp ττττ +=≥
S
27
LIMITI AL CARICO TERMICO VOLUMETRICO
cc
ccfc
fcf
p
p
p
T
TVm
V
Vm
V
V
V
0
0
0&
&&===τ
ct
cc
ccf
itv
ctcc
ccf
i
ic
p
p
p
T
T
V
KC
p
p
T
T
V
K
Km
V
τ
ττ
1
0
0
0
0
0
0
≤
≥=&
28
CARICO TERMICO SUPERFICIALE
ϕϕ
ϕϕ
LC
L
LC
S
m
segue
LVLS
essendo
SK
VC
S
m
S
S
V
Km
V
KmC
tvtv
irr
c
i
tv
irr
c
irr
icictv
=∝
∝∝
=⇒==
2
3
32
:
;
:
&
&&&
S
Sirr=ϕ
Carico termico superficiale
Grado di raffreddamento (o di schermatura)
irr
cts
S
mC
&=
Limiti al
Carico termico
superficiale
29
4
Evoluzione dell’architettura dei
generatori di vapore
Caldaia ad irraggiamento
architettura e diagramma di scambio
Caldaie per la combustione dei rifiuti
30
4.1.1 Generatori a grossi corpi
31
Accessori (fondamentali) non rappresentati:
Passo
d’uomoIndicatore
di livello
Valvola di
sicurezza
4.1.2 Generatori a tubi di fumo
32
dzl
Sd
l
S tf
fc ππ == ;
Incremento di superficie di scambio
i=2d
22
1 45.360sin diS ≅°=
2
2
2
2
545.3
1
4 d
d
d
dkz
ff
p ≅=π
4505
1000
5=
⋅≅≅==
d
d
d
dz
d
dz
S
S f
ffc
tf
ππ
n. tubi di fumo:l
4.1.3 Generatori da locomotiva
33
4.1.4 Caldaia marina
34
4.1.5 Generatori a tubi d’acqua
35
4.2.1
Generatori ad
irraggiamento
36
4.2.1 Generatori ad irraggiamento
diagramma di scambio
37
4.3.1 Generatori con combustione
su griglie mobili
38
4.3.2 Forno a tamburo rotante
39
4.3.3
Combustore
a letto fluido
convenzionale
e
ricircolato
40
4.3.4 Forno ad aria controllata
41
4.3.5 Forno con
camera di post-combustione
42
Caldaia industriale
43
Coibentazione e
Separatore di vapore
44