Marco Santucci

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Avviamento a freddo di un generatore

Avviamento a freddo di un generatore:
Considerazione sugli allungamenti dovuti alle dilatazioni

di Marco Santucci

Fare operazioni quotidiane, per pratica, non ci permette di considerare quali dinamiche, queste operazioni comportino; si agisce meccanicamente senza valutare come il nostro operato, influisca sui dispositivi a nostra disposizione.

Un esempio interessante si può trovare riflettendo sull’accensione a freddo di un generatore di vapore a grande corpo a tre giri di fumo.

Iniziamo a considerare il disegno strutturale di una macchina di questo tipo.

L’involucro che tiene acqua e vapore in pressione (“fasciame”), è costituito da un cilindro esterno ricavato per calandratura di una serie di lamiere saldate tra di loro.

Questo cilindro è chiuso alle estremità da due piastre forate (“i fondi”), saldate al fasciame; sui fondi c’è un foro di grande dimensione situato al centro in basso, dove viene infilato un tubo di grosso spessore detto “focolaio” (“primo giro di fumi”), al cui interno si effettua la combustione.

Ai lati del “tubo focolaio”, ci sono poi delle forature di diametro minore, nelle quali sono inserite una serie di tubi da fumo di lunghezza adeguata in modo che possano essere saldati (o mandarinati) alle piastre (“secondo giro di fumi”).

Superiormente a destra e a sinistra ci sono delle altre forature dello stesso diametro nelle quali sono inseriti una ulteriore serie di tubi da fumo in modo che si realizzi il “terzo giro di fumi”.

Supponiamo che il nostro ipotetico generatore, abbia a freddo (alla temperatura di 20 °C), dimensioni di mm 2.500 di diametro e di mm 6.000 di lunghezza (m 2,50 per m 6,00) e che lavori a pressioni di esercizio comprese tra 10 e 12 ATE.

Ci siamo mai chiesti come queste dimensioni mutano per effetto delle dilatazioni prodotte dalle temperature raggiunte?

Abbiamo mai sentito parlare di coefficiente di dilatazione lineare?

Ogni materiale metallico ha un proprio coefficiente di dilatazione lineare, cioè su allunga in maniera minore o maggiore rispetto ad un altro in finzione della temperatura raggiunta.
Il ferro (Fe) ha un “Coefficiente di dilatazione lineare” K-1/°C-1= 0,000012 mm/mm

Questo significa che un metro si allunga di 0,012 mm per ogni grado di aumento di temperatura; considerando 500°C di aumento, un metro di ferro per effetto della nuova temperatura è divenuto lungo m 1,006 (mm 1.000 x 0,000012 x 500 + mm 1.000 = mm 1.006,0) cioè si è allungato di 6,0 mm

In formula:
Nella dilatazione lineare, l’allungamento, Δl , di un corpo è direttamente proporzionale alla lunghezza iniziale l1 e all’incremento di temperatura ΔT
Δl = λ l1 ΔT
dove λ è il coefficiente di dilatazione lineare.
Quindi la lunghezza finale l2 sarà: l2 = l1 + Δl cioè l2 = l1 + λ l1 ΔT.

Abbiamo detto di considerare che la nostra ipotetica caldaia abbia una lunghezza alla temperatura ambiente di mm 6.000, questo significa che sia l’involucro esterno (fasciame), sia i fondi , sia il tubo focolaio, sia tutti i tubi da fumo, sia del secondo che del terzo giro, avranno dimensione pari a mm 6.000.

Ragioniamo adesso su quali siano a regime le temperature raggiunte dai vari elementi:

  • Il fasciamo è sottoposto a temperature oscillanti tra 180 °C e 190 °C (temperatura del vapore saturo tra 10 e 12 Ate) che determinano allungamenti pari a (mm 6.000 x 0,000012 x 165 + mm 6.000 = mm 6.011,9)
  • Il “tubo focolaio” è sottoposto, internamente a temperature comprese tra i 1.200 °C  e gli 800 °C , esternamente essendo freddato dall’acqua è sottoposto a temperature prossime ai 300 °C mediamente, quindi, gli compete un allungamento come se fosse sottoposto ad una temperatura di circa 650 °C pari a (mm 6.000 x 0,000012 x 650 + mm 6.000 = mm 6.046,8)
  • I tubi del “II° giro di fumi”, internamente, sono sottoposti al passaggio di fumi con temperature iniziali di 800°C e finali di circa 450 °C; esternamente, essendo freddato dall’acqua è sottoposto invece a temperature prossime ai 200 °C. Questa condizione determina all’allungamento relativo ad una temperatura di circa 425 °C  pari a (mm 6.000 x 0,000012 x 425 + mm 6.000 = mm 6.030,6)
  • I tubi del “III° giro di fumi”, internamente, sono sottoposti al passaggio di fumi con temperature iniziali di 450 °C e finali di circa 250°C; esternamente, essendo freddato dall’acqua è sottoposto invece a temperature prossime ai 200 °C. Questa condizione determina all’allungamento relativo ad una temperatura di circa 255°C pari a (mm 6.000 x 0,000012 x 255 + mm 6.000 = mm 6.018,4).

Cerchiamo di notare come le misure effettuate a freddo siano completamente cambiate.

In effetti i fondi non sarebbero in grado di resistere alla spinta generata dall’allungamento del tubo focolaio se questi non venisse realizzato con uno o più giunti di dilatazione (focolare Nicholson) o meglio in lamiera ondulata (focolare tipo Fox o Morison), ma il suo “non allungarsi troppo” dipende dal fatto che la resistenza esercitata dai fondi fa flettere il giunto di dilatazione (quindi i fondi sopportano una grande pressione).

La considerazione che dobbiamo fare riguarda l’ancoraggio dei fondi; infatti nella condizione di “funzionamento a regime” i fondi non sono tra di loro alla distanza di 6.000,00 mm ma si sono già allungati di circa 12 mm per effetto dell’allungamento subito dal fasciame dove gli stessi sono ancorati.

La condizione di massima criticità si ha quindi alla partenza a freddo o dopo fermo, dove l’accensione del bruciatore determina immediatamente l’allungamento del tubo focolaio di circa 45 mm mentre tutti gli altri tubi sono ancora alla misura posseduta a freddo determinando spinte che mettono a dura prova la membratura del generatore.

Inoltre c’è da considerare che il movimento convezionale non ancora ben avviato non asporta ancora bene le calorie fornite dal bruciatore, questo fa si che gli allungamenti sino repentini e che nel nostro esempio portano le piastre deformarsi immediatamente di circa mm 45.

Cerchiamo di porre grande attenzione alle accensioni a freddo!!!!!

Spesso però durante la giornata assistiamo a frequenti spegnimenti del generatore per il raggiungimento della pressione massima di esercizio. Noi non diamo calcolo allo stress che provochiamo alla struttura metallica in pressione, e non ragioniamo sul fatto che basterebbe abbassare la taratura del minimo al bruciatore.

Lo spegnimento, infatti, in pochi istanti, riporta tutte le parti di cui abbiamo parlato alla temperatura e alla lunghezza del fasciame a caldo (mm 6.011,9 dovuta alla temperatura del vapore saturo).

Il successivo immediato avvio riporta le lamiere, istantaneamente ad allungarsi (mm 6.011,9 fasciame; mm 6.018,4 tubi del III° giro di fumi; mm 6.030,6 tubi del II° giro di fumi; mm 6.045,4 tubo focolaio) per poi riaccorciarsi nuovamente allo spegnimento successivo (mm 6.011,9 fasciame; mm 6.011,9 tubi del III° giro di fumi; mm 6.011,9 tubi del II° giro di fumi; mm 6.011,9 tubo focolaio).

Se abbiamo un generatore a piastre piane questo tipo di condotta non giova certo alla vita del generatore.

fondi convessi

Se, invece, il nostro generatore è costruito in modo migliore, cioè con fondi convessi (piastre curve) lo stress sopportato dai fondi è minore poiché i continui allungamenti sono sopportati da una superficie ampia (tutto il raggio di curvatura) anziché dal solo angolo dove oltretutto è presente la giunzione per saldatura tra il fondi ed il fasciame.

Con la speranza di avervi indotto ad una sana riflessione, Vi anticipo che nel prossimo articolo parleremo del corretto utilizzo della valvola di presa del vapore durante le manovre di partenza e fermo di un generatore.

1 Commento »

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Una Risposta a “Avviamento a freddo di un generatore”

  1. 1

    pietro dice:

    sono un caldaista con patente di secondo grado.tirocinante.senza alcuna esperienza di condurre un generatore di vapore da solo .ho letto gli articoli ,della prima accensione ma non ho capito come fare .Da generatore freddo a portarlo a pieno reggime .piu o meno le temperature che bisogna rispettare .E quando tempo ci vuole .Parliamo di un generatore DA 10 \ 12 ATE

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