GENERATORE DI VAPORE (v. caldaia, VIII, p. 365; App. I, p. 342; II, 1, p. 483)
Nel periodo 1950-75 si è avuta una cospicua evoluzione per tutte le categorie di g. di v., sia quelle degl'impianti terrestri e sia quelle delle installazioni navali. Gli sviluppi inerenti sono stati caratterizzati da vistosi aumenti delle potenzialità unitarie e dalla progressiva adozione di pressioni e di temperature più elevate pel vapor d'acqua, nei g. di grande e media potenzialità, da una riduzione delle dimensioni d'ingombro e dall'introduzione, pei g. di minore potenzialità, di costruzioni denominate packages (trasportabili); inoltre, da un predominante impiego di combustibili liquidi e gassosi.
Nel campo dei g. di v. di grande potenzialità (sin oltre 2 milioni di kg/h di vapore), quali richiesti dalle centrali termoelettriche (e, in misura minore, dalle centrali termiche di grandì stabilimenti industriali) le categorie odiernamente impiegate sono le seguenti:
a) a circolazione combinata e con camera di combustione pressurizzata, sviluppata in particolare per l'impiego di combustibili liquidi e gassosi e per funzionamento a pressioni ipercritiche (superiori a 226 bar pel vapore) e con temperature di surriscaldamento e risurriscaldamento di 540 °C. In questi g., a un attraversamento meccanico del fluido operativo (once-through system, secondo terminologia statunitense) si accompagna una ricircolazione meccanica mediante pompa nei sistemi tubolari delle pareti della camera di combustione. Questa soluzione ha costituito un perfezionamento rispetto alle due precedenti: a circolazione controllata e a circolazione forzata (attraversamento meccanico). La fig. 1 fornisce una rappresentazione schematica dei tre sistemi e ne evidenzia i componenti essenziali: collettore di miscelazione a, pompa di circolazione b (sono due, di cui una di riserva), sistema tubolare delle pareti della camera di combustione c e condotte di collegamento. La circolazione combinata consente un accrescimento della portata di fluido e, quindi, della velocità di flusso nei sistemi tubolari predetti (fig. 2) e questo effetto è molto efficace nel periodo di avviamento del g. e a carichi sino a circa il 60% di quello massimo continuo. La portata di fluido ricircolato viene regolata automaticamente a mezzo della pompa, nel senso che viene ridotta progressivamente fintantoché la prevalenza sviluppata dalla pompa viene a uguagliare la prevalenza resistente, e cioè la somma delle perdite di carico lungo il circuito, con cospicui benefici per quanto concerne i consumi specifici di combustibile. A partire da detta condizione, il funzionamento del g. diviene simile a quello classico dei g. ad attraversamento meccanico e la pompa centrifuga di ricircolazione può venire arrestata. L'adozione di camere di combustione pressurizzate, funzionanti in sovrapressione rispetto alla pressione atmosferica, presenta diversi vantaggi:1) l'eliminazione di infiltrazioni dall'esterno, 2) una migliore regolabilità del processo di combustione e l'adozione di un valore ottimale per l'eccesso d'aria rispetto alla dosatura stechiometrica pei vari combustibili, 3) un più rapido abbassamento della temperatura dei fumi lungo il percorso in camera di combustione, 4) la soppressione di elettroaspiratori dei fumi alla base del camino, 5) un risparmio pei materiali richiesti dal g. in dipendenza delle minori aree di flusso occorrenti. Per contro, essa comporta l'onere di un maggiore assorbimento di energia da parte dei ventilatori soffianti l'aria comburente e per la fornitura d'aria compressa richiesta per lo sbarramento fluidodinamico in corrispondenza delle portelle e dei bruciatori. La pressurizzazione delle camere di combustione richiede pareti assolutamente stagne, che vengono formate con pannelli tubolari saldati, prefabbricati.
Il sistema di regolazione con circolazione combinata risulta meno oneroso e meno complesso dei vari sistemi di by-passaggio; ideati e impiegati pei g. di v. a semplice attraversamento meccanico, sia se funzionanti a pressioni ipercritiche, sia se a pressioni ipocritiche per il vapor d'acqua. Il minimo carico tecnico è dell'ordine del 5% soltanto rispetto alla portata di vapore richiesta al carico massimo del g. di v. e corrisponde alla portata fluida richiesta per il raffreddamento dei tubi surriscaldatori, come pei g. a circolazione naturale. La fig. 3 mostra in sezione principale i g. di v. della Franco Tosi, a pressione ipercritica, a circolazione combinata e a camera di combustione pressurizzata, alimentanti i turbogruppi da 660 MW ciascuno delle centrali termoelettriche dell'ENEL in corso di attuazione. Le caratteristiche di funzionamento sono: produzione di vapore (a 260 bar e 540 °C) 2.160.000 kg/h; portata di vapore risurriscaldato (a 40 bar e 540 °C) 1.713.000 kg/h; temperatura dell'acqua di alimentazione all'ingresso nell'economizzatore 290 °C. Le dimensioni della camera di combustione sono: larghezza 16,6 m, profondità 13,7 m; volume 8690 m3. La superficie tubolare trasmittente 2770 m2 in camera di combustione e 5000 m2 (complessiva secondo ANCC) per la porzione vaporizzante, 7380 m2 di surriscaldamento, 13.470 m2 di risurriscaldamento, 15.800 m2 di economizzatore e 90.000 m2 dei preriscaldatori d'aria (del sistema Ljungström). Le pompe di circolazione sono a girante centrifuga monostadio e prive di tenuta (glandless), azionate mediante un elettromotore sommerso, posto al disotto del corpo-pompa. Nella fig. 4 sono mostrate le modalità di montaggio dei pannelli tubolari, a, a tubi saldati, costituenti le pareti della camera di combustione. I pannelli tubolari vengono percorsi dal fluido operativo in un solo percorso dal basso verso l'alto. In base agli odierni criteri di ottimizzazione, viene impiegata la costruzione designata "modulare", ossia secondo moduli prefabbricati unificati.
b) a circolazione meccanica controllata e con camera di combustione pressurizzata.
c) ad attraversamento meccanico con by-passaggi del sistema Benson e derivati.
d) unitubolari ad attraversamento meccanico del sistema Sulzer e C.E.-Sulzer (fig. 5).
e) ad attraversamento meccanico del sistema UP (itniversal pressure) della Babcock-Breda-Ansaldo (fig. 6).
I g. di v. a circolazione meccanica controllata o combinata si differenziano da quelli a circolazione naturale essenzialmente per il fatto che il richiesto titolo del vapore all'uscita della porzione evaporante del g. viene ottenuto e mantenuto mediante l'inserzione nel circuito operativo di pompe di circolazione, ad asse verticale, situate esternamente al generatore. Ne deriva la possibilità d'impiego di tubi evaporatori di minore diametro, corredati di adatti stabilizzatori del flusso, i quali consentono di ridurre considerevolmente il valore del rapporto di circolazione. Questo rapporto indica il numero di volte che l'acqua deve percorrere i circuiti vaporizzanti prima di riuscire a evaporare interamente. Viene definito mediante il rapporto fra la portata massica dell'acqua di alimentazione e quella del vapore generatovi nell'unità di tempo.
L'aria comburente perviene ai cassonetti dei diversi bruciatori del combustibile dai preriscaldatori dell'aria, che sono, in generale, apparecchi a rigenerazione del calore dei sistemi Ljungström (fig. 7) oppure Rothemühle, situati al termine del percorso dei fumi nel g. prima dell'erogazione al camino. Ai carichi ridotti, viene effettuata una ricircolazione dei fumi nella camera di combustione; ricircolazione parziale, attuata mediante adatti ventilatori di ricircolazione.
L'apparecchiatura di combustione comprende, oltre all'impianto di preparazione e adduzione del combustibile al g., bruciatori per almeno due diversi combustibili (prescrizione delle norme vigenti): gas naturale e olio combustibile oppure carbone e olio combustibile o gas naturale e carbone, e un adeguato numero di bruciatori-pilota. In qualche impianto sono predisposti bruciatori per tutte e tre le categorie di combustibili e, in generale vengono situati in alto i bruciatori del carbone, in posizione intermedia quelli dell'olio combustibile e in basso i bruciatori del gas naturale e quelli di accensione. Nella versione detta "a combustione tangenziale", i bruciatori sono dislocati in file verticali ai quattro spigoli della camera di combustione, in maniera da determinarvi la formazione di un vortice elicoidale di fiamma (fig. 8), che assicura l'energia di accensione e la continuità della reazione di combustione. Un dispositivo di controllo automatico, comprendente un rivelatore di fiamma a fotocellule, combinato con un misuratore del dosaggio combustibile-comburente, opera secondo prestabilite sequenze di manovra, attua l'accensione di una torcia-pilota in fase di accensione o il lavaggio dei bruciatori e dell'ambiente della camera di combustione dopo qualsiasi blocco; accorgimenti tutti, tendenti a evitare l'eventuale formarsi di miscele detonabili. Questo dispositivo automatizzato assolve inoltre il compito di ottimizzare il processo di combustione in qualsiasi condizione di funzionamento del generatore, adeguandone i diversi parametri: pressioni dell'aria e del combustibile ai bruciatori, velocità di flusso e caratteristiche termodinamiche del vortice di fiamma (fig. 8). In generale, è formato con una combinazione di dispositivi a elementi allo stato solido con dispositivi a relé elettromagnetico al fine di ottenere la maggiore affidabilità possibile.
Nei g. di v. ad attraversamento meccanico, i vari circuiti tubolari relativi all'economizzatore, all'evaporatore, e ai surriscaldatori e risurriscaldatori sono attraversati dalla stessa portata fluida sicché è puramente convenzionale la suddivisione, venendo a mancare una definita zona di transizione; la sola porzione vaporizzante vi viene a essere interessata alla ricircolazione d'acqua ai carichi ridotti. Nei g. di v. a circolazione naturale o controllata, mediante il dosaggio della quantità d'acqua ricircolata, si ottiene il mantenimento nella porzione vaporizzante dell'ebollizione a nuclei, mentre in quelli ad attraversamento meccanico v'è il pericolo della transizione all'ebollizione filmicolare, sicché si è resa necessaria l'adozione di tubi rigati (i ribbed tubes nei g. UP) aventi un rilievo elicoidale continuo sulla parete tubolare interna, coi quali si riesce a spostare la zona di transizione predetta verso valori molto elevati per il titolo del vapore. Nei g. UP la portata minima d'acqua nella porzione evaporante, esposta a radiazione nella camera di combustione, viene limitata a circa un terzo e vi si fa ricorso a vari sistemi di circolazione e by-passaggio; in particolare, a uno speciale by-passaggio per le operazioni di avviamento. I tubi adottati sono di piccolo diametro e vengono percorsi da correnti fluide a percorsi ascendenti; il riequilibramento delle caratteristiche operative viene conseguito situando a diversi livelli degli adeguati miscelatori. Un altro accorgimento, derivato da una soluzione Benson, consiste nell'adozione di tubi risalenti la camera di combustione secondo percorsi a spirale. Per la regolazione delle temperature del vapore surriscaldato e risurriscaldato ci si avvale della ricircolazione dei fumi. I bruciatori del combustibile sono posti sulla parete frontale e su quella posteriore della camera di combustione, che è pressurizzata. Si passa da un valore di 770 ÷ 800 mm di colonna d'acqua, alla mandata dei ventilatori soffianti, a valori dell'ordine dei 150 ÷ 200 mm nei condotti di raccordo al camino.
Nella fig. 9 sono raffigurate le varie dislocazioni adottabili pei bruciatori in g. di media e grande potenzialità e pei diversi sistemi di combustione in uso. Notevole è stato lo sviluppo recente e il perfezionamento dei bruciatori delle diverse categorie. Il diagramma in fig. 10 evidenzia gli andamenti degli assorbimenti parietali di calore nelle varie zone della camera di combustione con la dislocazione dei bruciatori su due pareti contrapposte della camera di combustione; bruciatori detti "a turbolenza".
Nel campo dei g. di v. con impianto di combustione a carbone, alle soluzioni tradizionali a polverizzato, per le medie e grandi potenzialità, e su griglia, per le potenzialità minori, si sono aggiunte alcune soluzioni nuove; le soluzioni tradizionali a carbone polverizzato comportano mulini di macinazione in polvere del carbone di varie categorie; la fig. 11 mostra il tipo di mulino Tosi-Raymond molto impiegato in centrali termoelettriche italiane. Una soluzione recente, dovuta alla Babcock-Wilcox comporta invece l'adozione di focolari-ciclone (fig. 12) nei quali il carbone, in ispecie il tout-venant di miniera, viene sminuzzato anziché polverizzato; questi focolari hanno raggiunto dimensioni cospicue (∅ = 4,57 m) e potenzialità tali (sino a 28.000 kg/h) da poter venire impiegati anche per g. di v. di grande potenzialità, come, per es., nel g. di v. germanico della Babcock-Buchau-Wolf, avente una produzione di 277 kg/sec di vapore (1000 t/h) nel quale vengono bruciate 470 t/h di lignite del potere calorifico di 1500 kcal/kg mediante otto focolari-ciclone disposti, due a due, in corrispondenza delle 4 pareti laterali della camera di combustione.
Un'altra soluzione, in fase di esperimentazione in impianti pilota statunitensi, è quella della combustione su letti fluidificati di carboni di qualità scadenti e con elevato contenuto di zolfo. Essa comporta l'installazione in serie di tre apparecchi: un essicatore del carbone un devolatilizzatore-desolforatore e un gassificatore-combustore, tutti a letto fluidificato. In fig. 13 è raffigurato schematicamente un miniimpianto di sigla FBCR, eseguito dalla Westinghouse su incarico dell'Environmental Protection Agency (EPA) statunitense, formato soltanto da un combustore e da un rigeneratore, ambedue a letto fluidificato, con trasferimento continuo di CaO e CaSO4 fra combustore e rigeneratore. Al letto fluidificato vengono addotti cospicui quantitativi di granuli di calcare insieme con il carbone, sicché viene considerevolmente accresciuto il quantitativo di residui solidi della combustione rispetto ai procedimenti tradizionali. I dati tecnici principali di questo impianto pilota sono: diametro interno del combustore 318 mm, del rigeneratore 127 mm; diametro esterno del combustore 610 mm, del rigeneratore 456 mm; l'altezza del combustore 8,55 m, del rigeneratore 5,80 m; la pressione nel combustore è di 1 MN/m2 e le velocità del letto fluidificato sono di 3 m/sec nel combustore e di 1,50 m/sec nel rigeneratore. Il funzionamento del letto fluidificato a una pressione di 1 MN/m2 richiede l'installazione di un impianto ausiliario per la compressione occorrente. Piccoli quantitativi di solfato di calcio si trasferiscono in continuazione dal letto fluido del combustore a quello del rigeneratore, ove ha luogo la rimozione dello zolfo mediante un gas riducente. Il sottoprodotto è una corrente gassosa a elevato contenuto di biossido di zolfo, utilizzabile successivamente.
La superficie trasmittente del g. di v. può venire allogata in corrispondenza del letto fluidificato del combustore; nella fig. 14 è indicata una raffigurazione schematica del progetto di massima di un impianto previsto dall'ESSO Forschungszentrum e dalla EXXON Research & Engineering Co, Linden, Rep. Fed. di Germania.
La combustione dei carboni e anche quella degli oli combustibili richiede l'installazione nei g. di v. di un adeguato numero di soffiatori delle fuliggini. In fig. 15 è illustrato un tipo recente, retrattile e rotativo della Franco Tosi, costruito su licenza della Copes-Vulcan Inc.
L'evoluzione dei g. di v. verso pressioni del vapore via via più elevate per le varie categorie (per la generazione di energia elettrica si tratta odiernamente di pressioni ipercritiche) e collegati aumenti per le temperature, ha posto problemi cospicui pei materiali costruttivi sia in campo metallurgico sia sul piano tecnologico, e ha richiesto la progettazione e l'attuazione di grandi e potenti macchine utensili per la fabbricazione, come, per es., le macchine curvatrici e piegatrici dei pannelli tubolari e le macchine saldatrici automatiche per l'assemblaggio delle pareti a membrana dei g. di vapore.
Gli odierni g. di v. di media e grande potenzialità per impianti fissi vengono sostenuti mediante robuste strutture metalliche, le quali vengono protette dagli agenti atmosferici sempre con un tetto e, ove le condizioni climatiche lo consigliano, anche con pannellature laterali.
Per tutti i g. di v., in ispecie per quelli di maggiore potenzialità, è indispensabile un'accurata preparazione (demineralizzazione oppure una depurazione spinta) dell'acqua di alimentazione.
Per g. di v. di potenzialità sin verso i 100 kg/sec (360 t/h) è divenuta usuale la fabbricazione e l'assemblaggio completamente in officina (costruzioni designate packages dalle ditte costruttrici) e, quindi, la spedizione al sito d'installazione con speciali automezzi o per via ferroviaria o marittima.
Con l'avvento e la prevedibile crescente diffusione degl'impianti nucleotermoelettrici per generazione di elettricità, corredati di reattore nucleare ad acqua pressurizzata (sigla PWR, da Pressurized Water Reactor) ovvero di reattore nucleare ad acqua in ebollizione (sigla BWR, Boiling Water Reactor) si sono dovuti e si dovranno via via ideare e perfezionare tipi affidabili di g. di v. per queste e per altre specie di impianti nucleotermoelettrici operanti a ciclo indiretto (impianti con reattori ad acqua pesante, con reattori gas-grafite e altri). Persino i sistemi per reattori nucleari più progrediti, attualmente allo stato di esperimentazione su prototipo, sono un campo di potenziale applicazione futura pei g. di v. nucleari, i quali differiscono gli uni dagli altri in dipendenza delle caratteristiche dei diversi fluidi circolanti nel circuito primario e per svariate modalità adottabili pel sistema tubolare. Dal punto di vista operativo essi differiscono fra loro per la qualità del vapore in essi generabile; quelli impieganti fasci tubolari a V e con circolazione interna e separatori di umidità incorporati, generano vapor d'acqua umido con un contenuto di umidità dell'ordine di 0,25%, mentre i g. con sistemi tubolari verticali rettilinei, ad attraversamento meccanico, producono vapore d'acqua surriscaldato.
La grande importanza tecnico-costruttiva ed economica di un funzionamento di migliore affidabilità pei g. di v. in considerazione al fine di conseguire una maggiore utilizzazione industriale delle centrali nucleotermoelettriche (il fattore annuale di utilizzazione è attualmente considerevolmente inferiore a quello delle centrali termoelettriche impieganti i combustibili termochimici tradizionali) impone la ricerca di sostanziali perfezionamenti, avvalendosi dei risultati d'esercizio sinora raccolti e che si riferiscono, però, a poche decine d'impianti.
Il grado di surriscaldamento del vapore ottenibile dipende dal valore della portata in essi fluente; nei tipi e modelli più recenti di g. di v., formati con un fascio di tubi rettilinei verticali e ad attraversamento meccanico, il riscaldamento dell'acqua di alimentazione è ottenuto direttamente per scambio di calore con la corrente refrigerante primaria del reattore nucleare, nelle regioni più vicine alla zona di uscita e, quindi, con una più elevata utilizzazione delle superfici trasmittenti. Il vapore, generato nella porzione inferiore del fascio tubiero, risulta surriscaldato nella porzione terminale superiore dell'apparecchio.
Nei g. di v. adottanti tubi a U e operanti a circolazione naturale, la porzione evaporante viene attraversata dalla corrente di fluido refrigerante del nocciolo del reattore nucleare (della categoria PWR o di quella BWR); l'acqua di alimentazione entra nella sommità del fascio tubolare a U, fluendo attraverso un ugello collegato a un distributore circolare, indi si mescola con l'acqua di ricircolazione e fluisce verso il basso dell'apparecchio nell'intercapedine anulare fra l'involucro esterno del g. e il casing-tubolare, lambisce poi il fascio tubolare rifluendo verso la porzione superiore del generatore. La miscela bifase acqua-vapore vi raggiunge i separatori di umidità, che sono a due stadi. Il primo di essi è del tipo a ciclone e vi si effettua la separazione delle gocce più grandi; il secondo è a lamierini corrugati, nel quale il grado di umidità viene abbassato allo 0,25%. Le casse d'introduzione e di uscita dell'acqua sono separate mediante una parete divisoria e sono entrambe accessibili mediante aperture a passo d'uomo. Portelle d'ispezione sono sistemate sopra la piastra tubiera e in quella zona del g. è situato anche lo spurgo. Nelle esecuzioni più recenti di questi g. esiste una zona di riscaldamento dell'acqua di alimentazione, che delimita la regione inferiore del fascio tubolare, lato uscita, consentendo una migliore utilizzazione delle superfici di scambio termico. Le caratteristiche operative di un g. di v. del sistema PWR da 886 MW termici sono le seguenti. Per il circuito primario: temperatura d'ingresso 321 °C; temperatura d'uscita 284 °C, pressione d'esercizio 158 bar; portata fluida 4,25 t/sec. Per il circuito secondario: temperatura d'ingresso del vapore 260 °C; pressione d'esercizio 55 bar; portata fluida 482 kg/sec. Per il fascio tubolare: superficie di scambio termico 4785 m2; numero dei tubi 3388; diametro dei tubi 22,2 mm; spessore dei tubi 1,2 mm; materiale dei tubi Inconel 600. Per l'involucro esterno del g.: diametro nell'area dell'evaporatore 3,44 m; nell'area del separatore d'umidità 4,47 m; altezza 20,7 m; peso complessivo 320 t, materiale acciaio al carbonio.
Il grado di surriscaldamento del vapore ottenibile nei g. ad attraversamento meccanico dipende dal valore della portata di vapore; il vapore vi viene convogliato nello spazio anulare fra il fascio tubolare e l'involucro esterno verso la porzione inferiore dell'apparecchio e viene erogato attraverso ugelli posti sopra quelli d'ingresso dell'acqua di alimentazione, la quale deve avere un elevato grado di purezza. A differenza dei generatori a circolazione naturale, essi non richiedono uno spurgo continuo per mancanza di circolazione. I depositi eventuali sulle superfici tubolari di scambio termico debbono venire periodicamente allontanati mediante pulizie con acidi.
Per g. di v. di potenza equivalente a 500 MW elettrici, il fascio tubolare è formato con circa 15.000 tubi da 5/8′′ e allogato in un involucro estemo del diametro di 3,50 m e di altezza di oltre 20 m; i tubi sono stati, nelle esecuzioni passate, di acciaio inossidabile austenitico di sigla 304 o 306 pei g. di v. degl'impianti nucleotermoelettrici PWR, di leghe di rame (monel e altre) per quelli degl'impianti BWR e per quelli degl'impianti nucleotermoelettrici con reattori ad acqua pesante del sistema CANDU (reattori canadesi). Nella seconda generazione degl'impianti nucleotermoelettrici, prevale l'adozione di tubi di Inconel 600 e persino Inconel 800, che offrono più elevata capacità resistente alla corrosione.
Qualsiasi operazione d'ispezione interna o di riparazione è subordinata a un preventivo abbassamento del livello di radiazione.
L'affermazione dei sistemi di combustione dell'olio combustibile e del gas naturale, anche in camere di combustione cilindriche pressurizzate, e l'ideazione e l'impiego di perfezionate e complete apparecchiature di controllo e regolazione automatica o semiautomatica del processo di combustione, hanno consentito, in epoca relativamente recente, di spingere i carichi termici specifici nei tubi-forno dei moderni g. di v. a tubi di fumo adoperati nel campo delle potenzialità sino a circa 8 t/h di vapore e per pressioni del vapore sino a 12 bar, sino a valori di 1,5 milioni di kcal/m3h e le produzioni specifiche di vapore sino a 30 e più kg/m2h. Essi, nelle versioni packages, allestiti e provati prima di lasciare le oflicine costruttrici, vengono, per motivi di convenienza economica, spesso prescelti in impianti di modesta potenzialità, specialmente nel campo degl'impianti di riscaldamento urbano. La fig. 16 mostra alcuni fra i tracciati tubolari più adoperati. Vedi tav. f. t.
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