CALDAIA Dimensionamento e Parametri Termodinamici Ing. Ph. D. Daniele De Lodovici WTE Waste To Energy S.r.l.
Download ReportTranscript CALDAIA Dimensionamento e Parametri Termodinamici Ing. Ph. D. Daniele De Lodovici WTE Waste To Energy S.r.l.
Slide 1
CALDAIA
Dimensionamento e Parametri
Termodinamici
Ing. Ph. D. Daniele De Lodovici
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 2
Lo scambio del calore in caldaia
Il calore è una forma di energia, più un corpo è caldo più le sue molecole
vibrano in modo energico. Questo movimento tende ad estendersi alle
zone circostanti più fredde, ovvero alle molecole meno veloci
TRASMISSIONE DEL CALORE
• se ci sono differenze di temperatura il fenomeno è in evoluzione
REGIME DI TIPO VARIABILE
• nel momento in cui le temperature sono uguali in tutti i punti del
sistema si raggiunge lo stato di EQUILIBRIO
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 3
Trasmissione del calore (1a)
Il calore può trasmettersi secondo tre diverse modalità:
1.
Conduzione è un fenomeno interno al corpo considerato (fluido o
solido), la trasmissione del calore è dovuta agli urti tra molecole vicine,
ma che comunque restano sempre nella loro posizione.
– Per esempio è la trasmissione di calore che si ha in uno strato di
refrattario
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 4
Trasmissione del calore (2a)
2.
Convezione è un fenomeno che si manifesta tra i fluidi in moto; consiste
nel trasporto del calore operato dalle particelle più calde che si spostano
verso zone più fredde rendendo alle particelle con vibrazioni meno
energiche parte della loro energia. Il trasferimento di calore aumenta
con la velocità del fluido e con la temperatura delle sue molecole.
– Per esempio è la trasmissione di calore che si verifica tra i banchi
convettivi della caldaia
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 5
Trasmissione del calore (3a)
3.
Irraggiamento è un fenomeno di natura elettromagnetica, avviene
tra due superfici a temperature diverse separate da un mezzo
permeabile alle radiazioni (es. aria o gas di combustione)
– Per esempio è la trasmissione di calore che caratterizza il primo
canale delle caldaie
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 6
Scambio termico per conduzione
Scambio termico su una parete piana semplice:
Q = /s F (T1 - T2)
– Q calore scambiato nel tempo dalla superficie considerata [W]
– coefficiente di conduttività interna [W/(m K)]
– F superficie di scambio [m2]
– T1, T2 temperature interne ed esterne alla parete [K]
– s spessore della parete [m]
Questa relazione può essere estesa al caso di pareti a più strati per
determinare il profilo di temperatura attraverso la parete; calcolo di
fondamentale importanza, per esempio, per la scelta dei materiali refrattari
delle pareti del forno.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 7
Scambio termico per convezione (1a)
• Naturale: movimenti spontanei delle particelle del fluido che, riscaldate, si
muovono verso l’alto, innescando moti cosiddetti convettivi
– raffreddamento delle blindature del forno
• Forzata: si ha quando al naturale movimento delle particelle si aggiungono
movimenti indotti artificialmente che rendono lo scambio più energico
– scambiatori di calore
– sezioni convettive delle caldaie
NB
Nella pratica tecnica i moti laminari sono meno frequenti dei moti
turbolenti.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 8
Scambio termico per convezione (2a)
Il calore scambiato nel tempo è definito dalla seguente relazione:
Q = a S (T1 - T2)
–
–
Q calore scambiato nel tempo dalla superficie considerata [W]
a coefficiente di scambio termico convettivo [W/(m2 K)]:
–
S superficie di scambio [m2]
–
T1, T2 temperature del fluido e della parete [K]
Il coefficiente convettivo a è una funzione, generalmente molto complessa, delle
proprietà del fluido, del suo stato di moto e della temperatura e stato della
superficie lambita.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 9
Scambio termico per convezione (3a)
Sono state formulate numerose correlazioni per calcolare il coefficiente a, ma
tutte applicabili in un ristretto campo:
• correnti turbolente di gas in tubi ruvidi:
–
a = 3.8 w0,75/D0,25
• superfici piane scabre con velocità del fluido superiori a 5 m/s
–
a = 6,12 w0,78
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 10
Scambio termico per irraggiamento (1a)
Le onde elettromagnetiche si propagano attraverso i mezzi di trasmissione
(aria, fumi...) e quando colpiscono un corpo in parte sono assorbite e in
parte riflesse.
In funzione di questo si definisce:
– Corpo nero, un corpo che assorbe tutte le radiazioni che lo
colpiscono; è puramente teorico.
– Corpo grigio, un corpo che riflette una certa quantità di energia
incidente; situazione reale.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 11
Scambio termico per irraggiamento (2a)
Il calcolo del calore scambiato per irraggiamento è molto complesso, in via
teorica è proporzionale alla differenza delle quarte potenze delle temperature
dei corpi coinvolti:
Q = Ce F [ (T1/100)4 - (T2/100)4]
– Ce = e C
– e = coefficiente riduttivo che tiene conto dell’effetto di corpo grigio
– C = costante di Stefann Boltzmann e vale 4,96 kcal/(m2hK4)
Tale contributo
trascurabile.
ha
importanza
alle
alte
temperature
diversamente
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
è
Slide 12
La configurazione della caldaia in relazione
all’assorbimento del calore
Nelle caldaie a recupero a valle dei forni inceneritori, sono presenti tutti i
fenomeni di scambio in precedenza descritti.
La conformazione della caldaia deriva dall’applicazione dei processi di
scambio termico tra i fluidi nelle varie sezioni, adottando opportune soluzioni
che consentono di proteggere le superfici metalliche dall’aggressione acida
dei fumi, da erosioni e surriscaldamenti.
Tutte le caldaie sono realizzate in due distinte sezioni:
– sezione ad irraggiamento
– sezione convettiva
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 13
La configurazione della caldaia in relazione
all’assorbimento del calore - Irraggiamento
Lo scambio termico per irraggiamento coinvolge le pareti membranate
nella sezione di alta temperatura della caldaia:
• i fumi cedono calore alle pareti membranate che a loro volta sono
raffreddate dall’acqua bollente che le percorre internamente. Per questa
ragione i tubi delle pareti operano in una finestra di temperatura non
critica dal punto di vista della corrosione.
• i fumi così raffreddati entrano nella sezione convettiva della caldaia.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 14
La configurazione della caldaia in relazione
all’assorbimento del calore - Convezione
Lo scambio termico avviene su banchi a tubi verticali o orizzontali, appesi o
appoggiati ed alloggiati in un canale membranato o refrattario che a sua volta
può
essere
verticale
od
orizzontale,
posto
a
valle
della
sezione
d’irraggiamento.
Nelle caldaie più recenti si realizza normalmente un banco evaporatore a
protezione del surriscaldatore per ridurre ulteriormente la temperatura dei
fumi in ingresso alla convettiva (T < 600 °C) poiché il vapore surriscaldato (T
= 380 – 400 °C) non refrigera la parete del tubo in modo efficace quanto
l’acqua bollente (T = 250 – 260 °C).
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 15
La configurazione della caldaia in relazione alla
salvaguardia dei banchi
• La pulizia dei banchi è ottenuta con percussione / vibrazione o mediante la
soffiatura con vapore o aria
• Si impone che la velocità del fumo nei banchi sia inferiore a 6 m/s per
evitare fenomeni di abrasione sui tubi
• Il rapporto passo dimetro dei tubi è ottimizzato per ogni banco al fine di
evitare occlusioni da polvere
•I
canali
verticali
che
ospitano
i
banchi
convettivi
permettono
l’allontanamento delle polveri solo dopo aver attraversato tutti i banchi
sottostanti, mentre quelli orizzontali sfruttano la naturale tendenza della
polvere a depositarsi lungo percorsi orizzontali con conseguente minor
carico sulle sezioni successive
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 16
Problematiche relative alla corrosione su SH, EVA ed
ECO
Esistono diversi meccanismi di corrosione, il principale dei quali è operato
dall’HCl, contenuto in quantità apprezzabili nei fumi di combustione (5001000
mg/Nm3)
in
funzione
della
quantità
di
cloro
presente
nel
combustibile.
E’ dimostrato il ruolo fondamentale nella corrosione dei sali fusi sui tubi.
La gestione dell’impianto deve essere tale da:
• ridurre l’esposizione all’attacco chimico
• impedire che si realizzino le condizioni favorevoli alla corrosione
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 17
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 18
Diagramma di stato trivalente di ZnCl2, KCl e PbCl2
e loro Temperatura di fusione
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 19
Bilancio energetico della caldaia
In regime stazionario possiamo scrivere il bilancio energetico come
somma dei flussi energetici entranti ed uscenti dal sistema.
Analogamente il bilancio di massa come sommatoria dei flussi di massa
entranti ed uscenti dal sistema.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 20
Schema di flusso
A R IA C OM B .
A U SILIA R IO
C OM B U ST IB ILE
A U SILIA R IO
P5 (bar a)
T5 (°C)
m 5 (kg/h)
H5 (kJ/kg)
Combustibile ausiliario
P4 (bar a)
T4 (°C)
m 4 (kg/h)
H4 (kJ/kg)
R IC IR C OLO F U M I
Aria di combust.comb.aux
P8 (bar a)
T8 (°C)
m 8 (kg/h)
H8 (kJ/kg)
Fumi al generatore di vapore
P11 (bar a)
T3 (°C)
m 3 (kg/h)
H3 (kJ/kg)
Rifiuto solido
R SU
P15 (bar a)
T15 (°C)
m 15 (kg/h)
H15 (kJ/kg)
T6 (°C)
m 6 (kg/h)
H6 (kJ/kg)
Fumi di ricircolo
T11 (°C)
m 11 (kg/h) H11 (kJ/kg)
Vapore surriscaldato
F U M I A L GEN ER A T OR E
D I V A POR E
P3 (bar a)
P6 (bar a)
GENERATORE
DI VAPORE
V A POR E
SU R R ISC A LD A T O
Spurgo caldaia
B LOW D OW N
T9 (°C)
m 9 (kg/h)
H9 (kJ/kg)
T10 (°C)
H10 (kJ/kg)
Acqua di alimento
FORNO
INCENERITORE
P9 (bar a)
P10 (bar a)
m 10 (kg/h)
A C QU A D I
A LIM EN T O
A R IA 2
Dissipazioni dalle pareti
A R IA 1
P2 (bar a)
T2 (°C)
m 2 (kg/h)
H2 (kJ/kg)
F U M I A LLA
D EPU R A Z ION E
Aria secondaria
P12 (bar a)
T12 (°C)
m 12 (kg/h)
H12 (kJ/kg)
Fumi alla depurazione
SC OR IE
C EN ER I
P1 (bar a)
T1 (°C)
P7 (bar a)
T7 (°C)
P13 (bar a)
T13 (°C)
P14 (bar a)
T14 (°C)
m 1 (kg/h)
H1 (kJ/kg)
m 7 (kg/h)
H7 (kJ/kg)
m 13 (kg/h)
H13 (kJ/kg)
m 14 (kg/h)
H14 (kJ/kg)
Aria primaria
Scorie dalla combustione
Ceneri leggere
Dissipazioni caldaia
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 21
I flussi di massa ed energetici entranti ed uscenti dalla caldaia
sono associati alle seguenti variabili
Flusso
Indice
Portata Temp Press
Entalpia
Flusso
termico
Kg/s
°C
Bar a
KJ/kg
kW
Fumi entranti
8 - entrante
m8
T8
P8
H8=Cp8 x T8
W8= m8 x H8
Acqua di alimento cld
10 - entrante
m10
T10
P10
H10
W10= m10 x H10
Vapore surriscaldato
11 - uscente
m11
T11
P11
H11
W11= m11 x H11
Fumi uscenti
12 - uscente
m12
T12
P12
H12=Cp12 x T12
W12= m12 x H12
Ceneri scaricate
13 - uscente
m13
T13
P13
H13=Cp13 x T13
Dissipazione caldaia
14 - uscente
-
T14
-
-
W14= aSiTi
Spurgo caldaia
15 - uscente
m15
T15
P15
H15
W15=m15 x H15
W13=m13 x H13
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 22
Equazioni di bilancio
Bilancio energetico
W W
8
Bilancio di massa
15
10
= Wi
i =11
Wi=potenza i-esima
m m
8
10
15
= mi
i =11
mi=massa i-esima
NB osserviamo che il contributo
del termine m14 relativo alle
dissipazioni delle pareti è nullo
in quanto non associato ad un
flusso di massa
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 23
Efficienza della caldaia (1a)
L’efficienza della caldaia è definita come:
energia ceduta all'acqua di caldaia
η=
energia affluentealla caldaia
15
η=
W11 W10
W
8
W W
=
W
8
i =12
i
8
ossia la potenza termica associata ai fumi entranti detratte tutte le perdite,
divisa per la potenza termica associata ai fumi entranti.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 24
Efficienza della caldaia (2a)
Considerando in prima approssimazione nulli i flussi termici relativi alle
ceneri, dissipazioni ed allo spurgo:
15
W = 0
i =13
i
otteniamo che:
W
W
η=
W
8
12
8
ed assumendo che Cp8 Cp12 possiamo scrivere:
T
T
η
T
8
12
cld
8
NB Osserviamo che l’equazione è
grossolana e può essere utilizzata solo
in prima approssimazione
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
CALDAIA
Dimensionamento e Parametri
Termodinamici
Ing. Ph. D. Daniele De Lodovici
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 2
Lo scambio del calore in caldaia
Il calore è una forma di energia, più un corpo è caldo più le sue molecole
vibrano in modo energico. Questo movimento tende ad estendersi alle
zone circostanti più fredde, ovvero alle molecole meno veloci
TRASMISSIONE DEL CALORE
• se ci sono differenze di temperatura il fenomeno è in evoluzione
REGIME DI TIPO VARIABILE
• nel momento in cui le temperature sono uguali in tutti i punti del
sistema si raggiunge lo stato di EQUILIBRIO
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 3
Trasmissione del calore (1a)
Il calore può trasmettersi secondo tre diverse modalità:
1.
Conduzione è un fenomeno interno al corpo considerato (fluido o
solido), la trasmissione del calore è dovuta agli urti tra molecole vicine,
ma che comunque restano sempre nella loro posizione.
– Per esempio è la trasmissione di calore che si ha in uno strato di
refrattario
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 4
Trasmissione del calore (2a)
2.
Convezione è un fenomeno che si manifesta tra i fluidi in moto; consiste
nel trasporto del calore operato dalle particelle più calde che si spostano
verso zone più fredde rendendo alle particelle con vibrazioni meno
energiche parte della loro energia. Il trasferimento di calore aumenta
con la velocità del fluido e con la temperatura delle sue molecole.
– Per esempio è la trasmissione di calore che si verifica tra i banchi
convettivi della caldaia
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 5
Trasmissione del calore (3a)
3.
Irraggiamento è un fenomeno di natura elettromagnetica, avviene
tra due superfici a temperature diverse separate da un mezzo
permeabile alle radiazioni (es. aria o gas di combustione)
– Per esempio è la trasmissione di calore che caratterizza il primo
canale delle caldaie
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 6
Scambio termico per conduzione
Scambio termico su una parete piana semplice:
Q = /s F (T1 - T2)
– Q calore scambiato nel tempo dalla superficie considerata [W]
– coefficiente di conduttività interna [W/(m K)]
– F superficie di scambio [m2]
– T1, T2 temperature interne ed esterne alla parete [K]
– s spessore della parete [m]
Questa relazione può essere estesa al caso di pareti a più strati per
determinare il profilo di temperatura attraverso la parete; calcolo di
fondamentale importanza, per esempio, per la scelta dei materiali refrattari
delle pareti del forno.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 7
Scambio termico per convezione (1a)
• Naturale: movimenti spontanei delle particelle del fluido che, riscaldate, si
muovono verso l’alto, innescando moti cosiddetti convettivi
– raffreddamento delle blindature del forno
• Forzata: si ha quando al naturale movimento delle particelle si aggiungono
movimenti indotti artificialmente che rendono lo scambio più energico
– scambiatori di calore
– sezioni convettive delle caldaie
NB
Nella pratica tecnica i moti laminari sono meno frequenti dei moti
turbolenti.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 8
Scambio termico per convezione (2a)
Il calore scambiato nel tempo è definito dalla seguente relazione:
Q = a S (T1 - T2)
–
–
Q calore scambiato nel tempo dalla superficie considerata [W]
a coefficiente di scambio termico convettivo [W/(m2 K)]:
–
S superficie di scambio [m2]
–
T1, T2 temperature del fluido e della parete [K]
Il coefficiente convettivo a è una funzione, generalmente molto complessa, delle
proprietà del fluido, del suo stato di moto e della temperatura e stato della
superficie lambita.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 9
Scambio termico per convezione (3a)
Sono state formulate numerose correlazioni per calcolare il coefficiente a, ma
tutte applicabili in un ristretto campo:
• correnti turbolente di gas in tubi ruvidi:
–
a = 3.8 w0,75/D0,25
• superfici piane scabre con velocità del fluido superiori a 5 m/s
–
a = 6,12 w0,78
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 10
Scambio termico per irraggiamento (1a)
Le onde elettromagnetiche si propagano attraverso i mezzi di trasmissione
(aria, fumi...) e quando colpiscono un corpo in parte sono assorbite e in
parte riflesse.
In funzione di questo si definisce:
– Corpo nero, un corpo che assorbe tutte le radiazioni che lo
colpiscono; è puramente teorico.
– Corpo grigio, un corpo che riflette una certa quantità di energia
incidente; situazione reale.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 11
Scambio termico per irraggiamento (2a)
Il calcolo del calore scambiato per irraggiamento è molto complesso, in via
teorica è proporzionale alla differenza delle quarte potenze delle temperature
dei corpi coinvolti:
Q = Ce F [ (T1/100)4 - (T2/100)4]
– Ce = e C
– e = coefficiente riduttivo che tiene conto dell’effetto di corpo grigio
– C = costante di Stefann Boltzmann e vale 4,96 kcal/(m2hK4)
Tale contributo
trascurabile.
ha
importanza
alle
alte
temperature
diversamente
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
è
Slide 12
La configurazione della caldaia in relazione
all’assorbimento del calore
Nelle caldaie a recupero a valle dei forni inceneritori, sono presenti tutti i
fenomeni di scambio in precedenza descritti.
La conformazione della caldaia deriva dall’applicazione dei processi di
scambio termico tra i fluidi nelle varie sezioni, adottando opportune soluzioni
che consentono di proteggere le superfici metalliche dall’aggressione acida
dei fumi, da erosioni e surriscaldamenti.
Tutte le caldaie sono realizzate in due distinte sezioni:
– sezione ad irraggiamento
– sezione convettiva
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 13
La configurazione della caldaia in relazione
all’assorbimento del calore - Irraggiamento
Lo scambio termico per irraggiamento coinvolge le pareti membranate
nella sezione di alta temperatura della caldaia:
• i fumi cedono calore alle pareti membranate che a loro volta sono
raffreddate dall’acqua bollente che le percorre internamente. Per questa
ragione i tubi delle pareti operano in una finestra di temperatura non
critica dal punto di vista della corrosione.
• i fumi così raffreddati entrano nella sezione convettiva della caldaia.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 14
La configurazione della caldaia in relazione
all’assorbimento del calore - Convezione
Lo scambio termico avviene su banchi a tubi verticali o orizzontali, appesi o
appoggiati ed alloggiati in un canale membranato o refrattario che a sua volta
può
essere
verticale
od
orizzontale,
posto
a
valle
della
sezione
d’irraggiamento.
Nelle caldaie più recenti si realizza normalmente un banco evaporatore a
protezione del surriscaldatore per ridurre ulteriormente la temperatura dei
fumi in ingresso alla convettiva (T < 600 °C) poiché il vapore surriscaldato (T
= 380 – 400 °C) non refrigera la parete del tubo in modo efficace quanto
l’acqua bollente (T = 250 – 260 °C).
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 15
La configurazione della caldaia in relazione alla
salvaguardia dei banchi
• La pulizia dei banchi è ottenuta con percussione / vibrazione o mediante la
soffiatura con vapore o aria
• Si impone che la velocità del fumo nei banchi sia inferiore a 6 m/s per
evitare fenomeni di abrasione sui tubi
• Il rapporto passo dimetro dei tubi è ottimizzato per ogni banco al fine di
evitare occlusioni da polvere
•I
canali
verticali
che
ospitano
i
banchi
convettivi
permettono
l’allontanamento delle polveri solo dopo aver attraversato tutti i banchi
sottostanti, mentre quelli orizzontali sfruttano la naturale tendenza della
polvere a depositarsi lungo percorsi orizzontali con conseguente minor
carico sulle sezioni successive
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 16
Problematiche relative alla corrosione su SH, EVA ed
ECO
Esistono diversi meccanismi di corrosione, il principale dei quali è operato
dall’HCl, contenuto in quantità apprezzabili nei fumi di combustione (5001000
mg/Nm3)
in
funzione
della
quantità
di
cloro
presente
nel
combustibile.
E’ dimostrato il ruolo fondamentale nella corrosione dei sali fusi sui tubi.
La gestione dell’impianto deve essere tale da:
• ridurre l’esposizione all’attacco chimico
• impedire che si realizzino le condizioni favorevoli alla corrosione
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 17
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 18
Diagramma di stato trivalente di ZnCl2, KCl e PbCl2
e loro Temperatura di fusione
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 19
Bilancio energetico della caldaia
In regime stazionario possiamo scrivere il bilancio energetico come
somma dei flussi energetici entranti ed uscenti dal sistema.
Analogamente il bilancio di massa come sommatoria dei flussi di massa
entranti ed uscenti dal sistema.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 20
Schema di flusso
A R IA C OM B .
A U SILIA R IO
C OM B U ST IB ILE
A U SILIA R IO
P5 (bar a)
T5 (°C)
m 5 (kg/h)
H5 (kJ/kg)
Combustibile ausiliario
P4 (bar a)
T4 (°C)
m 4 (kg/h)
H4 (kJ/kg)
R IC IR C OLO F U M I
Aria di combust.comb.aux
P8 (bar a)
T8 (°C)
m 8 (kg/h)
H8 (kJ/kg)
Fumi al generatore di vapore
P11 (bar a)
T3 (°C)
m 3 (kg/h)
H3 (kJ/kg)
Rifiuto solido
R SU
P15 (bar a)
T15 (°C)
m 15 (kg/h)
H15 (kJ/kg)
T6 (°C)
m 6 (kg/h)
H6 (kJ/kg)
Fumi di ricircolo
T11 (°C)
m 11 (kg/h) H11 (kJ/kg)
Vapore surriscaldato
F U M I A L GEN ER A T OR E
D I V A POR E
P3 (bar a)
P6 (bar a)
GENERATORE
DI VAPORE
V A POR E
SU R R ISC A LD A T O
Spurgo caldaia
B LOW D OW N
T9 (°C)
m 9 (kg/h)
H9 (kJ/kg)
T10 (°C)
H10 (kJ/kg)
Acqua di alimento
FORNO
INCENERITORE
P9 (bar a)
P10 (bar a)
m 10 (kg/h)
A C QU A D I
A LIM EN T O
A R IA 2
Dissipazioni dalle pareti
A R IA 1
P2 (bar a)
T2 (°C)
m 2 (kg/h)
H2 (kJ/kg)
F U M I A LLA
D EPU R A Z ION E
Aria secondaria
P12 (bar a)
T12 (°C)
m 12 (kg/h)
H12 (kJ/kg)
Fumi alla depurazione
SC OR IE
C EN ER I
P1 (bar a)
T1 (°C)
P7 (bar a)
T7 (°C)
P13 (bar a)
T13 (°C)
P14 (bar a)
T14 (°C)
m 1 (kg/h)
H1 (kJ/kg)
m 7 (kg/h)
H7 (kJ/kg)
m 13 (kg/h)
H13 (kJ/kg)
m 14 (kg/h)
H14 (kJ/kg)
Aria primaria
Scorie dalla combustione
Ceneri leggere
Dissipazioni caldaia
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 21
I flussi di massa ed energetici entranti ed uscenti dalla caldaia
sono associati alle seguenti variabili
Flusso
Indice
Portata Temp Press
Entalpia
Flusso
termico
Kg/s
°C
Bar a
KJ/kg
kW
Fumi entranti
8 - entrante
m8
T8
P8
H8=Cp8 x T8
W8= m8 x H8
Acqua di alimento cld
10 - entrante
m10
T10
P10
H10
W10= m10 x H10
Vapore surriscaldato
11 - uscente
m11
T11
P11
H11
W11= m11 x H11
Fumi uscenti
12 - uscente
m12
T12
P12
H12=Cp12 x T12
W12= m12 x H12
Ceneri scaricate
13 - uscente
m13
T13
P13
H13=Cp13 x T13
Dissipazione caldaia
14 - uscente
-
T14
-
-
W14= aSiTi
Spurgo caldaia
15 - uscente
m15
T15
P15
H15
W15=m15 x H15
W13=m13 x H13
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 22
Equazioni di bilancio
Bilancio energetico
W W
8
Bilancio di massa
15
10
= Wi
i =11
Wi=potenza i-esima
m m
8
10
15
= mi
i =11
mi=massa i-esima
NB osserviamo che il contributo
del termine m14 relativo alle
dissipazioni delle pareti è nullo
in quanto non associato ad un
flusso di massa
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 23
Efficienza della caldaia (1a)
L’efficienza della caldaia è definita come:
energia ceduta all'acqua di caldaia
η=
energia affluentealla caldaia
15
η=
W11 W10
W
8
W W
=
W
8
i =12
i
8
ossia la potenza termica associata ai fumi entranti detratte tutte le perdite,
divisa per la potenza termica associata ai fumi entranti.
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it
Slide 24
Efficienza della caldaia (2a)
Considerando in prima approssimazione nulli i flussi termici relativi alle
ceneri, dissipazioni ed allo spurgo:
15
W = 0
i =13
i
otteniamo che:
W
W
η=
W
8
12
8
ed assumendo che Cp8 Cp12 possiamo scrivere:
T
T
η
T
8
12
cld
8
NB Osserviamo che l’equazione è
grossolana e può essere utilizzata solo
in prima approssimazione
WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA)
[email protected] www.wastetoenergy.it