Pressione

La pressione è il secondo elemento di pericolo dei generatori di vapore.

Perché in caldaia serve la pressione?

Perché 100 °C non bastano.

Il punto di ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica è troppo basso per la stragrande maggioranza dei processi industriali che utilizzano il vapore.

Come da tabella del vapore, maggiore è la pressione e più alto è il punto di ebollizione e quindi la temperatura alla quale è disponibile il calore latente agli utilizzatori.

 

Se il vapore è destinato all'azionamento di turbine, una maggiore pressione contribuisce all'aumento del rendimento del ciclo termodinamico Rankine (diciamo "della turbina").

Nota: il surriscaldamento del vapore non determina aumento di pressione.

 

Come si origina la pressione in caldaia?

L'acqua, a pressione atmosferica, vaporizzando, aumenta di volume di 1725 volte. Nella caldaia questo spazio non c'è, ed il vapore inizia a "spingere", originando la pressione.

 

Perché la pressione aumenta o diminuisce?

La pressione aumenta a causa della vaporizzazione dell'acqua, conseguenza della fornitura di energia termica, in altre parole del fuoco, del bruciatore; per questa ragione controlliamo il fuoco (start, stop, modulazione) per regolare la pressione.

La pressione diminuisce a causa del prelievo di vapore.

Il mantenimento della pressione nel range prestabilito è un gioco di equilibrio tra calore fornito e vapore prelevato.

 

Inoltre...

La differenza di pressione tra la caldaia (vaporizzazione) ed utilizzazione (rilascio o condensazione che sia) è il "motore" del trasporto del vapore, che infatti non abbisogna di pompe od altri mezzi per il suo trasporto.

 

La pressione e' un parametro fondamentale nell'esercizio e nella progettazione dei generatori di vapore.

In generale: più' pressione => bolle di vapore più' piccole => ebollizione meno "agitata" => meno trascinamenti => migliore qualità' del vapore.

La pressione deve essere limitata a valori tali da non originare forze e quindi sollecitazioni superiori a quelle previste dal progetto.

La pressione puo' determinare lo scoppio del generatore, per questo, al riguardo, vi sono dispositivi di:

     controllo    -> manometro

     protezione -> pressostati di regolazione e di blocco

     sicurezza   -> valvole di sicurezza

 

La pressione -> progettazione delle caldaie; limiti delle tubi da fumo.

Per contrastare gli effetti della pressione si ricorre in generale all'aumento degli spessori.

Il focolare delle caldaie a tubi da fumo è, però, un elemento critico, in quanto:

1) insistendo la pressione sull'esterno di esso, il rischio è lo schiacciamento,

inoltre,

2) i due lati della lamiera che lo costituiscono, sono soggetti a temperature diverse e conseguenti diverse dilatazioni, maggiori all'interno (lato fumi/fuoco) e minori all'esterno (lato acqua).

3) Maggiore è lo spessore della lamiera e maggiori sono le differenze di temperatura e quindi le tensioni cui è sottoposto l'acciaio, con il rischio che si originino delle cricche longitudinali radiali sul lato esterno del tubo focolare. lo spessore massimo ammesso ha perciò un limite, che è di 22 mm (in letteratura tecnica si trovano anche citazioni a 25 mm): ecco perché la pressione di bollo delle caldaie a tubi da fumo non è, generalmente superiore a 20 bar.

 

Un'alternativa all'aumento dello spessore è una soluzione di "forma", quale la corrugazione delle lamiere: focolare ondulato.

Per gli appassionati di aviazione vedi anche JU F13.

 

Le forze originate dalla pressione, anche ev. inferiore a quella di bollo, sono l'elemento che può portare allo scoppio della caldaia:

in caso di surriscaldamento delle membrature delle superfici di scambio

- basso livello

- incrostazioni

oppure in caso di riduzioni dello spessore o formazione di punti deboli di innesco di rottura

- corrosioni

- cricche.

 

Un errore da evitare: la caldaia come regolatore di pressione.

La caldaia non deve essere utilizzata come regolatore della pressione dell'intero impianto.

"Le frequenti accensioni sono il killer della caldaia" (Seminario Bosch-Industrial nov. 2017).

L'impostazione di un range di pressione ristretto determina frequenti accensioni e spegnimenti del bruciatore causando stress delle membrature con costi significativi ed evitabili:

- ad ogni accensione per l'aria inutilmente riscaldata ed espulsa in fase di lavaggio

- nel giro di qualche anno per l'inutile usura che ogni evitabile accensione determina agli organi del bruciatore

- alla lunga per lo stress al quale le variazioni di dilatazione imposte da ogni avviamento sottopongono la caldaia (focolare in primis).

La soluzione da preferire è, oltre ad un bruciatore modulante, l'impostazione di un generoso range di lavoro (differenza tra start e stop bruciatore), la cui pressione minima (start bruciatore) sia ancora ben superiore alla pressione necessaria alle utenze, con riduzione della pressione stessa in prossimità dell'utilizzo.

Una ottimale regolazione prevede di non superare le quattro accensioni/ora, mantenendo ad ogni start per 20 sec. la potenza bruciatore al minimo prima di salire.

 

I dispositivi sensibili alla pressione

Manometro Bourdon e manometro Schäffer

Sono i due tipi principali, il più usato è il Bourdon.

Manometri

Classe manometri

La classe dei manometri esprime l'errore % ammesso nell'indicazione. I mamnometri dei generatori di vapore sono solitamente di Classe 1. All'esame di Bolzano e' stato chiesto di determinare il valore dell'errore di indicazione a fondo scala.

Pressodeprimometri

Pressostati

Altri dispositivi sensibili alla pressione

DN e PN

Resistenza alla pressione. Esempio batiscafo.

Nei focolari per aumentare la resistenza alla pressione applicata dall'esterno, a causa delle dilatazioni termiche, non e' possibile aumentare lo spessore oltre i 22 mm. La zona (lo strato) interna dilaterebbe di piu' dello strato esterno ed il focolare si criccherebbe. Se non vi sono in gioco elevate differenze di temperatura, lo spessore si puo' aumentare senza problemi secondo necessita', come nel caso dei batiscafi. 

Cosa può fare la depressione! (O, se vogliamo, la pressione all'esterno di un serbatoio)

Effetto della depressione originata dalla condensazione del vapore

Pressione idrostatica

Fotografato a bordo del sottomarino esposto al Technik-Museum-Speyer (D)
U-Boot Manometer

Nella foto il manometro di un sottomarino tedesco. Si nota la classe del manometro (0,6) e l'indicazione della densita' del fluido che determina la colonna idrostatica:

gamma = 1,015 [kg/dm3]

il manometro e' infatti quello di un sottomarino che opera in mare, dove sappiamo l'acqua e' salata e piu' densa dell'acqua dolce.

Indicazione secondo il vecchio sistema delle unita' di misura.

 

Qui' sotto il dettaglio delle indicazioni riportate sul quadrante