VAPORE

VAPORE (XXXLV, p. 981; App. I, p. 1107)

Le motrici. - Per piccoli impianti a vapore le motrici alternative a stantuffi sono tuttora più vantaggiose delle turbine o motrici rotative. Se il funzionamento è a condensazione, ossia se il vapore si scarica dalla motrice in un condensatore (apparecchio mantenuto meccanicamente in depressione durante il funzionamento), l'utilizzazione termica del vapore è piuttosto bassa; viceversa coi funzionamenti a recupero termico essa è soddisfacente. Ad esempio, per una motrice da 200 kW, alimentata con vapore a 13 ata (atm. ass.) e a 325° C funzionante a condensazione il 59% della quantità di calore disponibile nel vapore all'introduzione in motrice viene portato via col vapore che si scarica al condensatore e perduto agli effetti dell'utilizzazione industriale ed un altro 5% circa viene consumato per perdite varie, per cui, se la generazione del vapore ha luogo con un rendimento dell'80%, il coefficiente di rendimento termico dell'impianto è appena del 16%. Se, invece, la motrice funziona a recupero termico totale, ossia se essa eroga il vapore in una rete di tubazioni ed apparecchi di riscaldamento industriale, il coefficiente di rendimento termico dell'impianto può salire al 70 ÷ 75% (fra calore utilizzato industrialmente e lavoro motore sviluppato dalla motrice). La maggiore o minore convenienza industriale degl'impianti a recupero con motrici alternative dipende dall'adeguata scelta delle pressioni e temperature iniziali e delle pressioni alle quali si scarica il vapore nella rete anzidetta (dal diagramma in fig. 1 si rileva che sono vantaggiose pressioni di scarico - contropressioni - non inferiori alle 2 o 3 ata).

Quando il funzionamento è a condensazione, è necessario che la motrice abbia bassi consumi specifici di vapore, mentre se essa realizza medî recuperi termici sono accettabili anche consumi specifici più alti; passando al funzionamento a recupero termico totale scema l'interesse del consumo specifico della motrice, in quanto i consumi termici dell'impianto rimangono sensibilmente costanti per una estesa gamma di valori dei consumi di vapore della motrice. Mentre, adunque, per le motrici funzionanti a condensazione è opportuno adottare valori per la pressione e per la temperatura iniziale del vapore, che, unitamente ad altri accorgimenti di progettazione, consentano di conseguire elevati coefficienti di rendimento, per quelle funzionanti a recupero termico totale qualsiasi motrice risponde bene allo scopo. Ne segue che per gl'impianti a recupero termico totale le motrici alternative sono da preferire alle turbine per potenzialità sino ai 500 kW, pur considerato il maggior prezzo di costo; infatti, passando da 750 a 70 kW con la potenza sviluppata il consumo specifico di vapore di una motrice alternativa odierna aumenta appena del 10 ÷ 12%, mentre per le turbine l'aumento di consumo è notevolmente maggiore. Effettuando un confronto economico-industriale si devono valutare però, oltre alle differenze di costo delle macchine, quelle delle rimanenti parti dell'impianto e tener conto anche dei costi d'esercizio. Le motrici alternative utilizzano bene il vapore nel campo delle alte e medie pressioni, meno bene in quello delle basse pressioni; esse hanno altresì una maggiore elasticità funzionale, sia rispetto alle variazioni della pressione nella rete di riscaldamento industriale, sia per ciò che riguarda le variazioni del carico.

Interessanti sono le soluzioni recenti, colle quali si predispone l'impianto in maniera che nel periodo estivo si fanno lavorare le motrici a condensazione, mentre in periodo invernale esse lavorano a recupero termico ai fini del riscaldamento. Per le motrici funzionanti a condensazione è da preferire l'adozione della duplice o triplice espansione, per quelle funzionanti a recupero totale la soluzione monocilindrica, preferenzialmente equicorrente, oppure a due cilindri ad espansione semplice, disposti in parallelo.

È vantaggioso un recupero del 40% se la contropressione è di i ata, del 50% se essa è di 2 ata e del 60% se di 3 ata. Per motrici di potenza inferiore ai 40 kW è consigliabile l'impiego di vapore umido a bassa pressione, perché è opportuno che esse siano macchine economiche, di costruzione e condotta molto semplice. La velocità di rotazione più adatta per queste macchine è dell'ordine dei 500 giri al minuto, mentre per le motrici con potenze dai 50 ai 750 kW, con pressioni iniziali del vapore dalle 12 alle 20 ata e con contropressioni da 1 a 5 ata, convengono dai 750 ai 1000 giri al minuto e l'adozione della disposizione verticale pei cilindri, sia se le macchine sono a cilindri gemelli, sia se esse sono composite (ad espansione frazionata pel vapore). Con le elevate velocità di rotazione sono da preferire le distribuzioni a cassetto oppure l'impiego di valvole a fungo e piattello, di profilazione e forma analoga a quelle in uso pei motori a combustione interna. All'uopo sono stati ideati ed esperimentati nuovi meccanismi di distribuzione a comando fluodinamico (sistemi Mattern, Proell, ecc.).

Per le motrici funzionanti con vapore molto surriscaldato si spalmano le superfici delle pareti dei cilindri di alta pressione con cera d'ape e con fiocchi di grafite colloidale al posto d'olio lubrificante, n0n adatto per le alte temperature, e s'impiegano stantuffi con tenute a labirinto.

Le iniziative ed innovazioni più recenti hanno teso all'aumento della velocità di rotazione delle motrici altemative a stantuffo ed anche delle velocità medie degli stantuffi e all'adozione di strutture più compatte e racchiuse, curando più abbondanti ed intensificati ricambî per l'olio di lubrificazione dei supporti e dei cuscinetti, delle varie articolazioni (lubrificazione meccanica a pressione adeguata ed impiego di refrigeratori dell'olio ampiamente proporzionati) Ai perfezionamenti costruttivi e di progetto, apportati ai dispositivi dì distribuzione, onde ridurre le perdite per laminazione del vapore all'introduzione nei cilindri, si sono aggiunte migliorie pei dispositivi automatici di scarico del vapore, tendenti ad eliminare le perdite dovute a cappi dei diagrammi di indicatore ai carichi ridotti. Si è cercato di ridurre anche le perdite per irradiazione e conduzione del calore verso l'esterno e di introdurre profili pei condotti di introduzione e di scarico del vapore più vantaggiosi dal punto di vista termofluodinamico. Sono stati ideati disoleatori molto efficaci pel vapore estratto ed inviato alla rete d'utilizzazione industriale per operarvi entro scambiatori di calore e venire successivamente ricuperato in forma di condensato, da rimandare all'alimentazione. Anche nel campo dei regolatori delle pressioni per le motrici a recupero termico, notevoli sono stati i perfezionamenti, al fine di accrescerne la sensibilità.

La condensazione. - Le innovazioni più salienti, intervenute pei condensatori di vapore a superficie, sono state le seguenti: 1) miglioramenti del tracciato tubolare ossia della dislocazione dei tubi in banchi, così distribuiti da mettere le diverse zone del condensatore in condizioni funzionali poco diverse per la trasmissione del calore e da rendere quanto minore è possibile la caduta pneumatica lungo l'apparecchio (cfr. fig. 3 b' che fornisce la caduta pneumatica in funzione dei valori della cifra di condensazione specifica, ossia del peso di vapore che viene condensato per unità di superficie, per unità di tempo), formando, inoltre, con piccole porzioni del sistema tubolare, uno o più raffreddatori e devaporizzatori dell'aria, adeguatamente schermati; 2) la mandrinatura dei tubi ad entrambe le estremità con eliminazione delle scatole di tenuta su di un lato; 3) l'adozione pei tubi di materiali costruttivi più teneri e più resistenti alle corrosioni (leghe rame-nichel, leghe alluminio-bronzo, leghe stagno-alluminio); l'impiego di piastre tubiere di metallo Muntz o di Monel od anche di acciaio con protezioni e trattamenti superficiali contro i fenomeni di corrosione; 4) l'adozione di pompe Kaplan o ad elica, ad asse verticale, per le pompe dell'acqua di circolazione, che sono pompe di grande portata e modesta prevalenza.

Nella maggior parte dei condensatori odierni a tracciato razionale il rapporto fra la pressione del vapore e la somma della pressione parziale del vapore e di quella parziale dell'aria ha valori dell'ordine di 0,97 ÷ 0,98. L'interdipendenza fra i valori del coefficiente di trasmissione totale del calore α ed i valori della velocità dell'acqua condensante nei tubi, del coefficiente C_P (che esprime il grado di pulizia delle pareti tubolari e che varia da 1 per pareti ben pulite sino a 0,5 per pareti ricoperte da depositi ed incrostazioni) e del coefficiente C_M (che pone in rilievo le caratteristiche del materiale tubolare; è 0,98 pei tubi d'ottone con l'1% di stagno; 0,95 pei tubi in leghe rame-nichel e 0,92 pei tubi in leghe bronzo-alluminio) è messa in evidenza col diagramma in fig. 2.

La conoscenza dei valori della pressione statica e di quella dinamica a valle della motrice e l'entità del recupero di pressione statica conseguibile sino all'imbocco del sistema tubolare del condensatore (detto ricupero dipende dalla profilazione del raccordo tubolare fra motrice e condensatore) sono indicazioni basilari pel proporzionamento di un condensatore a superficie. Per l'impostazione del calcolo di proporzionamento e per la progettazione di massima è molto utile il riferimento ai diagrammi della tavola in fig. 3. Essi dànno l'indicazione del vuoto (diagramma a) raggiungibile, della cifra media di condensazione specifica C, (diagramma b, dove C_a indica la velocità dell'acqua condensante), i valori probabili per la differenza delle temperature t_c-t_i (ove t_c = temperatura del condensato e t_i = temperatura d'ingresso dell'acqua condensante) e dipendentemente i valori di t_c e della pressione p_c corrispondente (diagrammi c, c′ e c″), il valore medio della viscosità cinematica dell'acqua condensante (diagramma d), il flusso termico specifico medio q_s, attraverso il sistema tubolare (diagramma e), mentre i diagrammi f e g dànno le indicazioni delle variazioni da apportare ai quantitativi specifici di acqua condensante G_as (chilogrammi di acqua per 1 kg di vapore) al variare del carico dell'impianto. Per la valutazione delle perdite di deflusso nei tubi del condensatore e all'ingresso e all'uscita delle camere d'arrivo e di raccolta (camere d'acqua o d'estremità del condensatore) v. il diagramma della fig. 4.

Prescegliendo pel sistema tubolare un tracciato a rigenerazione della caduta pneumatica (detto perciò tracciato rigenerativo) e, quindi, del corrispondente salto di temperatura, è bene far venire a contatto, nella porzione dell'apparecchio che viene attraversata per ultima e perciò messa a contatto con minori volumi di vapore a minore pressione, il condensato sgocciolante con del vapore, che non ha subìto alcuna caduta pneumatica. In molti di questi condensatori la zona meno calda è quella centrale del condensatore, nella quale si deve quindi provvedere all'estrazione dell'aria (fig. 5), sia allo scopo di ridurre il lavoro di compressione necessario per compiere detta estrazione e sia perché essa venga meglio devaporizzata.

I quantitativi d'aria che devono venire estratti dagli odierni condensatori di vapore a superficie sono, per la condizione di funzionamento dell'impianto che viene messa a base del proporzionamento (carico = 5/4; regime estivo), in peso, da 1/3000 ad 1/4000 del peso di vapore da condensare. Le zone di possibile infiltrazione d'aria sono tre:1) in corrispondenza della flangia di scarico della motrice; 2) in corrispondenza della flangia d'attacco della pompa del condensato; 3) in corrispondenza delle flange di raccordo agli eiettori estrattori dell'aria.

Se gli eiettori sono a vapore, essi consumano da 1/80 ad 1/100, in media, del quantitativo di vapore da condensare ed occorre che siano formati con due elementi, dislocati in serie fra di loro. Se, invece, sono estrattori-eiettori ad acqua, possono essere semplici o, come si usa talvolta in marina, collegati a un refrigeratore dell'aria.

Quando la refrigerazione è ciclica, ossia sono impiegate torri di refrigerazione dell'acqua condensante, si proporzionano dette torri per temperature dell'acqua fredda varianti da 25° a 30° C, mentre l'ampiezza della zona refrigerante (differenza di temperatura fra l'acqua calda e la fredda) varia da 8° a 16° C. Il carico d'acqua sulla superficie di base della torre refrigerante, detto anche altezza di pioggia, varia da 4,5 a 10 mc. per mq. di superficie in pianta.

Fra le più recenti ed importanti esecuzioni di condensatori di vapore a miscela sono da menzionare i condensatori barometrici sistema Franco Tosi per le quattro turbine da 12.000 kW dell'impianto geotermico di Larderello, ove viene utilizzato il vapore naturale di soffioni boraciferi a circa 3 ata. Dato che le turbine sono a scarico bilaterale, la porzione superiore dei condensatori, che sono i più grandi condensatori barometrici sinora costruiti, comprende due camere di condensazione verticali con duplice serie di spruzzatori dell'acqua a cortina ed a getti incrociantisi, e un ampio collettore orizzontale, che sbocca nel tubo barometrico, sormontato da una torretta per la separazione dei gas incondensabili, dell'aria e loro refrigerazione, prima dell'estrazione.

Bibl.: T. Croft, Power Plant Series, New York; id., Steam-Engine-Principles and Practice, 1939; Steam Power Plant Auxiliares and Accessories, 1946; M. Medici, La progettazione delle macchine termiche, I, Padova 1947; id., Le macchine termiche, I, ivi 1947.

Evaporazione (XXXIV, p. 985).

Ha assunto in questi ultimi anni molta importanza l'evaporazione realizzata per termocompressione, applicata soprattutto alla concentrazione di soluzioni o alla preparazione di acqua distillata.

L'evaporazione dell'acqua contenuta in una soluzione viene fatta mediante la compressione del vapore ottenuto dalla soluzione stessa. La compressione adiabatica del vapore fa sì che si elevi la sua temperatura di saturazione: questa deve essere superiore a quella di ebollizione della soluzione, così da essere realizzabile la trasmissione del calore di condensazione attraverso un serpentino immerso nella soluzione stessa. Si ha che l'incremento Δt_k nella temperatura di saturazione che deve subire il vapore durante la compressione, è dato dalla seguente relazione:

dove Δt_s, è la differenza di temperatura esistente tra la soluzione in eboliizione e i vapori che da essa vengono emessi; Δt_n è la differenza di temperatura richiesta per la trasmissione di calore nel serpentino (temp. di condensazione del vapore compresso meno temp. di ebollizione della soluzione). A sua volta, Δt_n è legato alla superficie F del serpentino e alla quantità P in kg di acqua evaporata:

dove r è il calore di evaporazione in kcal/kg dell'acqua e K il coefficiente di trasmissione in kcal/m²•h•°C.

A sua volta, l'energia L richiesta per la compressione del vapore è data da L = a P Δt_k dove a è una costante che deve tener conto anche della condizione in cui si trova il vapore; infatti quanto più bassa sarà la pressione alla quale avviene l'evaporazione, tanto più basso sarà il contenuto termico del vapore rispetto al suo volume specifico; quindi, dovendo evaporare un certo peso di acqua, il lavoro sarà tanto più grande quanto più elevato è il volume specifico del vapore che si libera dalla soluzione.

È per tale ragione che, in generale, la termocompressione non è economicamente conveniente se applicata alla concentrazione sotto vuoto.

Mentre nella evaporazione a multipli effetti si ha una riduzione nel consumo del vapore (e quindi di combustibile) richiesto per la concentrazione, nella termocompressione si ha quasi sempre la sostituzione pressochè integrale dell'energia elettrica al combustibile.

Come criterio di scelta - dal punto di vista economico - si può tener presente questo dato di massima: il risultato ottenuto in un multiplo effetto da 1 kg di carbone viene raggiunto dal consumo in un termocompressore da 1 kWh.

Infatti, con 1 kg di carbone si producono in media 8,5 kg di vapore e con 1 kg di vapore si evaporano in un multiplo effetto 0,85 n kg di acqua, dove n è il numero degli effetti; si ha che 1 kg di carbone in un quadruplo effetto evapora 29 kg di acqua. Con 1 kWh si evaporano da 20 kg di acqua, in soluzioni mediamente evaporabili, a 35 in quelle facilmente evaporabili. Agli effetti della convenienza della termocompressione ci si deve riferire al prezzo dell'energia elettrica; inoltre, dato il sensibile costo delle apparecchiature, il procedimento è da prendere in considerazione quando la potenzialità della evaporazione è superiore a 1000 kg/h circa di acqua.