CALDAIA

CALDAIA (VIII, p. 365)

Il disegno e la costruzione delle caldaie sono in una fase di evoluzione e progresso che dura da alcuni anni ed è tuttora in corso di sviluppo. Non è da prevedere la sparizione delle forme oggi prevalentemente usate, ma piuttosto, come di solito, la ripartizione dei campi di applicazione fra di esse e le nuove; l'attenzione dei tecnici si volge tuttavia di preferenza alle esperienze che si vanno tentando, anche se di esse qualcuna soltanto darà luogo a tipi destinati a sopravvivere e a diffondersi. Per quel che riguarda le pressioni, già da parecchi anni si sono fatte alcune applicazioni alla pressione critica, ma vediamo piuttosto estendersi le applicazioni di pressioni sensibilmente inferiori, ancorché altissime (intorno ai 100 kg./cmq.); la temperatura finale del fluido può ancora crescere, a mano a mano che si dispone di metalli atti a sopportarla e attualmente ci si avvicina ai 500°. La produzione delle singole unità è arrivata a cifre decuple di quelle che poco tempo fa sembravano ancora irraggiungibili. Sono in servizio e in costruzione unità capaci di produrre 450 tonnellate di vapore all'ora (il che vuol dire bruciare, poniamo, 46 tonnellate di carbone in un'ora e fornire il calore al fluido attraverso un mezzo ettaro e più di superficie, fra economizzatore, evaporatore e surriscaldatore, che diventa un ettaro intero quando vi sono preriscaldatori d'aria). Altre e non meno interessanti correnti di ricerche e di tentativi sono intese a migliorare i rendimenti, a perfezionare i metodi di combustione, specializzandoli per ogni varietà di combustibile, a diminuire l'ingombro e il peso delle caldaie, sia per le necessità di particolari applicazioni, sia per diminuire i costi di costruzione; a rimuovere difficoltà di esercizio e cause di inconvenienti e di guasti.

Per affrontare questi problemi, da taluno si è ricorso a concezioni del tutto nuove degli apparecchi evaporatori, e già si è trattato dei sistemi Benson, Atmos, Löffler, Schmidt; di sistemi più recenti si dirà fra breve. Da altri invece si sono adottate le forme costruttive attualmente in uso, ricorrendo però a modificazioni notevoli, come, p. es., la disposizione di tubi a formare schermi e pareti alle camere di combustione (che sono diventate immense non solo per le aumentate dimensioni delle caldaie ma anche per l'importanza ora ben riconosciuta del volume delle camere stesse); nonché a cambiamenti importanti nelle condizioni di funzionamento, come, per esempio, nei modi e nell'intensità della trasmissione del calore; in alcuni casi nella circolazione interna, ecc. (La riconosciuta importanza del volume delle camere di combustione ha fatto sì che ai parametri tradizionali relativi alle caldaie se ne è aggiunto un altro: la quantità di calore sviluppata per unità di volume della camera di combustione, detta capacità calorifica o carico termico della camera di combustione. Come tutti i parametri relativi alle caldaie essa ha valori estremamente variabili e dipende dalla struttura delle pareti, dalla natura del combustibile e delle ceneri che esso contiene, dal metodo di combustione, dal disegno generale della caldaia e dai criterî personali del costruttore. Nelle caldaie dei tipi ordinarî si arriva a valori dell'ordine di 500.000 calorie per mc. e per ora, ma i valori usuali sono più bassi. Con caldaie speciali invece si arriva a valori molto più elevati).

Il progresso del disegno e della costruzione ha promosso anche importanti correnti di ricerca teorica, fra l'altro sui problemi della trasmissione del calore, della circolazione nella caldaia e, in altro campo, su quelli della resistenza di struttura negl'involucri e nei tubi soggetti a pressioni e temperature molto alte.

Per quel che riguarda le norme usuali di proporzionamento ricordiamo che di recente (1935) è uscita la nuova edizione del Boiler Code americano, redatto da quella Società degli ingegneri meccanici; mentre è imminente la pubblicazione delle nuove norme delle associazioni francesi dei proprietarî di caldaie a vapore.

Una delle caldaie recentissime che ha destato maggiore interesse è la monotubolare Sulzer, che ha avuto applicazioni industriali dal 1934. La fig. 1 indica una delle possibili disposizioni del tubo che viene successivamente percorso dall'acqua, dalla miscela di acqua e vapore e finalmente dal vapore surriscaldato; la fig. 2 rappresenta una caldaia di questo tipo effettivamente costruita per la produzione oraria di 7500 kg. di vapore a 100 atmosfere.

Si tratta, come si vede, di una caldaia a serpentino, a tubo unico ad attraversamento forzato, senza serbatoi di acqua e di vapore. La concezione generica della caldaia a serpentino è antica. Tali erano, anche a tacere di tentativi prematuri di oltre un secolo fa, le vecchie caldaie Serpollet, le Laval; in forma diversa le caldaie Belleville; tale è la Benson; ma il modo di costruzione e le condizioni di funzionamento della Sulzer fanno di questa una cosa diversa. Essa è stata disegnata per ottenere una buona economia di costruzione per l'assenza di corpi cilindrici, e una circolazione forzata che permetta di disporre come meglio conviene la superficie di trasmissione, assicuri in modo assoluto contro la formazione di zone di ristagno del vapore, e garantisca una velocità sufficiente nella zona del surriscaldamento.

La caldaia rappresentata nella fig. 2 è costituita da un tubo di diametro variabile da 30 a 50 mm. e lungo 1300 metri. Il tubo è composto di tronchi uniti uno all'altro mediante saldatura sopra un manicotto interno come è indicato nella fig. 3. L'acqua si riscalda percorrendo il tubo con una velocità di 1,50 a 3 metri per secondo; nella zona di evaporazione la velocità sale da 3 a 18 m./sec.; in quella di surriscaldamento da 18 a 25. Verso la fine di questa zona si fa un'importante iniezione supplementare di acqua; variando la quantità di acqua aggiunta si ottiene la regolazione della temperatura finale del vapore. La velocità del vapore nella zona di surriscaldamento esposta a calore raggiante deve necessariamente essere forte e può superare notevolmente quella indicata, allo scopo di elevare il coefficiente di trasmissione dal metallo al vapore e limitare l'eccesso di temperatura della parete sul fluido.

Le Sulzer sono caldaie destinate a funzionare ad alta pressione e quindi è possibile disporre di una grande caduta di pressione dall'ingresso all'uscita del fluido per ottenere le alte velocità desiderate e vincere le resistenze al moto. Per es., in una caldaia già in servizio l'acqua entra a 128 kg. per cmq. per fornire del vapore a 98; con una caduta dì 30 kg. per cmq. divisa in 13,5 - 10,5 - 6 nelle tre zone successive. Il sistema permette di realizzare completamente la circolazione inversa ed è il più elastico possibile. Si preconizzano alte velocità per i prodotti della combustione, e per grandi unità l'impiego di più serpentini in parallelo. Particolari eleganti, ma molto complessi e non descrivibili in breve sono quelli relativi alla regolazione (v., per es., una memoria dello Stodola, in Revue Sulzer, 1934, I, riprodotta anche in altri periodici).

Un impianto di particolare interesse è quello del politecnico di Zurigo, con una unità da 18 tonnellate all'ora a 100 kg. per cmq. per produzione di energia e per riscaldamento distrettuale; sono però in servizio e in costruzione impiantí assai più considerevoli, per es., da 70 tonnellate orarie, con pressioni di solito intorno a 100 atmosfere e temperature finali intorno a 400° (ma eventualmente anche 120 atmosfere e 500°), e per la combustione, secondo i casi, di carbone, di polverino, oppure d'olio.

La caldaia Sulzer si presta ovviamente ad alimentare motrici primarie installate per aumentare la potenza d'impianti esistenti e funzionanti a pressione normale. Se ne hanno esempî non solo per impianti fissi ma anche per apparati motori marini.

Ancora nel campo delle caldaie a serpentino, ma per tutt'altre applicazioni, indichiamo la caldaia di cui la fig. 4 fornisce un'idea generale abbastanza adeguata. È impiegata dalla ditta Henschel e figli per vetture a vapore.

In molte altre caldaie, pure provvedendo alla circolazione forzata, non si mira ad ottenere il semplice attraversamento, ma si introduce e si fa circolare un peso di acqua (che diventa poi miscuglio di acqua e di vapore) parecchie volte multiplo della produzione di vapore, di modo che occorre una capacità, nella quale il vapore si separa per dirigersi al surriscaldatore, mentre l'acqua residua, unita alla nuova, provvista dalla pompa di alimentazione, si avvia di nuovo al circuito già percorso. Si vengono cosi a separare le funzioni della pompa di alimentazione e di quella destinata ad accelerare la circolazione. Quest'ultima, che deve generare soltanto un limitato eccesso di pressione, per vincere le resistenze passive, assorbe una potenza molto limitata, anche se la velocità da imprimere al miscuglio è piuttosto elevata; per es., 25 metri per secondo. In queste caldaie vengono di solito adottati tubi di piccolo diametro; e cosi l'impiego di questi si è esteso dalle caldaie del naviglio militare leggiero, nel quale è già antico, a quelle degl'impianti fissi con tutti i vantaggi e anche con gl'inconvenienti che ben si conoscono.

Appartiene a questo gruppo la caldaia La Mont nelle sue varie forme. La fig. 5 rappresenta uno schema del principio: c è la pompa di alimentazione, d la pompa di circolazione (i tubi di comunicazione fra le due pompe hanno una funzione secondaria per evitare dispersioni di acqua calda); è evidente il circuito dell'acqua prelevata dal collettore, trasformata in miscela di acqua e vapore e rimandata al collettore. Importa assicurare l'uniforme distribuzione dell'acqua nei singoli tubi e perciò all'origine di ciascuno di questi è collocato un ugello di ripartizione che, creando una resistenza addizionale, diminuisce l'importanza relativa della differenza nelle resistenze al moto attraverso i tubi stessi. Nella fig. 6 sono indicati diversi tipi di questi ugelli e l'inserzione dei tubi evaporatori nelle cassette di distribuzione e nella fig. 7, in via di esempio, l'insieme dei tubi di una caldaia. È ovvio che si ha la più grande libertà nel disporre come meglio conviene i fasci dei tubi o dei serpentini; questo ha permesso di risolvere problemi svariati, e cioè non soltanto di fare caldaie nuove per qualunque genere di combustibile e di utilizzare i gas di scarico di motori a combustione interna, ma anche di modificare caldaie esistenti, aumentando la superficie di riscaldamento e la quantità di vapore prodotto, perché in molti tipi di caldaie di ogni specie riesce possibile sistemare delle serpentine nei forni o in altri punti del percorso dei prodotti della combustione.

La caldaia Velox della ditta Brown Boveri è il tipo più originale di generatore di vapore che sia apparso in tempi recenti. Ispirato a concezioni nuove ha permesso di conciliare altissime produzioni di vapore per unità di superficie e rendimenti eccellenti. Ma bisogna rinunciare a quella rusticità a cui in passato si attribuiva tanta importanza; si è detto che è una macchina da produrre vapore e l'espressione risponde bene alla natura dell'apparecchio, che ha certo grandissimi pregi, anche se adatto, forse, a usi piuttosto speciali.

L'aria destinata ad alimentare la combustione negl'impianti usuali a tiraggio forzato è mandata sotto pressioni dell'ordine di 0,01 atmosfere; nella Velox un apposito compressore manda l'aria a pressioni intorno a 2,5 atmosfere. Ne segue che i prodotti della combustione nel loro percorso hanno velocità intorno a 200 metri per secondo invece di 10 o 15, e quindi cambia completamente l'ordine di grandezza di tutti i parametri caratteristici della caldaia. Il coefficiente di trasmissione del calore dai gas alla parete e per conseguenza quello dai gas all'acqua e al vapore diventa altissimo. Naturalmente l'accelerazione del moto nei prodotti della combustione ha sul coefficiente di trasmissione un'influenza assai più notevole che non quella del movimento dell'acqua nell'interno dei tubi; è quindi possibile realizzare flussi di calore molto grandi, in media 250.000 a 300.000 calorie per mq. e per ora e produzioni di vapore corrispondenti per mq. di superficie di riscaldamento; si tratta di produzioni dell'ordine di 500 kg. per mq. della sola superficie di riscaldamento, e di 100 kg. per mq. di tutte le superficie attive, comprendendo in queste economizzatori e surriscaldatori; la quantità di calore liberata per mc. del volume della camera di combustione può impunemente salire a valori (per es. 7.500.000 calorie per mc.) parecchie volte maggiori dei massimi tollerabili nelle caldaie ordinarie.

Peso e ingombro delle caldaie diminuiscono in corrispondenza. Avviamento e cessazione della produzione di vapore diventano rapidissimi, ciò che non ha soltanto un'importanza molto grande per il servizio della caldaia, ma conduce a una riduzione considerevole della spesa effettiva di esercizio.

La fig. 8 indica uno schema di caldaia Velox e nella descrizione che segue si richiamano i numeri segnati su di essa. Nella camera di combustione 2 sono mandati il combustibile (in questo caso liquido) da una pompa 10 attraverso il bruciatore 1, e l'aria che alimenta la combustione dal compressore 7. Qui il bruciatore è sistemato nel fondo della camera di combustione: in altri impianti è stato invece sistemato nel cielo. La parete interna della camera di combustione è tappezzata da una corona di tubi bollitori che formano schermo liquido. L'acqua della caldaia vi passa a circolazione forzata; anch'essa a velocità molto elevata (dell'ordine di 6 m./sec.). Ogni bollitore (v. la sezione AA fig. 8, e il particolare della fig. 9) contiene un fascetto di tre o più tubi attraverso i quali si fa un secondo percorso dei prodotti della combustione. I tubi non sono cilindrici ma hanno un profilo convergente-divergente appositamente studiato. Alla fine di questo percorso, pressione e temperatura sono ancora sufficientemente elevate; e i gas possono ancora attraversare successivamente:

a) il surriscaldatore 4;

b) la turbina 5 che mette in azione il compressore d'aria 7, la pompa 9 per accelerare il moto dell'acqua nella caldaia, e la pompa 10 per l'iniezione del combustibile;

c) l'economizzatore 6.

Dal canto suo l'acqua per mezzo della pompa di alimentazione 12 è avviata successivamente all'economizzatore, alla pompa di circolazione, a una camera alla base della caldaia e attraverso il tubo di comunicazione 16 ai tubi bollitori. Qui si forma una miscela di acqua e vapore (perché la portata di acqua circolante è diverse volte multipla del peso di acqua evaporata) e questa miscela per mezzo del tubo 17 è avviata tangenzialmente al separatore 11, ove per forza centrifuga si ha la separazione dell'acqua dal vapore. Questo per il condotto 13 è avviato al surriscaldatore; l'acqua in eccesso si raccoglie nel separatore, e per il condotto 18 torna alla pompa di circolazione.

Ai piedi del separatore vi è un recipiente sul quale sono inserite valvole di spurgo dei depositi o dell'acqua arricchita di sali.

Si assicura che i tubi bollitori risultano esenti da incrostazioni, ciò che è attribuibile al fatto che essi sono percorsi a velocità grande da acqua solo in piccola parte evaporata, la quale ha agio di decantarsi nelle alternative di passaggio attraverso il serbatoio del separatore.

La caldaia è ancora ai suoi primissimi anni, le condizioni di applicazione possono essere molto varie e quindi vengono continuamente introdotti miglioramenti e varianti non solo nella disposizione ma anche nella struttura delle parti. Nei modelli più recenti, il surriscaldatore fa corpo con la caldaia, si è applicato un turbo-compressore più efficiente e sono state perfezionate molte sistemazioni di particolari. Ne fornisce un esempio la fig. 10 che rappresenta lo schema della più recente disposizione di questi generatori di vapore.

Nello schema primitivo, fatta eccezione per la pompa di alimentazione, tutti gli ausiliarî, e in prima linea il compressore, sono comandati dalla turbina messa in azione dai prodotti della combustione. Questo modo di comando è ritenuto essenziale per l'economia del sistema. Vi è peraltro anche un motore elettrico ausiliario (8 nella fig. 8) che serve al momento della messa in moto e in caso di bruschi aumenti di carico. In altre disposizioni sono comandate indipendentemente la pompa di circolazione, le pompe dell'olio combustibile e dell'olio lubricante.

L'idea della caldaia Velox è sorta nel corso di studî ed esperienze relativi alla turbina Holzwarth, ed è stata considerata la possibilità di due procedimenti: quello a pressione costante che abbiamo descritto e un procedimento a esplosione. In questo la miscela di combustibile e aria, a intervalli convenientemente regolati, viene introdotta e compressa in una camera di combustione munita dei necessarî giuochi di valvole, e successivamente si fa esplodere e quindi espandere. I gas parzialmente espansi attraversano e mettono in azione la turbina fino a che la pressione è sufficientemente alta, quindi si intercetta il passaggio attraverso la turbina e si apre uno scarico diretto verso l'esterno. Segue una fase di lavaggio della camera di combustione e quindi si ricomincia il ciclo. Per la continuità e la regolarità del funzionamento, a differenza del sistema a pressione costante, occorre impiegare diverse camere di combustione indipendenti. Finora, però, le applicazioni sono tutte a pressione costante.

I rendimenti di queste caldaie risultano assai alti. Si indica qualche volta un rendimento greggio come rapporto del calore assorbito dall'acqua che passa dallo stato liquido a quello di vapore surriscaldato al calore fornito ai gas della combustione. Questo è il prodotto del peso di combustibile bruciato per il potere calorifico c_i (inferiore nei calcoli pubblicati); ma siccome può accadere che occorra un supplemento di potenza di N kW, se quella sviluppata dalla turbina a gas non basta, e il suo equivalente in calore va a finire tutto nei gas della combustione, così vi sono ancora 860 N calorie da aggiungere al denominatore e l'espressione del rendimento, detti V e C i pesi orarî di vapore e combustibile, e Δi l'aumento di entalpia del fluido attraverso il sistema, diventa:

Però di solito si considera l'efficienza globale del sistema, e la sua espressione è:

se gli ausiliarî sono messi in azione da motori a vapore consumando un peso orario V′ di vapore; ed è invece:

se gli ausiliarî sono azionati elettricamente e consumano la potenza di N′ kW ed η è il rendimento globale con cui questa potenza è generata. Dato che la correzione non è molto importante, in varie prove recenti è assunto costantemente 860/η = 4000. I valori di V′ N′ sono calcolati secondo i casi, tenendo conto o no dei consumi relativi alla pompa di alimentazione, per ottenere dei numeri paragonabili con quelli provenienti da altre fonti.

Per le Velox vengono dichiarati valori di rendimenti che arrivano al 92%, tenendo conto degli ausiliarî. Un fatto di grandissima importanza è che il rendimento si mantiene elevato per una lunga scala di carichi; secondo risultati recentemente pubblicati anche a carico 1/4.

Questi buoni rendimenti ai diversi carichi, la rapida messa in pressione, la facile elasticità di funzionamento, l'assenza di fumo che si accompagna alla perfetta combustione, la possibilità di bruciare combustibili liquidi di prezzo moderato, la grande riduzione d'ingombro conseguibile sono doti preziose le quali giustificano la diffusione della caldaia Velox negl'impianti per produzione di energia e anche per riscaldamento. Notevoli, fra gli altri, gl'impianti degl'istituti universitarî di Roma, Zurigo, Madrid. Si è fatta anche qualche applicazione marina. La capacità unitaria delle caldaie va progressivamente crescendo; anche la pressione di esercizio va crescendo verso valori molto elevati, se anche i primi impianti sono stati fatti a pressioni relativamente basse. In questi sono stati impiegati talvolta combustibili liquidi, talaltra anche gassosi (gas d'alto forno); sono in corso esperienze per l'impiego di combustibile polverizzato (carbone o lignite).

Bibl.: C. De Bie, Les chaudières à vapeur, Parigi 1931; F. Münzinger, Dampfkraft, Berlino 1933; P. E. Brunelli, Termotecnica, II, Caldaie, Torino 1935; M. Medici, Le macchine termiche, I, Caldaie, accumulatori e condensatori, Padova 1935; A. Loschge, Die Dampfkessel, Berlino 1937.