Pressione, pressione atmosferica e relazione tra le unità di misura.

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

Perché serve.

Come si origina.

Cosa ne determina l'aumento e la diminuzione.

Come si regola.

Come si protegge la caldaia da aumenti anomali.

Come si garantisce la sicurezza contro lo scoppio.

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.

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.

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.

Bruciatore monostadio.

La pressione viene mantenuta nel range previsto dal pressostato di regolazione. Il pressostato di regolazione spegne il bruciatore al raggiungimento della pressione alla quale è tarato e lo riaccende quando la pressione è scesa del differenziale impostato.

E' un sistema on-off.

Esempio: Pbollo 12 bar, bruciatore off a 11 bar ed on a 8 bar.

Questa soluzione causa variazioni di pressione (spesso sgradite) in caldaia e nella rete. 

Di seguito due tipiche soluzioni che migliorano la situazione.

Il bruciatore bi-stadio

Se il bruciatore è leggermente più raffinato di un "on-off", è del tipo a due stadi, (fiamma commutabile tra due valori di potenza), ed in questo caso ci vuole un pressostato aggiuntivo, spesso chiamato "Pressostato II° fiamma", tarato ad un valore intermedio tra la pressione di accensione e quella di spegnimento, che riduca la potenza di fiamma al superamento della soglia impostata e la aumenti se la pressione scende al di sotto di essa. Lo scopo del bruciatore bi-stadio è quello di adattare la potenza alla producibilità, riducendo le variazioni di pressione ed il numero di accensioni e spegnimenti. (usura e perdita di energia nel lavaggio). Il bruciatore bi-stadio si trova più frequentemente su impianti di piccola e media potenza a gasolio.

Il bruciatore modulante

Soluzione più raffinata del bi-stadio, tipicamente adottata sui bruciatori a gas, è quella del bruciatore modulante. Esso ha la possibilità di variare la potenza in modo continuo in un certo range, tipicamente dal 30 al 100 %, o, a volte, addirittura dal 10 al 100 %. Per consentire di modulare la potenza serve però un trasduttore che fornisca un segnale variabile in base alla pressione presente in caldaia. La soluzione sempre più frequentemente adottata è quella di un trasduttore associato ad un PLC che consente di impostare il range di accensione e spegnimento e la modulazione, sostituendo anche il pressostato di regolazione. In questo caso la linea manostatica si presenta con tre dispositivi: il manometro, il trasduttore ed il pressostato di blocco. Uno dei segnali industriali più utilizzati per la trasduzione è il 4-20 mA a 10 V. 4 mA significa "sto funzionando ed il valore attuale corrisponde al lo 0% del range impostato"; 20 mA significa che il valore attuale è il 100% del range impostato.

Nei grandi bruciatori a combustibile liquido è possibile un campo di regolazione ampio se il sistema è del tipo a coppa rotante, dove la polverizzazione del combustibile non è vincolata alla sua portata.

La soluzione modulante è senza dubbio la migliore per il mantenimento della pressione in un range ristretto e per la riduzione al minimo delle accensioni.

Una corretta regolazione dell'impianto non dovrebbe superare le 4 accensioni/ora.

In caso di guasto o malfunzionamento del pressostato di regolazione o del sistema trasduttore-PLC, l'eventuale aumento incontrollato della pressione viene fermato dall'intervento del pressostato di blocco (non chiamiamolo "di sicurezza"), che arresta il bruciatore. Il pressostato di blocco è un dispositivo sempre presente sui generatori di vapore e che, in caso di intervento è riarmabile solo manualmente dal caldaista.

Note:

- riarmo manuale, banalmente, significa che l'impianto chiama perché c'è qualcosa che non ha funzionato,

- i dispositivi a riarmo manuale non possono essere riarmati finché persiste il parametro che ne ha determinato l'intervento, 

- i dispositivi definiti di "sicurezza" non possono esercitare la loro azione dipendendo da energia esterna.

Se tutto va male ci sono le valvole di sicurezza.

In caso di malfunzionamenti che portassero la pressione a salire fino al valore di quella di bollo, si aprono le valvole di sicurezza. Esse non sono intercettabili, non dipendono da energia esterna e scaricano vapore, impedendo la salita della pressione, anche se la presa vapore fosse chiusa e se il bruciatore continuasse per un tempo indefinito a funzionare alla massima potenza.

Note:

- ricorda: le valvole di sicurezza non scaricano "pressione", scaricano vapore, impedendo l'ulteriore salita della pressione;

- prove periodiche, taratura ogni 2 anni.

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.

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.

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

Video WIKA scelta e caratteristiche manometri

Video WIKA corretta lettura

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.

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.