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CALDAIA
PAGINA TRATTA DA http://www.lavanderiapadana.it/generatori%20di%20vapore.htm



Apparecchiatura che impiega il calore prodotto da un combustibile per riscaldare un liquido, generalmente acqua, come negli impianti di riscaldamento a termosifoni o in quelli di produzione del vapore. In questo secondo caso, la caldaia si chiama propriamente generatore di vapore, ma più comunemente caldaia a vapore. Nella sua forma più semplice è costituita da una camera di combustione dove viene bruciato il combustibile e da una camera nella quale l'acqua viene trasformata in vapore.
Cenni storici
L'idea di convertire l'energia cinetica del vapore in energia meccanica apparve per la prima volta nel I secolo a.C nell'opera Pneumatica del matematico greco Erone di Alessandria. Egli descrive una sorta di turbina a vapore, detta eliopila, costituita da una caldaia collegata a una sfera cava libera di ruotare attorno ai due poli, rappresentati dalle estremità dei due tubi di collegamento: la sfera era munita di due tubetti sulla linea equatoriale, piegati ad angolo e contrapposti, dai quali usciva il vapore, causando la rotazione della sfera. Altri riferimenti si trovano in opere medievali e rinascimentali, fino ad arrivare alla prima applicazione pratica realizzata dall'architetto italiano Giovanni Branca: questa consisteva in una caldaia per produrre vapore che, uscendo da un beccuccio, colpiva le alette sporgenti di una ruota, facendola girare.
Dopo la celebre "pentola" del francese Denis Papin, il primo motore a vapore di impiego pratico fu costruito dal britannico Thomas Savery nel 1698: utilizzava due cilindri di rame riempiti alternativamente con il vapore generato da una caldaia, e veniva usato per azionare le pompe di drenaggio delle miniere. Analogo impiego trovò il cosiddetto motore atmosferico, inventato nel 1705 dal britannico Thomas Newcomen, al quale lo scozzese James Watt apportò importanti modifiche, introducendo serbatoi sferici o cilindrici riscaldati da una fiamma libera sottostante. La caldaia di Watt, realizzata nel 1769, era formata da un corpo orizzontale nel quale circolavano gas caldi di combustione. Watt, che fu uno dei primi studiosi a occuparsi delle proprietà termodinamiche del vapore, inventò anche vari dispositivi di sicurezza, fra cui il noto regolatore di pressione che porta il suo nome (vedi Macchina a vapore).
Caldaia a tubi di fumo
I motori di Savery, Watt e Newcomen funzionavano tutti a pressione poco maggiore di quella atmosferica. Nel 1800 l'inventore statunitense Oliver Evans costruì un motore a vapore ad alta pressione, utilizzando una caldaia che anticipava la caldaia a tubi di fumo: in essa l'acqua scorreva tra due involucri cilindrici orizzontali, inseriti uno nell'altro. Griglia e focolare erano alloggiati nel cilindro interno, consentendo il rapido aumento della pressione del vapore. Nello stesso periodo, il britannico Richard Trevithick sviluppò la caldaia Cornovaglia, con caratteristiche simili; nel 1845 il britannico William Fairbairn brevettò la caldaia Lancashire, detta a tubi di fumo perché i gas caldi di combustione passavano entro un fascio di tubi inseriti nel contenitore d'acqua, con conseguente aumento della superficie di trasferimento del calore. Le caldaie a tubi di fumo avevano potenzialità e pressione limitate, e talvolta risultarono addirittura esplosive.
Caldaia a tubi d'acqua
La prima caldaia veramente affidabile era del tipo a tubi d'acqua, e fu brevettata nel 1867 dagli inventori statunitensi George Herman Babcock e Stephen Wilcox. In essa, l'acqua fluiva attraverso tubi riscaldati esternamente dai gas di combustione, e il vapore veniva raccolto in una cupola (duomo) corrispondente alla parte superiore della caldaia. Tale configurazione utilizzava sia il calore di convezione dei gas sia il calore irradiato dal carbone - che bruciava nel focolare - e dalle pareti della caldaia. Nel XX secolo questo tipo di caldaia diventò il modello standard per tutte le caldaie di grosse dimensioni, grazie anche all'impiego di acciai speciali in grado di sopportare temperature elevate e allo sviluppo di moderne tecniche di saldatura.
Le caldaie a tubi d'acqua moderne possono produrre oltre 2500 tonnellate all'ora di vapore surriscaldato a 600 °C e alla pressione di 350 atmosfere. La temperatura di combustione può superare i 1650 °C e il flusso d'acqua viene regolato mediante circolazione naturale o forzata. Con l'impiego di surriscaldatori, le caldaie attuali possono superare il 90% di rendimento del combustibile. L'aria in entrata e l'acqua di alimentazione vengono riscaldate da preriscaldatori che utilizzano i gas di combustione scaricati nei camini. La regolazione del tiraggio e il trattamento chimico dell'acqua, per impedire la corrosione e la formazione di incrostazioni, contribuiscono a migliorare l'efficienza delle apparecchiature.