caldàia

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Lessico

(ant. e dial. caldara), sf. [sec. XIII; latino tardo caldaría, da calídus, caldo].

1) Capace recipiente metallico in cui si fanno bollire liquidi: la caldaia del lavandaio, del tintore.

2) Apparato atto a riscaldare un fluido (acqua, aria ecc.) utilizzando il calore ottenuto dalla combustione di opportuni combustibili o dalla trasformazione di energia, per esempio elettrica o nucleare. Se il fluido riscaldato è un liquido e il calore a esso fornito è tale da provocarne il passaggio allo stato di vapore saturo o surriscaldato la caldaia è detta comunemente generatore di vapore. In ogni caso è costituita sostanzialmente di un primo apparato (focolare, camera di combustione, reattore nucleare ecc.) nel quale viene generato il calore e da un secondo apparato (caldaia vera e propria) costituito in generale da una serie di scambiatori termici che determinano il passaggio del calore dall'apparato termogeno al fluido da riscaldare ed eventualmente da evaporare.

3) Nella fisica dei plasmi, è detta caldaia magnetica un opportuno contenitore sede di un campo magnetico di struttura tale da imbrigliare un plasma in modo che non tocchi le pareti, provocandone così l'immediata fusione. Più propriamente, la caldaia è la regione di spazio in cui il plasma viene contenuto e nella quale si dovrebbero ottenere reazioni termonucleari controllate.

4) In metallurgia, caldaia o secchia di colata, sinonimo di siviera.

Tecnica: generalità

Le caldaie generatrici di aria calda o di altri fluidi diatermici sono costituite in genere da fasci tubolari percorsi dai prodotti della combustione (fumi) o da altro fluido riscaldante e investiti dal fluido diatermico che deve essere riscaldato. Viene così elevata l'entalpia di tale fluido, che può essere utilizzato per esempio a scopo di riscaldamento, generalmente civile. Apparati più complessi a forte prevalenza entalpica (e quindi a temperature e pressione elevate) si impiegano per l'alimentazione di alcuni tipi di turbine a gas. Le caldaie per produzione di acqua calda, per lo più a uso di riscaldamento civile, sono di solito costituite da elementi tubolari in ghisa riuniti in batterie per mezzo di anelli biconici e tiranti a vite; essi vengono disposti lungo le pareti del corpo della caldaia al centro della quale si trova il focolare. Sono anche in uso caldaie a tubi di acciaio cosiddette combinate, cioè atte a due servizi (riscaldamento e produzione di acqua calda a uso domestico). Le caldaie che utilizzano un fluido (generatori di vapore) sono impiegate per usi svariatissimi. Le applicazioni di maggior importanza si hanno però nel campo della produzione di energia elettrica (centrali termoelettriche), nella propulsione navale e, in passato, nella trazione ferroviaria. In Italia i generatori di vapore sono per legge soggetti alle norme dell'Associazione Nazionale Controllo Combustione, che ne disciplina la costruzione e la dotazione di apparecchi di sicurezza, nonché l'esercizio e la sorveglianza. In questi apparati il liquido (generalmente acqua) passa allo stato di vapore, eventualmente surriscaldato, assorbendo calore attraverso tre successivi scambiatori che costituiscono gli elementi fondamentali della caldaia: l'economizzatore o preriscaldatore dell'acqua di alimentazione, l'evaporatore e il surriscaldatore (quando esiste). Le relative funzioni si possono seguire su un diagramma pressione-volume specifico o temperatura-entropia relativi al fluido in esame "Vedi diagramma vol. V, pag. 199" . "Per il diagramma vedi il lemma del 4° volume." Nell'economizzatore l'acqua, mandata dalla pompa di alimentazione, si riscalda seguendo all'incirca la curva limite inferiore, nell'evaporatore avviene il cambiamento di stato a pressione e temperatura costanti, nel surriscaldatore il vapore viene portato con un processo isobaro alle condizioni finali di temperatura. La produzione di calore avviene nella camera di combustione; i combustibili usati possono essere solidi (carbone, spesso sotto forma di polverino), liquidi (nafta) o gassosi. Nelle caldaie più grandi è spesso possibile controllare dall'esterno l'andamento della combustione attraverso apparecchi televisivi collocati nella camera di combustione. Particolare attenzione deve essere prestata al mantenimento nella camera di combustione di una temperatura abbastanza alta, ma non tanto da provocare la fusione delle ceneri volatili che, depositandosi sulle superfici di trasmissione del calore all'acqua o al vapore, renderebbero meno efficace detta trasmissione. Deve essere inoltre assicurata un'attiva circolazione dell'acqua e, nei surriscaldatori, del vapore per ottenere un'efficace refrigerazione delle superfici riscaldate, evitando in tal modo il raggiungimento di valori di temperatura tali da comportare una diminuzione della loro resistenza meccanica. (L'acqua di alimentazione deve essere tanto più addolcita, depurata e degasata quanto più alti sono i valori di pressione e di temperatura del vapore prodotto).

Tecnica: classificazione

Una prima classificazione delle caldaie può essere fatta in base alla loro capacità: si hanno perciò caldaie a grande volume d'acqua, nelle quali il rapporto tra la quantità d'acqua contenuta e la superficie riscaldante è compreso tra 100 e 250 kg/m²; caldaie a medio volume d'acqua, in cui tale rapporto è compreso tra 50 e 100 kg/m²; caldaie a piccolo volume d'acqua, nelle quali il rapporto è inferiore a 50 kg/m². Le caldaie a grande volume d'acqua sono le più antiche; sono lente da mettere in pressione e pericolose in caso di scoppio, ma poco sensibili alle variazioni di carico e quindi facili da condurre. Al contrario le caldaie a piccolo volume d'acqua, avendo una piccola inerzia termica, possono essere messe in pressione rapidamente; sono però più difficili da condurre e richiedono un'accurata sorveglianza del fuoco per adeguarle al carico. In caso di scoppio le conseguenze sono meno disastrose. Dal punto di vista costruttivo si distinguono caldaie a tubi di fumo o di fiamma, nelle quali i prodotti della combustione percorrono dei tubi immersi nell'acqua da riscaldare, e caldaie a tubi d'acqua, in cui i tubi sono percorsi dall'acqua e lambiti esternamente dalle fiamme. Nei riguardi dell'installazione le caldaie si classificano in: caldaie fisse, con condotti del fumo in muratura, per cui la rimozione della caldaia comporta la loro demolizione; semifisse, nelle quali le opere murarie sono limitate alla base di appoggio, mentre i condotti del fumo sono costituiti da tubi metallici e comunque di semplice rimozione; locomobili, cioè montate a bordo di telaio munito di ruote e trascinabili a mano o con motore non alimentato dalla caldaia; per locomotive, montate su sistema rotabile mosso da motore alimentato con vapore della stessa caldaia; caldaie navali. La circolazione dell'acqua può essere naturale a termosifone, o forzata con apposita pompa. Rispetto alla trasmissione del calore tra fumi e acqua si hanno caldaie a convezione e a radiazione: nel secondo tipo i tubi evaporatori schermano parzialmente le pareti del focolare e sono così esposti all'irraggiamento delle fiamme. Inoltre una caldaia può essere a riscaldamento diretto o indiretto a seconda che i fumi trasmettano il calore all'acqua direttamente oppure tramite un fluido intermediario che può essere vapore surriscaldato. Il tiraggio delle caldaie può essere naturale, indotto o forzato. Un cenno particolare meritano le caldaie pressurizzate, cioè con alimentazione dell'aria comburente a moderata pressione, che hanno eccezionali prestazioni: nella camera di combustione si mantiene una pressione di ca. 80 mm d'acqua, potendosi così ottenere uno scambio termico molto efficace. Benché il sistema presenti qualche inconveniente (pericolo di fuoruscita delle fiamme), è utilizzato anche per le caldaie cosiddette monoblocco, cioè che vengono finite complete presso il costruttore e trasportate in un sol pezzo presso l'utilizzatore. Un ulteriore classificazione è in base alle modalità di ottenimento dell'energia termica: si hanno così caldaie a energia solare e caldaie a combustione nucleare.

Tecnica: caldaie a grande volume d'acqua

"Per gli schemi di alcuni tipi di caldaia vedi il lemma del 4° volume." Una caldaia molto semplice consta essenzialmente di un recipiente chiuso, riscaldato da fiamme e fumi provenienti da un focolare "Vedi schemi di sette tipi di caldaia vol. V, pag. 199" . Il recipiente è riempito d'acqua parzialmente, per cui in esso si distinguono la camera d'acqua e, nella parte superiore, la camera del vapore. Di questo tipo sono le caldaie a grande volume d'acqua, ormai cadute in disuso. Si ricordano: la Cornovaglia, costituita da un corpo cilindrico ad asse orizzontale, all'interno del quale, in posizione eccentrica, è sistemato longitudinalmente un grosso tubo di lamiera ondulata; nella parte anteriore del tubo è ricavato il focolare: le fiamme e i fumi nel loro percorso dal focolare al camino trasmettono il loro calore all'acqua; la Lancashire, che ha due tubi invece di uno; di semplice costruzione e manutenzione, ma pesante, ingombrante e con bassa potenzialità specifica. Le caldaie a grande volume d'acqua sono state sostituite da quelle a tubi di fumo o di fiamma, a loro volta largamente rimpiazzate dalle caldaie a tubi d'acqua e, per particolari applicazioni, dalle caldaie speciali.

Tecnica: caldaie a tubi di fumo

Sono generalmente costituite da un grosso corpo cilindrico, attraversato longitudinalmente da molti tubi (fascio tubiero) che vengono percorsi dai prodotti della combustione provenienti dal focolare e diretti allo scarico. Un tipo molto importante è la caldaia scozzese, detta anche a ritorno di fiamma perché i prodotti della combustione, dal focolare ricavato nella parte anteriore di un grosso tubo ondulato, raggiungono una cassa a fuoco posta in prossimità del dorso della caldaia e quindi, all'interno del fascio tubiero, tornano sul frontale della caldaia, dirigendosi allo scarico. Altro tipo importante è la caldaia a fiamma diretta (tipo locomotiva), nella quale il fumo passa dal focolare direttamente al fascio di tubi immersi (del diametro di ca. 50 mm) contenuti nel corpo cilindrico evaporatore.

Tecnica: caldaie a tubi d'acqua

In queste l'apparato evaporatore consta di fasci di tubi, di diametro esterno variabile tra ca. 25 e 100 mm secondo il tipo di caldaia, pieni di acqua allo stato di incipiente evaporazione. Questi tubi collegano tra loro collettori cilindrici e a volte parallelepipedi disposti nella parte superiore e inferiore. La disposizione dei fasci tubieri e dei collettori – questi ultimi spesso collegati anche da tubi più grossi esterni alla caldaia (tubi di caduta) – è tale da provocare un'attiva circolazione a termosifone così da rendere efficace lo scambio termico tra fumi e acqua e intenso il passaggio allo stato di vapore. Quest'ultimo si raccoglie nel corpo collettore superiore, per metà sempre pieno d'acqua, da dove può essere derivato al surriscaldatore oppure utilizzato direttamente come vapore saturo. Per evitare che questo trascini con sé goccioline d'acqua e ottenerlo il più secco possibile, sono generalmente previsti sistemi di separazione che possono consistere in un semplice barilotto (duomo nelle caldaie a tubi di fumo), in un tubo di prelievo bucherellato o in più complessi sistemi costituiti da diaframmi, separatori a cicloni, essiccatori a lamelle ecc. Le caldaie a tubi d'acqua si dividono in caldaie a tubi suborizzontali e caldaie a tubi subverticali (o verticali). Una tipica caldaia a tubi suborizzontali è per esempio la Babcock-Wilcox. I tubi vaporizzatori, collegati alle estremità a collettori aventi generalmente la forma di lunghe scatole ondulate, costituiscono con questi tante sezioni piane che, affiancate, formano la caldaia. Grazie all'inclinazione dei tubi, l'acqua che in essi si scalda e il vapore che si forma salgono verso il collettore superiore, mentre acqua più fredda scende a rimpiazzarli, originando in tal modo una buona circolazione e quindi favorendo lo scambio termico. I tubi sono in acciaio profilati a freddo, facilmente ispezionabili o sostituibili grazie a chiusure autoclave sul lato esterno delle testate. Il surriscaldatore, di regola presente in questi tipi, è sistemato in posizione tale da essere investito dai fumi subito dopo lo scambio termico su una prima parte di tubi evaporatori; in questo modo la temperatura dei fumi assume i valori più adatti all'esercizio del surriscaldatore. Dopo essere stati condotti a investire le restanti sezioni dell'apparato evaporatore i fumi passano sull'economizzatore per lo sfruttamento del contenuto termico residuo e possono infine essere scaricati al camino, salvo eventualmente un ultimo passaggio ai preriscaldatori dell'aria comburente. Analogo percorso dei prodotti della combustione si ha nelle caldaie a tubi subverticali, generalmente costituite da due o più collettori cilindrici e a volte anche da più piccoli collettori parallelepipedi, variamente collegati da fasci di tubi vaporizzatori con forte inclinazione e a volte verticali. La circolazione interna che si instaura tra i collettori superiori e quelli inferiori è molto elevata, per cui queste caldaie hanno una potenzialità specifica decisamente superiore alle precedenti. Sono state e vengono tuttora impiegate caldaie a tubi di acqua subverticali molto diverse tra loro per quanto riguarda, per esempio, il numero, la forma e la disposizione dei collettori, dei fasci tubieri, dei surriscaldatori ecc.

Tecnica: caldaie marine

Nell'applicazione navale esiste una grande varietà di impiego delle caldaie in dipendenza dei diversi tipi di navi e dei compiti loro affidati e in funzione dei numerosi servizi cui possono essere destinate le diverse caldaie su una stessa nave. Tra i requisiti essenziali delle caldaie per impiego navale vanno ricordati: dimensioni di ingombro e peso minimi; rendimento elevato, generalmente per carichi prossimi alla piena potenza per le navi mercantili, per una vasta gamma di carichi per le navi militari; funzionamento regolare e sicuro alle varie condizioni di carico e ambientali e minime necessità di interventi per manutenzioni o riparazioni; semplicità di funzionamento e di conduzione; massima accessibilità alle singole parti per poter effettuare rapidamente e facilmente ispezioni, controlli, pulizie, riparazioni o sostituzioni; in particolare, per le navi militari, rapidità di approntamento, cioè possibilità di portare in breve tempo la caldaia da fredda e spenta alle condizioni di regime. Le caldaie che meglio si prestano a soddisfare queste esigenze, e quindi generalmente usate, sono quelle a tubi d'acqua, con pressioni di funzionamento che sono andate gradatamente aumentando fino a superare gli 80 kg/cm². Poiché la conduzione di tali caldaie non è molto semplice, è talvolta necessario ricorrere, specialmente per quelle più spinte, all'impiego di apparecchiature automatiche per la regolazione della combustione e dell'alimentazione. Inoltre, poiché è facile la formazione di incrostazioni sulle superfici evaporanti, con pericolo di corrosioni delle stesse, necessitano di frequenti pulizie e riparazioni. Le caldaie più diffuse, sia in campo mercantile sia in campo militare, sono quelle a tubi subverticali. Le caldaie a tubi suborizzontali sono ancora impiegate quasi esclusivamente su navi da carico.

Tecnica: caldaie termiche

Caldaia solare. 1) Generatore di acqua calda o vapore costituito da un serbatoio metallico posto nel fuoco di uno specchio parabolico o cilindrico. Realizzata nel 1866 dal francese August Mouchat è il primo esempio di generatore di acqua calda a energia solare dotato di specchio parabolico. 2) Dispositivo di accumulo per la conversione dell'energia termica proveniente da una batteria di pannelli solari in acqua calda per il riscaldamento. Una caldaia solare fornisce energia utile alla produzione di acqua calda sanitaria pari al 60 % del fabbisogno di energia termica di una abitazione. La caldaia solare si compone di un recipiente metallico coibentato simile a uno scaldabagno. Il recipiente è diviso in tre sezioni isolate e separate tra loro. Il calore, proveniente dal circuito chiuso dei collettori solari, arriva nella sezione inferiore della caldaia dove uno scambiatore di calore lo trasferisce all'acqua fredda immessa dalla rete idrica. L'acqua riscaldata sale verso la sezione centrale della caldaia solare da cui, tramite una pompa elettrica, viene inviata ai radiatori dell'impianto di riscaldamento. Infine, nella parte superiore della caldaia si trova l'acqua bollente per il riscaldamento, sempre tramite uno scambiatore di calore, dell'acqua sanitaria. Durante l'irraggiamento solare l'acqua calda si muove per convezione lungo il sistema di sezioni attraverso valvole a membrana e fino allo strato superiore dove viene messo subito a disposizione. In mancanza o insufficienza dell'irraggiamento solare interviene un dispositivo di riscaldemento integrato direttamente nel serbatoio d'accumulo composto da una resistenza elettrica , una pompa di calore o un bruciatore a gas, gasolio o cherosene. § Caldaia idrosonica. Sfrutta il principio fisico della cavitazione per creare microbolle all'interno di un liquido, acui segue la loro implosione e la liberazione di energia termica. Le microbolle vengono create dall'espansione e dalla contrazione di una bolla di gas intrappolata in un campo ultrasonico per parecchi cicli. Il processo prosegue fino al punto in cui le bolle non raggiungono l'energia sufficiente per collassare durante l'onda di compressione. Questo fenomeno prende il nome di cavitazione stabile. Quando la bolla contiene, invece, la fase di vapore del liquido e perdura solamente per uno o pochi cicli di pressione, la cavitazione è detta transiente. Il calore viene generato all'interno della bolla dalla fase di compressione. Quando le bolle di cavitazione implodono in liquidi irradiati, la loro compressione è così rapida che un piccola quantità di calore può sfuggire dalla cavità durante il suo collasso. Il liquido circostante, ancora freddo, estingue rapidamente la cavità riscaldata. Si viene così a produrre un punto caldo (hot spot), della temperatura approssimativa di 5000 ºC, una pressione di circa 1000 atmosfere e un tempo di vita inferiore a un microsecondo, la cui velocità di riscaldamento e raffreddamento supera i 10 miliardi di gradi Celsius al secondo. Dunque, la caldaia idrosonica utilizza la cavitazione come un mezzo per concentrare l'energia diffusa dal suono in una forma più facilmente utilizzabile. Le caldaie idrosoniche hanno rendimenti termici elevati e consentono di convertire efficientemente l'energia elettrica in calore per riscaldamento, con riduzioni di oltre il 30% rispetto ai sistemi tradizionali. § Caldaiaa combustibile nucleare. Sfruttano l'energia termica sviluppata da una reazione di fissione in reattori nucleari e sono di due tipi: a produzione diretta di vapore e a produzione indiretta. Le caldaie a produzione diretta impiegano reattori ad acqua bollente: l'acqua vaporizza all'interno del reattore e il vapore uscente viene inviato a un corpo cilindrico che funge da separatore liquido-vapore; viene così prelevato vapore saturo secco, mentre l'acqua torna al reattore; una pompa di circolazione serve a vincere le perdite di carico. Le caldaie a produzione indiretta impiegano reattori a metalli fusi (sodio, potassio e magnesio), ad acqua pressurizzata e a gas (CO2 , elio); la caldaia è costituita da uno scambiatore di calore in cui il refrigerante del reattore, che circola nel circuito primario, cede calore all'acqua del circuito secondario, vaporizzandola. L'impiego di un reattore ad acqua pressurizzata limita la temperatura d'esercizio della caldaia: non è possibile surriscaldare il vapore; a questo svantaggio si contrappone un efficace scambio termico nello scambiatore di calore. L'impiego di un reattore a gas consente di aumentare la temperatura d'esercizio della caldaia.

Tecnica: caldaie speciali

Sono caldaie aventi ciascuna caratteristiche peculiari. come per esempio la Sulzer, monotubolare, dove un unico tubo di acqua forma un lungo serpentino e la circolazione dell'acqua avviene per mezzo di una pompa; la Benson, nella quale si ha la vaporizzazione al punto critico (224,21 kg/cm3, 340 ºC); la Loeffler e la Schmidt, a riscaldamento indiretto; la Velox, nella quale la combustione avviene sotto pressione (2÷3 kg/cm3) e i prodotti della combustione percorrono a grande velocità i tubi di fumo, permettendo di ottenere un elevato coefficiente di trasmissione e quindi un rapido riscaldamento dell'acqua.

Prestazioni delle caldaie

Le prestazioni delle caldaie vengono valutate in base a parametri caratteristici dei quali i principali sono: la potenzialità o produzione oraria di vapore espressa in kg/h; la superficie evaporante della caldaia, cioè quella lambita dai fumi, misurata in metri quadrati dal lato fumi; le superfici di preriscaldamento e di surriscaldamento definite nello stesso modo; il volume della camera di combustione (per focolari a nafta, gas o polverino); il carico termico relativo, cioè il numero di kcal/h sviluppate per metro cubo di camera di combustione; la potenzialità del focolare, cioè il consumo orario di combustibile; la potenzialità specifica del generatore, la data dal rapporto, espresso in kg/m²h, tra la produzione oraria di vapore e la superficie della caldaia; l'indice di vaporizzazione effettivo, che è il rapporto tra la potenzialità del generatore e il consumo di combustibile. Infine si chiama rendimento il rapporto tra l'energia resa dalla caldaia all'acqua di alimentazione trasformandola in vapore saturo o surriscaldato e il corrispondente consumo di energia al focolare. Detti Gv la potenzialità del generatore, Gc il consumo orario di combustibile, Hi il suo potere calorifico inferiore, ia e iv le entalpie dell'acqua di alimentazione e del vapore prodotto, QA il calore fornito all'aria comburente e Qc quello fornito al combustibile in eventuali preriscaldamenti a spese di sorgenti esterne, il rendimento η è espresso dalla relazione . Esso ha valori di 0,60÷0,75 nelle caldaie a tubi di fumo e valori superiori nei tipi a tubi d'acqua e speciali, potendo giungere a 0,95 nella caldaia Velox.

Simbologia

I poeti greci concepirono l'immagine di Helios, il sole, che in una grande tazza d'oro o caldaio compie il viaggio notturno da Occidente a Oriente, navigando sulle acque dell'Oceano tenebroso, per rinascere ogni mattina. La caldaia come strumento di resurrezione compare anche nel mito di Medea che squarta un ariete e, facendolo cuocere in una caldaia, lo fa rinascere come agnello. Nella mitologia nordica si incontra invece la caldaia come recipiente che contiene la bevanda magica, fonte della sapienza e dell'ispirazione profetica.