Il vapore ed i generatori di vapore

Impossibile iniziare questo articolo non citando un po’ di storia su questo tipo di energia.

L’uso dell’energia del vapore ha radici storiche profonde e può essere fatto risalire a molti secoli fa. Tuttavia, l’impiego su larga scala e il riconoscimento dell’energia del vapore come una fonte di potenza significativa iniziarono durante la Rivoluzione Industriale, nel XVIII secolo.

Ecco una panoramica cronologica:

1. Antichità: L’uso di vapore potrebbe essere fatto risalire a molto tempo fa, ma la sua applicazione pratica era limitata. I Greci antichi avevano conoscenze teoriche sui vapori, ma non avevano sviluppato macchine basate su queste idee.
2. Primi esperimenti: Nel 1° secolo d.C., l’inventore greco Erone di Alessandria descrisse un apparecchio alimentato a vapore chiamato “aeolipile”, un dispositivo sferico che ruotava quando il vapore veniva rilasciato da un serbatoio centrale.
3. Rivoluzione Industriale (XVIII secolo): L’uso pratico dell’energia del vapore ha avuto inizio durante la Rivoluzione Industriale, specialmente con l’invenzione della macchina a vapore di James Watt intorno al 1776. Questa macchina a vapore è stata ampiamente utilizzata nelle miniere, nei mulini e nelle fabbriche, rivoluzionando i processi industriali e accelerando la produzione.
4. XIX secolo: Nel corso del XIX secolo, la tecnologia del vapore ha continuato a evolversi, con l’espansione delle ferrovie alimentate a vapore e l’uso di motori a vapore in una varietà di settori industriali.
5. Inizio del XX secolo: Anche se durante il XX secolo si sono sviluppate nuove tecnologie e fonti di energia, l’energia del vapore è rimasta importante, specialmente nelle centrali elettriche e nell’industria.

Oggi, nonostante l’avvento di nuove tecnologie e fonti di energia, il vapore continua a essere ampiamente utilizzato nei processi industriali e nella produzione di energia, dimostrando la sua duratura rilevanza e versatilità.

Ma che cosa è il vapore e per cosa viene utilizzato oggi?

Il vapore è la fase gassosa dell’acqua a una temperatura superiore al suo punto di ebollizione. Nelle applicazioni industriali, il vapore viene ampiamente utilizzato per vari scopi a causa delle sue proprietà termiche e della sua capacità di trasportare energia in modo efficiente. Alcuni degli utilizzi più comuni del vapore nei processi industriali includono:

1. Produzione di energia: Il vapore è ampiamente impiegato nella generazione di energia elettrica attraverso le centrali termoelettriche. In queste centrali, l’acqua viene riscaldata fino a diventare vapore, che poi aziona le turbine connesse a generatori elettrici.
2. Processi di riscaldamento: Il vapore è utilizzato per il riscaldamento di ambienti industriali, edifici e processi che richiedono un trasferimento di calore efficace. I termoconvettori a vapore sono comuni per il riscaldamento di edifici.
3. Sterilizzazione: Nei settori farmaceutico e alimentare, il vapore è utilizzato per la sterilizzazione di attrezzature e materiali. La sua alta temperatura è efficace nel distruggere batteri, virus e altri microrganismi.
4. Processi industriali: Molti processi industriali richiedono l’uso di vapore per riscaldare, sterilizzare o separare sostanze chimiche. Ad esempio, nel settore chimico, il vapore può essere utilizzato per il riscaldamento di reattori chimici.
5. Essiccamento: Il vapore viene spesso impiegato per il processo di essiccamento di materiali come carta, legno, alimenti e tessuti. L’alta temperatura del vapore accelera il processo di rimozione dell’umidità.
6. Trasporto di energia: Il vapore viene utilizzato anche come agente di trasporto di energia termica in tubazioni isolate termicamente, noto come “vapore vivo” o “vapore in supercalore”. Questo viene utilizzato per il riscaldamento di edifici o processi industriali remoti.
7. Cottura e sterilizzazione alimentare: Nel settore alimentare, il vapore è spesso impiegato per la cottura di cibi e per la sterilizzazione di attrezzature e imballaggi.

L’uso del vapore nei processi industriali contribuisce alla sua versatilità e alla sua efficienza energetica, ma è importante gestire e controllare correttamente la produzione e l’uso del vapore per garantire la sicurezza e l’efficienza dei processi industriali.

Vediamo ora con cosa è prodotto il vapore nei processi alimentari, sanitari, tessili e industriali:

Ci sono diversi metodi per generare vapore, e la scelta del metodo dipende dalle esigenze specifiche dell’applicazione. Alcuni dei metodi comuni per la produzione di vapore includono:

1. Caldaie a combustibile: Le caldaie a combustibile sono uno dei metodi più tradizionali per generare vapore. Queste caldaie bruciano combustibili come carbone, petrolio, gas naturale o biomasse per riscaldare l’acqua e produrre vapore ad alta pressione.
2. Caldaie a tubi d’acqua: Questo tipo di caldaia ha tubi attraverso i quali passa l’acqua, che viene riscaldata da fiamme o gas caldi esterni. Il vapore viene prodotto nei tubi.
3. Caldaie a tubi di fumo: In queste caldaie, i gas caldi passano attraverso i tubi immersi nell’acqua, riscaldandola e producendo vapore. Sono comunemente utilizzate in applicazioni industriali.
4. Caldaie ad alta pressione: Queste caldaie sono progettate per generare vapore ad alta pressione, che può essere utilizzato per alimentare turbine e generare energia elettrica.
5. Scambiatori di calore: Gli scambiatori di calore utilizzano calore proveniente da fonti esterne, come fluidi termici o gas di scarico, per riscaldare l’acqua e produrre vapore.
6. Cicli combinati (cogenerazione) : Alcuni impianti di produzione di energia utilizzano cicli combinati, nei quali il vapore prodotto viene utilizzato per azionare turbine, e il calore residuo viene sfruttato per produrre ulteriore energia attraverso scambiatori di calore.
7. Energia solare: In alcune applicazioni, l’energia solare può essere utilizzata per generare vapore. I concentratori solari possono concentrare la luce solare su un punto focalizzato, riscaldando l’acqua e generando vapore.
8. Riscaldamento elettrico: L’uso di resistenze elettriche può riscaldare direttamente l’acqua per produrre vapore.

La scelta del metodo dipende da vari fattori, tra cui la quantità di vapore richiesta, la pressione desiderata, l’efficienza energetica e le risorse disponibili. La produzione di vapore è, in ogni modo, un elemento chiave in molti processi industriali e nel generare energia in diverse applicazioni.

Lo studio del vapore aprirebbe una notevole quantità di nozioni tecniche e soprattutto fisiche che non rispetterebbero lo spirito con cui è nato questo sito. Limitiamoci quindi al punto di vista pratico dell’argomento.

Le patenti per i conduttori di generatori di vapore

La patente per conduttore di generatori di vapore si articola su quattro livelli:

• 4° grado: abilita alla conduzione di generatori di vapore di qualsiasi tipo, aventi una producibilità fino a 1 t/h di vapore (superficie di scambio termico ≤ a 30 m² );
• 3° grado: abilita alla conduzione di generatori di vapore di qualsiasi tipo, aventi una producibilità fino a 3 t/h di vapore (superficie di scambio termico ≤ a 100 m² );
• 2° grado: abilita alla conduzione di generatori di vapore di qualsiasi tipo, aventi una producibilità fino a 20 t/h (superficie di scambio termico ≤ a 500 m² );
• 1° grado: abilita alla conduzione di generatori di vapore di qualsiasi tipo e di qualsiasi producibilità e superficie di scambio.

Con il 30 settembre 2021 le disposizioni contenute nel nuovo Decreto n. 94 del 7 agosto 2020  del Ministero del Lavoro e delle Politiche Sociali in materia di abilitazione alla conduzione di generatori di vapore sono entrate in vigore.

L’ammissione agli esami per il conseguimento di ciascuno dei diversi gradi di abilitazione è subordinata alla frequenza di un apposito corso teorico e tirocinio pratico di formazione diversificato, in base alle ore ed alla difficoltà dell’esame, per il grado che si desidera conseguire. Modalità dei corsi e soggetti organizzatori sono specificati nell’allegato II del D.M. 94 del 7 agosto 2020.

Diciamo quindi che, chi deve “mettere le mani” su un generatore di vapore, ha la giusta preparazione teorico / pratica per farlo.

Cerchero quindi di dare delle informazioni veramente di base che ci possano far conoscere un minimo l’argomento.

Le caldaie a combustibile:

Nella maggior parte dei casi, oggi, vediamo caldaie a gas naturale.

Tra queste, la suddivisione più comune è quella tra tubi di fumo o tubi d’acqua

Principalmente, la differenza è dovuta in base alla disposizione dei tubi all’interno dell’apparecchio e al flusso dei gas di combustione. Ecco le principali differenze:

Caldaia a tubi di fumo:

• Nei generatori di vapore a tubi di fumo, i gas di combustione passano attraverso tubi posti all’interno della caldaia, generando calore e trasferendolo all’acqua che circola attorno a questi tubi.
• Il termine “tubi di fumo” deriva dalla caratteristica di avere i gas di combustione (o fumo) che attraversano i tubi, riscaldandoli.
• Solitamente, le caldaie a tubi di fumo sono più semplici nella costruzione e possono essere adatte a applicazioni con carichi termici più bassi.

Caldaia a tubi d’acqua:

• Nelle caldaie a tubi d’acqua, i tubi in cui scorre l’acqua sono circondati dai gas di combustione. Questi gas di combustione riscaldano direttamente i tubi d’acqua.
• L’acqua, riscaldata dai tubi, viene convertita in vapore. Questi generatori di vapore sono spesso utilizzati in applicazioni industriali con carichi termici più elevati.
• Le caldaie a tubi d’acqua possono sopportare pressioni più elevate rispetto alle caldaie a tubi di fumo.

In generale, la scelta tra una caldaia a tubi di fumo e una a tubi d’acqua dipende dalle specifiche esigenze dell’applicazione, dalle condizioni operative e dai requisiti di progettazione. Le caldaie a tubi d’acqua tendono ad essere più complesse nella costruzione ma offrono spesso prestazioni superiori in termini di efficienza e capacità di sopportare carichi termici più elevati. D’altra parte, le caldaie a tubi di fumo sono più semplici e possono essere più adatte per applicazioni meno impegnative.

In genere, la distinzione tra caldaie a tubi di fumo e caldaie a tubi d’acqua può essere difficile da fare guardando semplicemente l’esterno della caldaia. Molti fattori esterni, come la tipologia di un camino o particolari serbatoi, possono variare notevolmente tra i diversi modelli di caldaie, indipendentemente dalla loro configurazione interna.

Tuttavia, ci sono alcune indicazioni generali che potrebbero suggerire il tipo di caldaia:

1. Comignolo:
   • Le caldaie a tubi di fumo tendono ad avere un camino più evidente, poiché i gas di combustione vengono diretti attraverso i tubi e rilasciati nell’atmosfera attraverso il comignolo.
   • Le caldaie a tubi d’acqua possono non avere un comignolo così prominente, ma ciò dipende anche dal design specifico e dalle caratteristiche della caldaia.
2. Dimensioni e Forma:
   • Le caldaie a tubi d’acqua possono avere una forma diversa, poiché la circolazione dell’acqua attraverso i tubi può influenzare il design esterno.
   • Tuttavia, questa caratteristica può variare notevolmente e non è un indicatore affidabile da sola.
3. Etichette o Documentazione del Produttore:
   • Spesso, la miglior fonte di informazioni sulla configurazione interna di una caldaia è la documentazione fornita dal produttore o le etichette sulla caldaia stessa.

In definitiva, la distinzione accurata richiede una conoscenza dettagliata delle specifiche tecniche della caldaia. In caso di incertezza, è consigliabile consultare il manuale del produttore o contattare direttamente il produttore per ottenere informazioni specifiche sulla caldaia in questione.

Contrariamente alle caldaie ad acqua calda ed alle caldaie ad acqua surriscaldata, le caldaie a vapore non sono mai riempite totalmente d’acqua. Il livellostato che comanda l’acqua di alimento mantiene sempre un livello minimo ed un livello massimo “lasciando all’acqua lo spazio necessario per evaporare”

E’ interessante guardare questo video della Spirax Sarco che mostra molto bene il funzionamento interno di una caldaia a vapore (se avete problemi di visualizzazione della finestra del video è necessario accettare la cookie policy del sito)

Informazioni dalla targa caldaia:

Dalle targhe delle caldaie sono recuperabili i dati di:

• Marca
• Modello
• Numero di Fabbrica
• Matricola
• Pressione di bollo o pressione massima
• Potenza che può essere espressa in; Superficie di scambio in mq oppure in kW
• Produzione di vapore in Kg/h
• L’anno di costruzione
• La massima temperatura di esercizio

Per rapide conversioni di potenza possiamo dire indicativamente che 1 tonnellata di vapore equivale a circa 3,5169 kilowatt.

Vediamo ora cosa deve fare, in maniera veramente pratica, il conduttore di una centrale termica a vapore durante la sua giornata di lavoro:

Iniziamo con una dovuta premessa:

la presenza di un operatore o conduttore qualificato è generalmente obbligatoria durante il funzionamento degli impianti a vapore in Italia. Questo è previsto per garantire la sicurezza e il corretto funzionamento degli impianti. L’operatore o conduttore ha il compito di monitorare il funzionamento dell’impianto, adottare misure preventive e correttive in caso di emergenza, e assicurarsi che l’impianto sia conforme alle normative di sicurezza.

L’obbligo di presenza di un conduttore è spesso regolamentato da leggi specifiche che disciplinano la sicurezza degli impianti termici, tra cui i generatori di vapore. In Italia, il Decreto Legislativo 31 marzo 1998, n. 109, stabilisce disposizioni in merito e prevede il ruolo del Responsabile del Servizio Tecnico (RST) per la conduzione e la manutenzione degli impianti termici.

Il conduttore deve monitorare:

• I dispositivi di sicurezza ed agire in caso di emergenza
• La qualità dell’acqua ed agire nel caso di valori anomali condizionando l’acqua di alimento o spurgando la caldaia
• I dispositivi di controllo, regolazione e funzionamento
• I valori dei dispositivi di controllo ed agire nel caso di anomalie

Ad inizio turno si prendono le consegne dal turno smontante e si visiona il registro di conduzione dove giornalmente devono essere annotati controlli e anomalie durante il turno.

I dispositivi di sicurezza:

Le caldaie a vapore sono dotate di diversi dispositivi di sicurezza per garantire il funzionamento sicuro dell’impianto. Alcuni dei principali dispositivi di sicurezza includono:

Valvole di sicurezza: Nelle caldaie a vapore devono essere sempre due e si devono aprire automaticamente per rilasciare il vapore in eccesso quando la pressione all’interno della caldaia supera il livello di sicurezza prestabilito. Le valvole di sicurezza devono essere tarate entrambe leggermente sotto la pressione di bollo indicata sulla targa caldaia

Pressostato: Il pressostato monitora la pressione all’interno della caldaia e può interrompere automaticamente il funzionamento se la pressione raggiunge livelli pericolosi.

Manometro: Il manometro fornisce una lettura visiva della pressione all’interno della caldaia, consentendo agli operatori di monitorare costantemente la situazione. Il manometro deve essere grande e ben leggibile.

Dispositivo di controllo del livello dell’acqua: Monitora e controlla il livello dell’acqua nella caldaia per evitare situazioni di troppo pieno o di basso livello, entrambe potenzialmente pericolose. Una delle sicurezze che fermano l’impianto è quella di minimo livello.

Questo componente e la sua fondamentale importanza è stato ben spiegato nel video della Spirax Sarco appena visto.

Diciamo che il conduttore deve effettivamente controllare il manometro per la pressione di vapore erogata ed i livelli dell’acqua in caldaia e verificare che le sicurezze siano attive ed efficienti.

Passiamo ora al secondo compito del conduttore e cioè ai controlli dell’acqua

Abbiamo già detto molto sull’articolo dedicato a “Il trattamento dell’acqua negli impianti termici” ma, se ricordate, abbiamo sottolineato la particolare importanza dell’acqua in un impianto di produzione di vapore.

Componenti come Addolcitori o, ancor meglio, impianti di osmosi inversa e demineralizzazione sono assolutamente necessari per alimentare l’acqua di produzione del vapore. E’ inoltre imprescindibile il condizionamento chimico dell’acqua ed il controllo quotidiano attraverso strumenti e kit reagenti.

Su tutti i manuali delle caldaie sono presenti i valori dell’acqua necessari ad una buona conduzione atta a non perdere la garanzia del costruttore ed al corretto mantenimento in efficienza del generatore.

La tabella seguente riassume i limiti ed indica le frequenze con cui la norma UNI 7550 consiglia le analisi

Lo spurgo della caldaia:

Una delle attività fondamentali che deve fare il conduttore è quella dello spurgo (o la purga) dell’acqua dal fondo della caldaia almeno settimanalmente o a seconda delle effettive necessità.

Gli spurghi servono ad eliminare accumuli di sedimenti o impurità, riducendo il rischio di accumuli dannosi e migliorando l’efficienza termica.

Ecco i passaggi generali per eseguire la purga di una caldaia:

1. Spegni la caldaia: Prima di iniziare qualsiasi lavoro di manutenzione, assicurati che la caldaia sia spenta e che tutte le valvole di alimentazione siano chiuse.
2. Valvole di scarico: Trova le valvole di scarico sulla caldaia. Le valvole di scarico sono utilizzate per drenare l’acqua in eccesso contenente sedimenti e impurità. Assicurati che queste valvole siano chiuse.
3. Avvia il processo di scarico: Apri gradualmente le valvole di scarico per avviare il processo di scarico dell’acqua. Controlla il flusso d’acqua per garantire che sedimenti e impurità vengano effettivamente espulsi.
4. Monitora il processo: Durante la purga, monitora attentamente l’acqua scaricata. Inizialmente, potresti notare una colorazione più scura o sedimenti che vengono espulsi. Man mano che il processo continua, l’acqua dovrebbe diventare più chiara.
5. Regola la valvola di scarico: Regola la valvola di scarico per controllare il flusso d’acqua e garantire una purga efficace. L’obiettivo è rimuovere gli accumuli senza svuotare completamente il sistema.
6. Chiudi le valvole di scarico: Quando la purga è completata, chiudi gradualmente le valvole di scarico. Assicurati di farlo lentamente per evitare cambiamenti bruschi di pressione nell’impianto.
7. Riavvia la caldaia: Dopo aver completato la purga e chiuso tutte le valvole di scarico, riavvia la caldaia e riportala in funzione normale.

Lo spurgo della caldaia può avvenire sia in manuale, da parte del conduttore, ma è possibile installare anche sistemi di spurgo automatici che possone essere programmati a seconda delle esigenze.

L’acqua proveniente dallo spurgo, per questioni di temperatura > 40° C, non può essere scaricata direttamente nel sistema fognario, per far si che questo avvenga, senza un vero e prorio sistema forzato di raffreddamento vietato dalla norma, è necessaria l’installazione di un blow down, che, altro non è che, un serbatoio raffreddatore di spurghi per l’attesa del raffreddamento naturale dell’acqua prima dello scarico nel sistema fognario.

I dispositivi di controllo, regolazione e funzionamento

Altro compito del conduttore è quello di verificare sempre il funzionamento e l’efficienza degli aparati di controllo e regolazione.

Sistema di controllo PLC (Programmable Logic Controller):

• Un sistema PLC è spesso utilizzato per controllare e regolare diversi aspetti dell’impianto, inclusi i parametri operativi, la sequenza di avvio e arresto, e la gestione generale dell’impianto.

Trasduttori e sensori di misura:

• Misurano vari parametri come la pressione, la temperatura, il flusso e altri dati critici per il funzionamento dell’impianto. Queste informazioni vengono utilizzate per il controllo e la regolazione automatica.

Sistema di allarme e monitoraggio:

• Avverte gli operatori in caso di anomalie o di condizioni operative pericolose. Può essere integrato con sistemi di monitoraggio remoto.

Valvole di controllo e regolazione:

• Le valvole vengono utilizzate per controllare il flusso di vapore, acqua o altri fluidi all’interno dell’impianto, regolandone la quantità e la direzione.

Sistema di dosaggio chimico:

• Utilizzato per dosare chimici nell’acqua della caldaia, aiutando a prevenire la corrosione e l’accumulo di incrostazioni.

Analizzatori di fumi

• Utilizzati per il controllo delle emissioni e per monitorare la combustione del bruciatore

Impianti di addolcimento dell’acqua di alimento (Addolcitori – Osmosi – Demi)

• Utilizzati per eliminare gli ioni di calcio e magnesio, responsabili della formazione di calcare

Altri compiti del conduttore di caldaie a vapore

Un buon conduttore deve verificare periodicamente lo stato interno della caldaia, controllare lo stato del materiale refrattario ed eseguire i piccoli ripristini , lo stato e la tenuta idraulica delle guarnizioni e, senza entrare in caldaia, verificare per quanto possibile, aprendo cioè le parti ispezionabili, la presenza di segnali di corrosione, cricche o vaiolature (pitting).

Un buon conduttore mantiene in centrale un elevato livello di ordine e pulizia del locale

L’accensione a freddo dell’impianto

Per accendere un impianto a vapore è importantissimo:

Chiudere la valvola di presa vapore, far salire la caldaia di pressione sino al raggiungimento della normale pressione di lavoro e, solamente dopo, aprire poco alla volta e piano piano, la valvola di presa vapore dell’impianto.

Durante l’accensione di un generatore freddo, è normale si formi della condensa dentro la camera di combustione. L’acqua di condensa deve essere scaricata con l’apposito scarico.

Terminiamo questo articolo parlando delle condense di un impianto a Vapore.

Dirò una cosa molto banale e mi scuso, ma se per un normale impianto ad acqua calda o ad acqua surriscaldata la caldaia manda all’impianto l’acqua calda e riceve dall’impianto la stessa acqua un po’ più fredda (concetto di mandata e ritorno degli impianti), nei generatori di vapore succede che la caldaia manda vapore e riceve acqua di alimento.

Parlando di acqua di alimento, non parliamo di acqua di acquedotto trattata ed immessa in caldaia, ma parliamo di acqua recuperata nella maggior parte dalla condensa del vapore che si forma per forza di cose nelle tubazioni e nei processi di utilizzo del vapore.

In questo modo, abbiamo già acqua a temperatura > rispetto a quella di acquedotto e possiamo utilizzare acqua in parte già condizionata chimicamente.

Nelle linee e nelle apparecchiature a vapore sono infatti presenti i cosidetti “condensini” componenti che recuperano la condensa e la convogliano, attraverso tubazioni dedicate, in serbatori di recupero.

L’acqua contenuta nei serbatoi (eventualmente integrata con acqua trattata di acquedotto) viene poi utilizzata come acqua di alimento e pompata in caldaia dalle cosi dette “pompe di alimento”.

Un ulteriore passaggio di ottimizzazione dell’acqua di condensa può avvenire con l’uso di un degasatore. Questo componente (simile ad un grosso serbatoio) è attraversato da una tubazione di vapore che riscalda ulteriormente l’acqua di condensa con due vantaggi:

• Riscaldare ulteriormente la temperatura dell’acqua di alimento per efficientare il processo di evaporizzazione in caldaia
• Eliminare l’ossigeno e altri gas dall’acqua portandola all’ebollizione

Ricordiamo infine che i generatori di vapore (se superiori a 0,5 bar) sono sottoposti alla direttiva PED e alle verifiche periodiche del D.M. 329 tramite la visita di un ispettore INAIL (o delegato).

• Verifica di funzionamento biennale (serve la caldaia in funzione)
• Verifica interna biennale alternata alla verifica di funzionamento (serve la caldaia ferma e fredda)
• Verifica di integrità decennale (serve la caldaia ferma e fredda)

Di seguito uno schema che ci indica abbastanza chiaramente un esempio di bilancio energetico per un generatore di vapore.