Garioni Naval

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quaderni tecnici
1
Note sulla
teoria del calore
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vapore
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I quaderni tecnici Garioni Naval sono stati pensati per offrire uno strumento utile
agli uffici tecnici ed agli utilizzatori di vapore, acqua surriscaldata ed olio
diatermico.
Non abbiamo certo la presunzione di voler insegnare come le cose dovrebbero
essere fatte. Vogliamo solamente mettere a disposizione di coloro che desiderano
ampliare le proprie conoscenze nel settore la nostra esperienza, derivata da tanti
anni di studio e di duro lavoro.
Speriamo vivamente che quanto riportato in questi “Quaderni Tecnici” consenta ad
ogni lettore di poter lavorare con più facilità e serenità e di evitare, dove possibile,
di cadere in errori che altri prima di lui, hanno involontariamente commesso per
arrivare ad un certo livello di conoscenza del settore termotecnica.
Pubblichiamo questa serie di quaderni in due edizioni, una in lingua italiana e
l’altra in lingua inglese. Abbiamo pensato, al fine di evitare possibili confusioni, che
fosse più pratico, e tecnicamente più appropriato, non mischiare le due lingue,.
La raccolta è dedicata a tutti coloro che hanno contribuito, e stanno tuttora
contribuendo, allo sviluppo ed alla crescita della GARIONI NAVAL.
Se qualcuno fosse interessato a ricevere tutti i numeri, può richiederli inviandoci il
tagliando allegato, via Internet attraverso il nostro sito www.garioninaval.com o
per e-mail all’indirizzo [email protected].
G2
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introduzione
Il vapore, tradizionale ma allo stesso tempo moderno ed efficiente strumento,
è praticamente fondamentale ed insostituibile per alcuni settori; petrolchimico,
chimico, carta, tintura, farmaceutico, alimentare, inscatolamento, gomma ed
industrie di plastica ecc., per i quali rappresenta la cosiddetta materia prima.
È anche indispensabile nel settore civile per la sterilizzazione in ospedali e
cliniche; viene altresì utilizzato preferibilmente in mense e lavanderie, in
impianti di aria condizionata (a livello industriale, dove è spesso utilizzato per
scaldare).
Inoltre, ha un largo utilizzo nelle grandi installazioni di riscaldamento a terra
e sulle navi per la produzione di energia tramite turbine, pompe ed alternatori.
Ovunque ci sia il bisogno di produrre, pompare ed utilizzare energia termica
e pressione, il vapore è la soluzione ideale.
Quali sono i suoi vantaggi e le ragioni per cui il suo utilizzo è così ampiamente
diffuso?
Innanzitutto, bisogna precisare che il vapore può essere facilmente prodotto:
deriva dall’acqua che, almeno in relazione alla produzione globale di vapore
futura e presente, è fortunatamente ancora disponibile in grandi quantità e a
condizioni economicamente vantaggiose, senza considerare il fatto che nelle
installazioni di vapore viene applicato il riciclaggio continuo pertanto può
essere recuperato all’incirca al cento per cento.
Il vapore ha un elevato ma ponderato contenuto di calore, il che significa che
i tubi e le unità di utenza devono sostenere un carico leggero ma significa
anche un’attrezzatura mobile con un eccellente coefficiente di cambio
compatto ed economico.
Il vapore circola naturalmente senza richiedere acceleratori, e le temperature
possono essere alte a pressioni piuttosto basse, pertanto è relativamente sicuro
e facile da gestire.
Le temperature o le regolamentazioni di pressione possono essere effettuate
usando semplicemente le valvole a due vie; soprattutto ha il vantaggio di
essere estremamente "flessibile" il che significa che, contrariamente ad altri
fluidi come acqua, acqua pressurizzata, olio diatermico, ecc., si adatta bene
ad eventuali variazioni e cambi,
Chiaramente quanto sopra detto è particolarmente adatto alle installazioni di
vapore disegnate e costruite razionalmente, soprattutto per quanto riguarda il
recupero di energia.
Riteniamo importante tuttavia sottolineare che, in caso di bisogno, i tecnici che
hanno una buona conoscenza dell’argomento “vapore” dovrebbero essere
comunque interpellati perché, anche se il vapore non è così complesso come
gli altri fluidi, richiede sempre una buona preparazione teorica e l'abilità
tecnica della pratica.
G3
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TABELLA
DI CONVERSIONE DALLE UNITÀ DI PRESSIONE TRADIZIONALI ALLE
NUOVE UNITÀ DEL SISTEMA INTERNAZIONALE
Pressione
2
Unità
di Misura
Simbolo
Pa
bar
at
mm Hg
kgf/m2
Pascal
Pa
1
10-5
1,0197x10-5
0,0075
0,10197 0,145x10-3 0,02088
0,00401 0,295x10-3 0,335x10-3
Bar
bar
105
1
1,0197
750,07
10197
14,505
2088
401,46
29,530
33,456
Atmosfera=kgf/m2
at
98070
0,9807
1
735,56
10000
14,223
2048,16
393,71
28,960
32,808
Millimetri di Hg
mm Hg
133,32 1,332x10-3 1,3595x10-3
1
13,595
0,0193
1,392
0,5353
0,0394
0,0446
Chilogrammi per m2
kgf/m2
9,807
9,807x10-5
10-4
0,0735
1
0,00142
0,205
0,0394
0,0029
0,0033
Libbre per in2
psi
6894,14
0,06894
0,0703
51,719
703,07
1
144
27,683
2,0362
2,3069
Libbre per ft2
lbf/ft2
47,876 4,7876x10-4 4,8824x10-4
0,7183
4,8824
0,00694
1
0,1922
0,01414
0,01602
Pollici di c.a.
in w.
249,09
0,00249
0,00254
1,868
25,4
0,03614
5,203
1
0,07355
0,0833
Pollici di Mercurio
in Hg
3386,36
0,03386
0,03453
25,4
345,34
0,4912
70,731
13,595
1
1,1329
Piedi di c.a.
ft w.
2989
0,02989
0,03048
22,42
304,8
0,4334
62,43
12
0,8827
1
psi
bf/ft
in w.
in Hg
ft w.
Energia
G4
Unità di
Misura
Simbolo
J
kgf/m
Cal (kcal)
Wh
CVh
ft.lbf
Btu
Joule
J
1
0,10197
0,2388x10-3
0,2778x10-3
0,378x10-6
0,7375
0,9478x10-3
Chilogrammetro
kgf/m
9,807
1
2,342x10-3
2,724x10-3
0,370x10-5
7,233
9,295x10-3
Chilocaloria
Cal ( kcal)
4186,80
426,92
1
1,163
1,581x10-3
3087,6
3,9683
Wattora
Wh
3600
367,08
0,8605
1
1,360x10-3
2654,87
3,413
Cavallo Vapore Ora
CVh
2647,8x103
269,91x103
632,53
735,5
1
1952,92x103
2512,2
Libbra Piede
ft.lbf
1,356
0,1383
0,3238x10-3
0,3767x10-3
0,512x10-6
1
1,2853x10-3
Btu (Ist)
Btu
1055,06
107,58
0,2520
0,2930
0,398x10-3
778,03
1
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richiami fondamentali
sulla teoria del calore
La temperatura e il calore
La temperatura di un corpo è il grado di calore che esso
possiede, ossia è lo stato termico proprio di quel corpo in
quell'istante. Le misure di temperatura si eseguono
mediante termometri. La caloria (Kcal) è la quantità di
calore che un corpo possiede. Una caloria è la quantità
di calore necessaria per innalzare di 1°C (precisamente
da 14°C a 15°C) la temperatura di 1 Kg. d'acqua.
Differenza fra temperatura e calore
Possiamo dire che le due vasche hanno la stessa
temperatura di 80°C ma hanno richiesto, una 35.000
Kcal, l'altra 7.000 Kcal, cioè per portare le due vasche
alla stessa temperatura di 80°C una ha richiesto 5 volte
le calorie dell'altra (35.000:7.000=5).
Calore specifico
Dicesi calore specifico di un corpo la quantità di calore
necessaria per elevare di 1°C la temperatura di 1 Kg del
corpo stesso. La quantità di calore necessaria per elevare
di 1°C la temperatura di un certo peso di un corpo non è
uguale per tutti i corpi.
CALORE SPECIFICO DI ALCUNI CORPI SOLIDI E LIQUIDI
Supponiamo di dover riscaldare l'acqua di 2 vasche a 80°C.
Una vasca contiene 500 lt d'acqua cioé 500 Kg. Una vasca
contiene 100 lt d'acqua cioé 100 Kg. Entrambe le vasche
raggiungeranno la medesima temperatura di 80°C.
Tenendo ben presente la definizione di caloria e
supponendo di essere partiti da acqua a 10°C, per
portare 1 Kg di questa acqua da 10°C a 80°C dobbiamo
somministrare: 80-10=70 calorie.
Sicché per portare da 10°C a 80°C 500 Kg d'acqua
dobbiamo somministrare:
80-10=70 70x500=35.000 Kcalorie.
L'altra vasca contiene 100 Kg d'acqua, per portarla da
10°C a 80°C occorreranno: 80-10=70 70x100=7.000
Kcalorie.
acqua
Kcal/Kg
1,00
nafta
“
0,50
olio d’oliva
“
0,45
mattoni
“
0,20
legno
“
0,57
ferro
“
0,11
piombo
“
0,03
rame
“
0,09
Esempio: portare 500 Kg d'acqua da
20°C a 70°C. Calore specifico acqua=1
70-20=50°C 50x1x500=25.000 Kcalorie.
Esempio: portare 500 Kg di nafta
da 20°C a 70°C. Calore specifico=0,5
70-20=50°C 50x0,5x500=12.500 Kcalorie.
G5
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Calore sensibile
Il calore che produce un aumento di temperatura quando
penetra in una sostanza è chiamato calore sensibile.
Considerando le caldaie, ciò significa che il calore che
passa dal focolare all'acqua riscaldandola è sempre
calore sensibile. La denominazione completa sarà: calore
sensibile dell'acqua.
Dall'acqua in ebollizione nasce il vapore, il vapor
d'acqua. Ciò significa che il sovrappiù di calore che è
stato introdotto nell'acqua dopo che questa ha cominciato
a bollire e che ne ha provocato la trasformazione in
vapore è calore latente (la denominazione completa è
calore latente di vaporizzazione dell'acqua). La quantità
di calore latente è misurata in calorie.
Calore totale del vapore
Quindi, alla pressione atmosferica, per trasformare 1 Kg
d'acqua in vapore occorreranno in totale 640 Kcal.
Per portarla all'ebollizione occorrono
per trasformarla in vapore occorrono
• il calore totale di 1 Kg di vapore é di
•
•
Riscaldando 1 Kg d'acqua in una pentola aperta fino a
100°C otterremo che il suo contenuto termico è di 100
Kcal/Kg. Avremo:
Temperatura dell'acqua
= 100°C
Contenuto termico o calore sensibile dell'acqua = 100 Kcal/Kg.
Calore latente
Se continuamo a somministrare altro calore all'acqua il
contenuto termico e la temperatura dell'acqua non
aumentano più ma l'acqua inizia a bollire: essa ha
raggiunto il proprio punto di ebollizione alla temperatura
di 100°C. Somministrando all'acqua dell'altro calore
ancora, avverrà un cambiamento di stato: essa passerà
dallo stato liquido allo stato gassoso.
G6
:100 Kcal +
:540 Kcal =
:640 Kcal
La temperatura sia dell'acqua che del vapore è rimasta di
100°C. Abbiamo già visto che il vapore generato nella
nostra pentola aperta contiene due tipi di calorie. Vi è
presente il calore sensibile dell'acqua, al quale si è
venuto ad aggiungere il calore latente che è servito a
convertire l'acqua in vapore. Il calore totale contenuto nel
vapore è perciò costituito dal calore sensibile + il calore
latente. Si può vedere che la quantità di calore latente è
considerevolmente più grande della quantità di calore
sensibile. In ogni Kg di vapore, alla temperatura di
100°C vi sono grosso modo 100 cal di calore sensibile e
540 cal di calore latente, con un calore totale di 640 cal.
Qualunque sia la quantità di questo vapore le
proporzioni restano le stesse. Per esempio, se invece di 1
Kg noi avessimo 100 Kg di vapore e prendessimo in
esame questi valori, non dovremmo altro che moltiplicare
per 100 quanto abbiamo detto prima.
Produzione di vapore in pressione
L'atmosfera esercita una pressione su tutto ciò che esiste
sulla superficie della terra e questa pressione viene
esercitata in tutte le direzioni: essa è uguale a 1,033 Kg per
ogni centimetro di superficie. Se torniamo ora al vapore
che comincia ad uscire dalla pentola vediamo che esso
viene a trovarsi opposto alla pressione atmosferica e cioé a
questa pressione che ci circonda; con un valore di 1,033
Kg/cm2. La temperatura del vapore a questa pressione
atmosferica, è la stessa temperatura dell'acqua in
ebollizione, pure alla pressione atmosferica e cioé 100°C.
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Fino a che la pentola rimane aperta sopra la quale il
vapore può uscire liberamente, tutto resta alla pressione
atmosferica ed alla specifica temperatura che le
corrisponde.
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Riferendoci ai due esempi sopra riportati avremo:
Calore totale alla pressione atmosferica: 640 Kcal/Kg
Calore totale alla pressione di 10 Ate:
664 Kcal/Kg
Differenza: + 24 Kcal/Kg
Calore sensibile alla pressione atmosferica: 100 Kcal/Kg
Calore sensibile alla pressione di 10 Ate: 186 Kcal/Kg
Differenza: + 86 Kcal/Kg
Calore latente alla pressione atmosferica: 540 Kcal/Kg
Calore latente alla pressione di 10 Ate: 478 Kcal/Kg
Differenza: - 62 Kcal/Kg
Ripetiamo per maggior chiarezza i valori:
Pressione all'interno della pentola: 1,033 Kg/cm2
Pressione del vapore: 1,033 Kg/cm2
• Temperatura dell'acqua nella pentola: 100°C
• Temperatura del vapore: 100°C
•
•
Ora copriamo e sigliliamo la pentola. Continuiamo a
somministrare calore, si continua a produrre vapore;
quanto più vapore si produce quindi all'interno di questo
recipiente, tanto maggiore sarà la compressione a cui
esso si assoggetta per trovarsi un posto e, poiché è
compresso, cerca di spingere in tutte le direzioni,
esercitando una pressione su tutto ciò che lo circonda.
Così oltre ad esercitare una pressione sulle superfici
interne della pentola il vapore crea anche una pressione
sulla superficie dell'acqua.
Aumentando la pressione sulla superficie dell'acqua si ha
come conseguenza un aumento della temperatura di
ebollizione.
Mentre alla pressione atmosferica (1,033 Kg/cm2) l'acqua
bolle quando ha raggiunto la temperatura di 100°C, noi
troviamo che ad una pressione, ad esempio, di 10 Kg/cm2
la temperatura di ebollizione è salita a 184°C.
Si vede immediatamente che per mantenere l'acqua in
ebollizionee quindi produrre vapore a questa temperatura
più elevata, bisognerà fornirle una quantità maggiore di
calore sensibile.
D'altro canto a queste temperature e pressioni elvate, la
quantità di calore latente necessaria per trasformare
l'acqua di ebollizione in vapore è minore.
Temperatura dell'acqua alla pressione atmosferica:
100°C
Temperatura dell'acqua alla pressione di 10 Ate: 184°C
Differenza: + 84°
Se confrontiamo le due situazioni vediamo che: il calore
totale è aumentato ma di poco (+ 24 Kcal/Kg) il calore
sensibile è aumentato di molto (+ 86 Kcal/Kg) ma il calore
latente è diminuito (- 62 Kcal/Kg).
Concludendo, quando la pressione del vapore aumenta vi
sarà disponibile maggior calore totale, ma non molto (e
l'aumento diventa sempre minore man mano che le
pressioni aumentano), maggior calore sensibile, ma minor
calore latente.
Quando le pressioni del vapore diminiuscono vi sarà
disponibile un minor calore totale, ma solo un poco meno,
minor calore sensibile, maggior calore latente.
Le pressioni del vapore sono espresse in Kg/cm2 o bar e
sono distinte in pressioni relative e pressioni assolute.
Nel campo tecnico usualmente si parla sempre di
pressioni relative.
Se si vuole trasformare una pressione relativa in una
pressione assoluta, occorre aumentare il valore della
pressione relativa del valore della pressione atmosferica.
(+1) Le pressioni relative sono le pressioni indicate dai
normali manometri installati su ogni caldaia.
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Spazio occupato dal vapore
(volume specifico)
Lo spazio occupato da un determinato peso di vapore
dipenderà dalla sua pressione. Se abbiamo 1 Kg d'acqua
e lo trasformiamo tutto in vapore, noi avremo esattamente
1 Kg di vapore.
- Alla pressione relativa di 1 Kg/cm2 il vapore saturo
C ARATTERISTICHE
FISICHE VAPORE ACQUEO SATURO
PRESSIONE
relativa
bar
G8
kg/cm2
assoluta
bar
kg/cm2
TEMPERATURA
k
secco occupa 0,881 m3.
- Alla pressione relativa di 10 Kg/cm2 il vapore occupa lo
spazio di 0,177 m3.
In entrambi i casi siamo partiti esattamente con la stessa
quantità d'acqua e in entrambi i casi abbiamo trasformato
l'acqua esattamente nello stesso peso di vapore.
Ma con l'aumentare della pressione troviamo che il vapore
occupa sempre meno spazio dato che esso subisce una
compressione mano a mano che la pressione aumenta.
°C
VOLUME
SPEC.
m3/kg
CALORE
SENSIBILE
ACQUA
CALORE
LATENTE
VAPORIZ.
CALORE TOTALE
kJ/kg kcal/kg kJ/kg kcal/kg kJ/kg kcal/kg
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C ARATTERISTICHE
bar
kg/cm2
assoluta
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kg/cm2
TEMPERATURA
k
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FISICHE VAPORE ACQUEO SATURO
PRESSIONE
relativa
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°C
VOLUME
SPEC.
m3/kg
CALORE
SENSIBILE
ACQUA
CALORE
LATENTE
VAPORIZ.
CALORE TOTALE
kJ/kg kcal/kg kJ/kg kcal/kg kJ/kg kcal/kg
www.garioninaval.com
G9
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ENTALPIA
CALORE
G10
DEL VAPORE ACQUEO SURRISCALDATO
SPECIFICO DEL VAPORE ACQUEO SURRISCALDATO
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caldaie a tubi di fumo ad
inversione di fiamma
Principio di funzionamento
I prodotti della combustione percorrono il focolare della
caldaia, quindi, essendo il focolare stesso cieco, cioè
chiuso sul fondo, compiono la prima inversione
ripercorrendo in senso inverso circonferenzialmente sulla
parete esterna e giungono nella camera d'inversione
anteriore ricavato nel materiale refrattario del portellone.
Dalla camera di inversione anteriore imboccano i tubi da
fumo sistemati a grappolo attorno al focolare della
caldaia e da questi giungono alla camera fumi posteriore
dove vengono convogliati verso il camino. All'interno dei
tubi da fumo sono inserite delle barre elicoidali in acciaio
inossidabile resistenti alla alte temperature. Tali barre
dette "turbolatori" hanno lo scopo di aumentare la
turbolenza dei fumi e quindi di aumentare lo scambio di
calore tra di essi e l'acqua che circola intorno. La
presenza dei turbolatori ed il particolare percorso dei fumi
rendono praticamente irrilevante il tiraggio naturale
attraverso la caldaia con bruciatore spento. Le perdite di
rendimento per intermittenza risultano quindi contenute.
Per lo stesso motivo il bruciatore deve essere dimensionato
in modo che il ventilatore fornisca in funzionamento una
pressione tale da poter vincere le perdite di carico della
caldaia indipendentemente dal tiraggio naturale. Per
quanto riguarda il lato acqua/vapore, la caldaia
possiede superiormente una camera di vapore dove viene
mantenuto un certo livello che ha lo scopo di creare un
adeguato "specchio evaporante" che consente la
produzione di vapore.
G
Sezione di caldaia a tre giri di fumo ad inversione di fiamma.
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caldaie a tre giri di fumo
con focolare passante
Principio di funzionamento
La caldaia è sempre del tipo a tubi di fumo ma anziché
essere dotata di un focolare ad inversione è dotata di
una camera di inversione dei fumi posteriore collocata
all'uscita del focolare.
Tale camera di inversione, definita come "fornello"; perchè
nei modelli più perfezionati interamente bagnata dall'acqua
allo scopo di diminuire le perdite per irraggiamento e di
evitare eccessivi surriscaldamenti delle pareti.
Nel fornello i fumi imboccano il fascio di tubi e ritornano
sulla parete anteriore della caldaia, qui trovano,
ricavata dal refrattario della porta anteriore la seconda
camera di inversione dove infilano il secondo fascio
tubiero attraverso cui giungono alla camera fumo
posteriore e da qui vengono convogliati al camino. Il
focolare in tali tipi di caldaia, sovente è di tipo ondulato
per permettere l'assorbimento delle dilatazioni termiche.
Questi generatori vengono normalmente usati per
produzioni di vapore oltre le 4/5 Tonn/h quando
l'aumento della lunghezza del focolare rende più difficile
una corretta distribuzione del calore prodotto all'interno
dello stesso focolare.
E' chiaro che in questi casi, essendo il focolare passante,
l'unica via d'uscita dei fumi è nella parte superiore e si
ha quindi senz'altro un migliore sfruttamento delle sue
pareti.
Solitamente le superfici di scambio di questi generatori,
sono a parità di potenza, superiori a quelle
dell'inversione di fiamma.
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Sezione di caldaia a tre giri di fumo a fondo bagnato.
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caldaie a due giri di fumo
con focolare passante
Principio di funzionamento
La caldaia è sempre del tipo a tubi di fumo ma la camera
di inversione fiamma, rivestita di refrattario idoneo per
alte temperature, convoglia i fumi, che hanno
attraversato completamente il focolare, nei tubi del
secondo ed ultimo giro, prima di essere espulsi al camino
il cui attacco è ricavato nella camera fumi anteriore.
Il focolare passante consente comunque di sfruttare tutta
la superficie di scambio del focolare stesso prescindendo
dal carico a cui è sottoposto il generatore.
Si ottiene pertanto un ottimo rendimento anche ai carichi
bassi.
Per problemi di lunghezza del focolare, nel quale
comunque viene scambiato il 60/70% del calore prodotto
dalla combustione, questi generatori vengono normalmente
usati per produzione di vapore fino a 5 tonn/h.
G
G
Sezione di caldaia a due giri di fumo con focolare passante.
G13
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caldaie a tubi d’acqua
Principio di funzionamento
Lato acqua
Quando aumentano le potenze e soprattutto le pressioni
d'esercizio l'impiego delle caldaie a tubi di fumo diventa
problematico in quanto le alte pressioni comportano forti
aumenti di spessore del fasciame rendendo antieconomica
la costruzione di tali caldaie. Si preferisce pertanto in questi
casi ricorrere a generatori del tipo a tubi d'acqua dove
l'acqua ed il vapore anzichè essere confinati sul lato
mantello sono sul lato tubi consentendo quindi pressioni
d'esercizio molto più elevate. La caldaia è costituita, nella
sua forma classica da due corpi clilindrici, da un camera di
combustione prismatica formata da tubi tra loro tangenti e
percorsi dall'acqua. In questa camera di combustione, che
scambia calore per irraggiamento, viene sviluppata la
combustione. L'altra parte costituente la caldaia sono i due
corpi cilindrici orizzontali uno superiore ed uno inferiore.
Quello superiore ha la funzione di raccogliere la miscela
acqua/vapore proveniente dai tubi bollitori e di separare il
vapore dall'acqua. Quello inferiore ha la funzione di
collettore d'acqua per i tubi del fascio e della camera di
combustione. I due corpi cilindrici sono collegati tra di loro
nei seguenti modi:
1) da un fascio di tubi verticale che forma la zona di
scambio termico a convenzione;
2) da un gruppo di tubi a forma di "D" tangenti e saldati tra
loro innestati in testa nei corpi cilindrici lungo una
generatrice formando una parte della camera di
combustione per lo scambio termico per irraggiamento;
3) da pareti di tubi tangenti verticali saldati tra loro e
collegati a due collettori per realizzare la chiusura frontale
e posteriore della camera di combustione, sulla parete
frontale è realizzata l'apertura per l'alloggiamento del
bruciatore.
- L'acqua alimento arriva al corpo cilindrico superiore e
viene distribuita al suo interno, tramite un tubo
opportunamente forato assicurando una uniformità di
distribuzione lungo tutto il corpo;
- Il flusso termico in camera di combustione e nel fascio
tubiero richiama l'acqua che viene così distribuita in tutti i
tubi a seconda di quanto è il loro contributo allo scambio;
- La miscela acqua/vapore che si forma nei tubi, arriva nel
corpo cilindrico superiore in cui il vapore viene separato e
prelevato, mentre l'acqua ritorna in circolazione.
G14
Lato fumi
La combustione che avviene nella camera a "D" è di tipo
pressurizzato. In questa camera avviene lo scambio termico
per irraggiamento dovuto all'alta temperatura delle fiamme
ed alla loro luminosità. I prodotti della combustione escono
dalla camera, tramite apposito vano imboccando il fascio
tubiero. La turbolenza che deriva dal percorso in mezzo ai
tubi dei fumi caldi, realizza uno scambio termico prevalente
a convenzione con la miscela acqua-vapore che circola nei
tubi del fascio; ne deriva una diminuzione di temperatura
dei fumi all'uscita del generatore. Tali generatori vengono
solitamente impiegati quando le pressioni d'esercizio
richieste superano i 15 bar o quando la produzione di
vapore supera le 10/12 Tonn/h
Versione a Circolazione Controllata
Per piccole potenzialità, fino a 8 tonn/h, si utilizzano
generatori nei quali la circolazione dell’acqua nei tubi è
assicurata da una pompa e nei quali l’evaporazione
dell’acqua stessa avviene lungo il percorso nei tubi.
Sono i generatori a serpentino a circolazione controllata.
®
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l i k e
a
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AVAL
m o r n i n g …
G
G
Sezione di un generatore di vapore a circolazione controllata a tubi d’acqua.
G
Sezione di un generatore di vapore a circolazione naturale.
G15
®
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l i k e
a
S u n d a y
AVAL
m o r n i n g …
alcune informazioni utili
sulle caldaie
Elementi caratteristici dei generatori di vapore
Producibilità o potenza:
E’ la quantità di vapore prodotto in un’ora;si misura in
Kg/h. E’ ovviamente necessario precisare lo stato fisico
del vapore (pressione, temperatura). In tal caso, noto il
contenuto termico del Kg di vapore prodotto può essere
più convenientemente espressa in unità di potenza Kw o
Kcal/h.
Producibilità specifica o potenza specifica:
E’ il rapporto tra i chilogrammi di vapore prodotti in un’ora
e la superficie di riscaldamento. Rappresenta i chilogrammi
di vapore che si ottengono in un’ora per ogni metro
quadrato di superficie riscaldata; si misura in Kg/m2/h.
Produzione di vapore in base alla superficie di riscaldamento
CALDAIE
TIPO DI CALDAIE
PROD. VAPORE
Kg/h per m2 SUP
CORNOVAGLIA
18
CALDAIE CORNOVAGLIA A RITORNO DI FIALMMA
20
CALDAIE SEMIFISSE ORIZZONTALI
25
CALDAIE SEMIFISSE VERTIVCALI
20
CALDAIE TIPO MARINA
8
CALDAIE PRESSURIZZATE. Pressione da 1 a 5 ATE
da 29-31.000 Kcal/m2/h corrispondente a:
CALDAIE PRESSURIZZATE. Pressione da 8 a 15 ATE
da 29-31.000 Kcal/m2/h corrispondente a:
Pressione di bollo:
E’ la pressione effettiva massima alla quale il generatore
può funzionare regolarmente. L’unità di misura é il bar o
il Kg/ cm2 (ate). Il valore della pressione di bollo é
rilevabile dal libretto matricolare dell’aparecchio e
dall’apposito bollo esistente al centro della targa.
Pressione di esercizio:
E’ la pressione, inferiore o al limite uguale a quella di
bollo, alla quale in pratica viene fatto funzionare il
generatore.
Superficie di riscaldamento:
E’ l’area in m2 della superficie lambita da un lato dai fumi
e dall’altro dall’acqua; si misura dalla parte esposta ai fumi.
G16
48-50
Carico termico volumetrico della camera di combustione
E’ il rapporto fra la quantità di calore sviluppata dalla
combustione nell’unità di tempo e il volume della camera
di combustione. Si misura in Kcal/m3/h.
CTV = (G x Pci) : V
CTV = carico termico volumetrico
(Kcal/m3/h)
G
= portata combustibile
(Kg/h – m3/h)
Pci = potere cal. inf. del
combustibile (Kcal/Kg –
Kcal/ m3)
V=
La superficie di riscaldamento
é ottenuta dalla somma della
superficie della camera di
combustione con la superficie
dei tubi costituente il fascio
convettivo. Per i tubi bisogna
considerare la superficie
interna.
53-58
volume del focolare (m3)
Esempio:
Caldaia con bruciatore metano calibrato per la portata di 258 m3/h
Potere calorifico inferiore del metano
: 8500 Kcal/m3
Volume camera di combustione
: 2 m3
CTV= ( 258 x 8500) : 2 = 1,096,500 Kcal/ m3/h
®
e a s y
Kcal/m3/h
PRESSIONE DI BOLLO
800.000
CALDAIE A TUBI DI FUMO
da 1.000.000
a 1.800.000
CALDAIE A TUBI D’ACQUA
da 800.000
a 1.200.000
Carico termico superficiale della camera di combustione:
E’ il rapporto fra la quantità di calore sviluppata nella
camera di combustione nell’unità di tempo e la superficie
di riscaldamento della camera di combustione; si misura
in Kg/m2/h.
CARICO TERMICO SUEPERFICIALE DELLA CAMERA
DI COMBUSTIONE
a
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AVAL
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Indice di vaporizzazione
CARICO TERMICO VOLUMETRICO DELLA CAMERA
DI COMBUSTIONE
1 ate
l i k e
Kg/m2/h.
CALDAIE CORNOVAGLIA E MARINA
CALDAIE A TUBI DI FUMO VERTICALI
CALDAIE SEMIFISSE ORIZZONTALI
10.000
11.000
15-20.000
CALDAIE PRESSURIZZATE. BOLLO DA 1 A 5 ate
CALDAIE PRESSURIZZATE. BOLLO DA 8 A 15 ate
27-35.000
29-31.000
Rendimento del generatore:
E’ il rapporto tra il calore trasmesso al fluido e il calore
sviluppato dalla combustione.
E’ il rapporto tra la massa di vapore prodotto e la massa
di combustibile bruciato nello stesso tempo. Rappresenta
i Kg di vapore che si ottengono dalla combustione di 1Kg
di combustibile.
Per caldaie pressurizzate, con buona approssimazione si
può definire che:
1 Kg di nafta
(9600 cal)
può produrre:
12-14 Kg vapore
1 Kg di gasolio (10200 cal)
può produrre:
13-15 Kg vapore
1 Nm3 di metano (8500 cal)
può produrre:
10-11 Kg vapore
Caratteristiche della pompa alimento
caldaie vapore
P = pressione di esercizio = 1,2 x pressione di bollo
caldaia
Q = Portata esercizio pompa = 2 x portata massima
(Kg/h) produzione vapore caldaia
Esempio: Caldaia a vapore, pressione bollo: 12 ate.
Potenzialità bruciata al focolare: 1.150.000 Kcal/h
Potenzialità resa all’acqua: 1.000.000 Kcal/h
Conversione tra Kcal/h – Kg/h – Kw - Hp
Rendimento: 1.000.000 = 0.869 = 86.9%
1.150.000
TIPO DI CALDAIE
CORNOVAGLIA
RENDIMENTO %
68-72
CORNOVAGLIA A TUBI DI FUMO
76-80
TIPO MARINA
70-75
CALDAIE IN ACC.: SEMIFISSE ORIZZONTALI
SEMIFISSE VERTICALI
77-82
capacità
capacità
produzione vapore
Kg/h
Kcal/h
Kw
Hp
125
300
550
750
1,000
2,000
3,000
75,000
180,000
330,000
450,000
600,000
1,200,000
1,800,000
87
209
383
523
697
1,393
2,090
116.6
280
514
701
935
1,868
2,802
68-72
MULTITUBOLARI A TUBI D’ACQUA
84-87
PRESSURIZZATE
84-87
A CIRCOLAZIONE CONTROLLATA
Prod. vapore
90
Kg/h. in Kcal/h=Kg/h x 600
Kcal/h. in Kw/h = Kcal/h x 0.001161
Kw/h. in Hp/h = Kw/h x 1.341
Es. Kg/h 1000 x 600 = 600,000Kcal/h
Es. Kcal/h 600,000 x 0.001161 = 697 Kw/h
Es. Kw/h 697 x 1.341 = 935 Hp/h
G17
l i k e
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processo inverso
Es. Hp/h 935: 1.341 = 697 Kw
Es. Hp/h 935: 0.001558 = 600,000 Kcal/h
Es. Kw/h 697: 0.001161 = 600,000 Kcal/h
incremento temperatura fumi
Hp/h in Kw/h. = Hp/h x 1.341
Hp/h. in Kcal/h = Kcal/h: 0.001558
Kw/h. in Kcal/h = Kw/h: 0.001161
Incremento della temperatura dei gas in
relazione allo spessore della fuliggine
perdite nei fumi al 13% di CO2
®
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VO
LU
M
ET
RI
CA
spessore della fuliggine
PERDITE PER CALORE SENSIBILE (PCS)
PE
RC
EN
TU
AL
E
Temperatura fumi uscita generatore (TF)
CO
2
Diagramma per la determinazione
approssimata del rendimento dei
generatori a vapore
Calcolo rapido consumo combustibile
per caldaie
Q= Quantità combustibile consumato. In Nm3/h
H = Entalpia del vapore alla pressione corrispondente (Kcal/Kg steam)
TAC = Temperatura acqua alimento caldaia (°C)
P.C.I = Potere calorifico inferiore del metano (Kcal/ Nm3/h (80008500)
η = Rendimento caldaia
P = Quantità di vapore prodotto (Kg/h)
Q=
A
R
U
AT
R
PE
M
TE
TE
N
IE
B
M
A
)
A
(T
Esempio:
caldaia con produzione vapore di 1000 Kg/h
Rendimento η = 0.88
Pressione vapore: 12 ate.
Temperatura acqua alimentazione: 65°C.
Entalpia o calore totale del vapore a 12 ate = 666 Kcal/Kg
666-16
x1000=92 Nm3/h
8000 x 8000 η
Q=
Esempio:
TF = 230°C TA = 30°C CO2 = 12% PCS = 10%
Rilevata al temperatura dei fumi all’uscita della caldaia
(TF), la temperatura ambiente (TA) ed il vapore CO2 al
camino, si determinano le perdite percentuali per calore
sensbile (PCS) operando come da esempio sul diagramma.
Assunto come valore medio delle perdite di calore per
cause varie (PCV) = 2%, il rendimento termico
complessivo sarà dato da:
Esempio:
La stessa caldaia di cui sopra alimentata con nafta darà:
P.C.I. = potere calorifico inferiore della nafta (9800 Kcal/Kg)
Q=
G18
666-16
x1000=70 kg/h
9800 x 0,88
Esempio:
La stessa caldaia di cui sopra alimentata con gasolio darà:
P.C.I. = potere calorifico inferiore della nafta (9800 Kcal/Kg)
η = 100 – PCS – PCV
η = 100 – 10 – 2 = 88 (88%)
H-TAC
xP
L.H.C x η
Q=
666-16
x1000=68 kg/h
10000 x 0,88
®
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Cenni sulle caratteristiche dei combustibili
Potere calorifico dei combustibili
Il potere calorifico é la quantità di calore espressa in
calorie che si sviluppa bruciando 1Kg di combustibile
solido o liquido oppure 1m3 di combustibile gassoso.
Potere calorifico superiore
Tutti i combustibili non sono mai completamente secchi,
ma contengono una certa quantità d’acqua sotto forma
di umidità; inoltre nella combustione dell’idrogeno
contenuto si forma altra acqua. Questa acqua, nel
focolare e nei condotti della caldaia si trova allo stato di
vapore. Se i fumi all’uscita del camino avessereo una
temperatura inferiore ai 100°C questo vapore si
condenserebbe cedendo le calorie di vaporizzazione che
resterebbero così utilizzate, sarebbe così utilizzato tutto il
calore contenuto nel combustibile, si avrebbe cioé il
potere calorifico superiore.
Potere calorifico inferiore
Se invece, come si verifica nelle caldaie, i fumi vanno al
camino a temperatura superiore a 100°C l’umidità va via
sotto forma di vapore e il calore di condensazionz viene
disperso nell’atmosfera. Pertanto il calore effettivamente
utilizzabile in pratica risulta minore, si ha così il potere
calorifico inferiore.
COMBUSTIBILE
POTERE CAL. SUPERIORE
POTERE CAL. INFERIORE
GASOLIO
10900 Kcal/Kg
10200 Kcal/Kg
OLIO FLUIDO
10450 Kcal/Kg
9800 Kcal/Kg
METANO
9400KCAL/Nm
3
8500 KCAL/Nm
GPL
3
3
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AVAL
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Caratteristiche termotecniche dei
combustibili gassosi
DENOMINAZIONE
COMMERCIALE
MISCELA POT. CAL. POT. CAL.
ARIA
DENSITA’
ESPLOSIVA INFERIORE SUPERIORE TEOERICA
A 15°C
m3/m3
IN ARIA % Kcal/Kg
Kcal/Kg
PUNTO DI
RUGIADA
°C
METANO CH4
0,55
5-15
8500
9400
9,56
58
PROPANO C3H8
1,55
2,4 -9,3
22200
24000
24,3
54
BUTANO C4H10
2,09
2-7,6
29500
32000
32,3
53
GPL
1,68
2,1-9,5
24000
26000
26,3
54
ARIA PROPANATA
1,14
7,5-36
5900
6400
5,75
54
GAS CITTA’
0,39
5-30
4200
4700
4,33
62
BIOGAS
0,89
7,8-32
5400
6000
6,12
57
Dimensionamento tubazioni di
alimentazione dei bruciatori
H = Dislivello (m)
L = Lunghezza tubazioni compreso tratto verticale (m)
La tubazione di ritorno deve arrivare alla stessa altezza
della valvola di fondo altrimenti si facilita il disinnesco
della tubazione aspirante.
3
26000 KCAL/Nm
24000 KCAL/Nm
PORTATA
GASOLIO
Kg/h
Caratteristiche termotecniche dei
combustibili liquidi
DENOMINAZIONE
COMMERCIALE
l i k e
da 2
a 20
da 15
a 30
da 30
a 60
da 45
a 100
da 70
a 140
Ø 10x1 Ø 12x1 Ø 12x1 Ø 14x1 Ø 16x1
PRERISC.
PER LA
COMBUST.
PETROLIO (KEROSENE)
0,81
/
10300
11050
11,33
NO
GASOLIO
0,84
/
10200
10900
14,24
NO
GASOLIO PESANTE
0,87
/
/
/
/
70-80°C
OLIO FLUIDO
0,92
3-5
9800
10450
10,7
100-110°C
OLIO SEMIFLUIDO
0,94
5-7
/
/
/
/
OLIO DENSO ATZ
(alto tenore di zolfo)
0,97
>7
9600
10200
10,5
120-140°C
OLIO DENSO BTZ
(basso tenore di zolfo)
0,97
>7
9600
10200
/
120-140°C
da150
a 300
Ø _”
Ø _”
Ø _”
Ø _”
Lm
Lm
Lm
Lm
Lm
Lm
Lm
Lm
Lm
0
35
70
40
45
70
25
50
25
50
0,5
30
62
36
40
60
20
40
20
40
1
25
55
32
35
50
15
30
15
30
1,5
20
48
28
27
40
10
20
10
20
2
15
40
24
20
30
5
10
5
10
3
8
25
15
10
15
/
5
/
5
3,5
6
10
10
/
7
/
/
/
/
H (m)
POT. CAL. POT. CAL.
ARIA
DENSITA’ VISCOSITA’
INFERIORE SUPERIORE TEORICA
15°
a 50°C°E
m3/m3
Kcal/Kg
Kcal/Kg
da 100
a 200
Esempio:
Bruciatore con portata di 40Kg/h gasolio.Il valore di H sia di
1,5m ed L 20m. Viene scelta una tubazione in rame 12X1.
(con tali dati il valore L massimo accettabile é di 28m)
G19
®
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AVAL
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Esempio :
Bruciatore gasolio con portata di 65 Kg/h. Il valore di H sia
di1,5 m ed L di 30 m. Viene scelta una tubazione in rame 14x1
(con tali dati il valore di L massimo accettabile é di 40 m)
Bruciatori di gasolio:
impianto con alimentazione a caduta
PORTATA
GASOLIO
Kg/h
da 2
a 20
da 15
a 30
da 30
a 60
da 45
a 100
da 70
a 140
Ø 10x1 Ø 12x1 Ø 12x1 Ø 14x1 Ø 14x1
da 150
a 200
Ø _”
Ø _”
Ø _”
Ø _”
Lm
Lm
Lm
Lm
Lm
Lm
Lm
Lm
Lm
0,5
30
90
90
60
60
20
40
20
40
1
25
80
80
50
50
15
30
15
30
1,5
20
70
70
40
40
12
25
12
25
2
15
58
58
30
30
10
20
10
20
3
8
36
36
15
15
5
10
5
10
3,5
6
25
25
7
7
/
5
/
5
H (m)
H = Dislivello (m)
L = Lunghezza tubazioni compresotratto verticale (m)
E’ opportuno che la quota P non superi i 4m per non
sollecitare eccessivamente l’organo di tenuta della pompa
da 100
a 200
Bruciatori a nafta:
impianto di alimentazione con serbatoio di servizio
KCAL MAX
rese
P
Pompa
Ql/h
ØB
ØA
ØB
VISCOSITA’
3-5° E
7-9° E
VISCOSITA’
15-20° E
3-5° E
7-9° E
15-20° E
Fino a
400.000
300
1”
1”
1”
1”1/4
1”
1”
1”
Fino a
1.000.000
600
1”1/4
1”1/4
1”1/4
1”1/2
1”1/4
1”1/4
1”1/4
Fino a
2.000.000
600
1”1/2
1”1/4
1”1/2
1”1/2
1”1/4
1”1/4
1”1/4
Fino a
4.000.000
1000
2”
1”1/2
2”
2”
1”1/2
1”1/2
1”1/2
Fino a
6.000.000
1500
2”
2”
2”
2”1/2
1”1/2
1”1/2
1”1/2
G20
®
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PORTATE UGELLI
PORTATA UGELLO
G.P.H.
0,85
1
1,5
1,75
2
2,25
2,5
3
4
5
6
6,50
7
PRESSIONE POMPA (bar)
19 bar
20 bar
21 bar
Kg/h
Kg/h
Kg/h
4,9
5,7
8,6
10
11,5
12,9
14,3
17,2
23
28,7
34,4
37,3
40,2
5
5,9
8,8
10,3
11,8
13,2
14,7
17,7
23,5
29,4
35,3
38,3
41,2
5,1
6
9
10,6
12,1
13,6
15,1
18,1
24,1
30,2
36,2
39,2
42,2
l i k e
a
S u n d a y
AVAL
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PER BRUCIATORI A NAFTA
PORTATA UGELLO
G.P.H.
7,50
8,30
9,50
10,50
12,00
13,80
15,30
17,50
19,50
21,50
24
28
30
PRESSIONE POMPA (bar)
19 bar
20 bar
Kg/h
Kg/h
43
47,6
54,5
60,2
68,9
79,2
87,8
100,4
111,9
123,4
137,7
160,7
172,1
44,1
48,9
55,9
61,8
70,6
81,2
90,1
103
114,8
126,6
141,3
164,8
176,6
21 bar
Kg/h
45,2
50,1
57,3
63,3
72,4
83,2
92,3
105,6
117,6
129,7
144,8
168,9
181
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G22
S u n d a y
TEMPERATURA
®
Campo di viscosità per la polverizzazione
a
Curve1 - gasolio
2 - extra fluido
3 - fluido 3/5
4 - fluido 5/7
5 - denso 8
6 - denso 15-20
7 - denso viscosità 24 engler a 50°C
8 - denso viscosità 35 engler a 50°C
9 - denso viscosità 50 engler a 50°C
10 - denso viscosità 85 engler a 50°C
CURVE DI VISCOSITÀ
TEMPERATURE PER COMBUSTIBILI
l i k e
limite di pompaggio
VISCOSITÀ COMBUSTIBILI
e a s y
AVAL
m o r n i n g …
VISCOSITA’
®
e a s y
l i k e
a
S u n d a y
AVAL
m o r n i n g …
indice
TABELLA
DI CONVERSIONE DALLE UNITÀ DI PRESSIONE TRADIZIONALI
ALLE NUOVE UNITÀ DEL SISTEMA INTERNAZIONALE
pag.
4
PRESSIONE/ ENERGIA
“
4
RICHIAMI FONDAMENTALI SULLA TEORIA DEL CALORE
“
“
“
“
“
“
“
“
“
“
“
5
5
5
6
6
6
6
8
8/9
10
10
“
“
11
11
CALDAIE A TRE GIRI DI FUMO CON FOCOLARE PASSANTE “
12
12
LA TEMPERATURA E IL CALORE
CALORE SPECIFICO
CALORE SENSIBILE
CALORE LATENTE
CALORE TOTALE DEL VAPORE
PRODUZIONE DI VAPORE IN PRESSIONE
SPAZIO OCCUPATO DAL VAPORE (VOLUME SPECIFICO)
CARATTERISTICHE FISICHE DEL VAPORE ACQUEO SATURO
ENTALPIA DEL VAPORE ACQUEO SURRISCALDATO
CALORE SPECIFICO DEL VAPORE ACQUEO SURRISCALDATO
CALDAIE A TUBI DI FUMO AD INVERSIONE DI FIAMMA
PRINCIPIO
PRINCIPIO
DI FUNZIONAMENTO
DI FUNZIONAMENTO
“
CALDAIE A DUE GIRI DI FUMO CON FOCOLARE PASSANTE “
“
13
13
“
“
“
“
“
14
14
14
14
14
“
“
“
“
16
16
17
17
INCREMENTO DELLA TEMPERATURA DEI GAS IN RELAZIONE ALLO SPESSORE DELLA FULIGGINE
CALCOLO RAPIDO CONSUMO COMBUSTIBILE PER CALDAIE
CENNI SULLE CARATTERISTICHE DEI COMBUSTIBILI
CARATTERISTICHE TERMOTECNICHE DEI COMBUSTIBILI LIQUIDI
CARATTERISTICHE TERMOTECNICHE DEI COMBUSTIBILI GASSOSI
DIMENSIONAMENTO TUBAZIONI DI ALIMENTAZIONE DEI BRUCIATORI
BRUCIATORI DI GASOLIO: IMPIANTO CON ALIMENTAZIONE A CADUTA
BRUCIATORI DI NAFTA: IMPIANTO DI ALIMENTAZIONE CON SERBATOIO DI SERVIZIO
“
“
“
“
“
“
“
“
“
18
18
18
19
19
19
19
20
20
VISCOSITÀ DEI COMBUSTIBILI
“
22
PRINCIPIO
DI FUNZIONAMENTO
CALDAIE A TUBI D’ACQUA
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
LATO ACQUA
LATO FUMI
VERSIONE A CIRCOLAZIONE CONTROLLATA
ALCUNE INFORMAZIONI UTILI SULLE CALDAIE
ELEMENTI CARATTERISTICI DEI GENERATORI DI VAPORE
CARATTERISTICHE DELLA POMPA ALIMENTO CALDAIE A VAPORE
CONVERSIONE TRA KCAL/H - KG/H - KW - HP
DIAGRAMMA PER LA DETERMINAZIONE APPROSSIMATA DEL RENDIMENTO
DEI GENERATORI A VAPORE
®
e a s y
l i k e
a
S u n d a y
AVAL
m o r n i n g …
...we’ll take care of the rest.
GARIONI NAVAL srl
V.le dei Caduti 3 - 25030 CASTELMELLA (Bs) - Italy
phone +39 030 2681541 - fax +39 030 2680910
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