La riduzione della pressione fa secco il vapore?

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riduzione di pressione

Concludiamo la serie di articoli dedicati alla riduzione della pressione del vapore rispondendo ad un interessante quesito che ci ha posto un utente: “Se riduco la pressione del vapore, il vapore si surriscalda?”

Nella fattispecie la richiesta si riferisce ad una riduzione della pressione del vapor saturo da 20 a 1 bar per una batteria di essiccazione. Diciamo subito che in teoria la risposta è sì ma precisiamo che ci sono molti casi pratici in cui, dopo una riduzione di pressione, si può ottenere vapor saturo anziché surriscaldato e il caso sollevato dal nostro lettore è proprio uno di questi. Cominciamo a fare alcune precisazioni per essere chiari e soddisfare una più ampia platea di utenti che ci hanno fatto pervenire richieste analoghe.

Nei processi di produzione o che implicano scambi di calore e termoregolazioni il vapore surriscaldato non è vantaggioso, conviene sempre utilizzare vapor saturo secco. Vediamo cosa vuol dire e perché.

Per vapore surriscaldato, lo ricordiamo, si intende il vapore le cui condizioni sono al di sopra della curva di saturazione. Nei processi che implichino scambio termico è svantaggioso utilizzare il vapore surriscaldato.
Il surriscaldamento infatti…
– abbatte in modo drastico il coefficiente di trasmissione termica del vapore allungando enormemente i tempi di ciclo;

– elimina il grosso vantaggio di usufruire di un processo a temperatura costante introducendo gradienti termici disuniformi e variabili nei vari punti delle superfici di scambio; – toglie la relazione biunivoca pressione-temperatura che tanto è di ausilio per la precisione di regolazione della temperatura dei processi e impone inoltre un minor contenuto termico volumico.
Di conseguenza,  si utilizza vapore surriscaldato soltanto per la generazione di energia a mezzo turbine; invece per i processi produttivi e di scambio termico si impiega solo ed esclusivamente vapore saturo, o tuttalpiù leggermente surriscaldato alla partenza della distribuzione, affinché sia saturo e quanto più secco possibile all’utilizzo.

Cosa ci dice la teoria…

La nostra convinzione che, con il processo di riduzione della pressione si possa ottenere il fenomeno di surriscaldamento del vapore, si basa sul seguente assioma della termodinamica: la laminazione attraverso una valvola di regolazione è un fenomeno di trasformazione con caratteristica isoentalpica, cioè a contenuto termico costante.

Esaminando  il diagramma di Mollier (Fig.1) possiamo trovare la conferma che, eseguendo una riduzione di pressione con trasformazione a contenuto termico costante, ci si ritrova, a valle del riduttore, con del vapore variamente surriscaldato in funzione delle differenti condizioni di pressione a monte ed a valle.

La riduzione di pressione nella pratica

La pratica si discosta dalla teoria, naturalmente pur non smentendola, ed entro i dovuti limiti. Va tenuto presente che una pressione differenziale più contenuta darebbe surriscaldamenti minori e che un surriscaldamento molto modesto, dell’ordine di 5 – 10°C, può non solo essere tollerabile ma addirittura auspicabile per disporre di vapore saturo secco ad una utenza che disti 10 – 20 m dal riduttore e che sia collegata con tubazione normalmente isolata. Si può addirittura affermare che nella riduzione di pressione effettuata su vapore saturo, il surriscaldamento finale non rappresenta in generale un pericolo reale perché ci sono altri elementi che attenuano o eliminano il fenomeno.

Chiariamo il concetto di vapore “saturo secco” e di vapore “saturo umido”.
Nel primo caso il vapore saturo non contiene più alcuna goccia di acqua in sospensione e la sua vaporizzazione è perfetta e totale; nel secondo caso il vapore contiene ancora una certa quantità di acqua sotto forme di gocce e proiezioni liquide di dimensioni anche minime, non perfettamente vaporizzate. E’ proprio il “titolo del vapore”, cioè la percentuale ponderale di vapore saturo secco in una certa quantità considerata di vapore in condizioni reali, a definirne lo stato ossia il grado di secchezza del vapore saturo. Il vapore saturo secco al 100%, cioè con titolo 1, è una pura astrazione di laboratorio poiché dal generatore escono sempre goccioline più o meno grosse di acqua calda non vaporizzata, trascinata dal vapore generato, a dispetto di tutti i dispositivi di separazione per quanto sofisticati.

Nel caso di riduzione da 15 a 5 bar, comunissimo in stabilimento, basta una umidità del 2%, cioè un titolo 0,98, già ottimale in partenza, per avere vapore a pressione ridotta saturo e non surriscaldato, cioè a 5 bar e 159°C!

Con un titolo del vapore normalmente riscontrabile sugli impianti di distribuzione in stabilimento, pari al 95% e vapore a 15 bar, dopo la riduzione otterremmo ancora vapore saturo umido ma con una presenza ridotta di umidità e cioè con un titolo del 97%: con la riduzione otteniamo il risultato di migliorare la qualità del vapore inviato al processo con certo ed immancabile miglioramento delle prestazioni (migliore resa termica, maggiore stabilità del processo ed affidabilità di prodotto).

Riprendiamo il caso del nostro lettore. Le  tabelle del vapore per le due pressioni a monte (20 bar) e a valle (1 bar) ci forniscono i seguenti dati:

Essendo la riduzione una trasformazione isoentalpica, il vapore a valle ha un contenuto termico totale pari a 2802,6 kJ/kg. La differenza tra 2802,6 e 2708 non è altro che la quantità di calore che è stata impiegata dalla trasformazione surriscaldando il vapore a valle che ha assunto una temperatura pari di  

più alta rispetto la temperatura di saturazione. il vapore a valle è perciò surriscaldato alla temperatura di

Lo stesso valore può essere ottenuto semplicemente plottando la prevista trasformazione sul diagramma di Mollier come illustrato in Fig. 1. Bisogna puntualizzare che il livello del contenuto termico iniziale e finale (prima e dopo la trasformazione) è rimane invariato, ma che all’interno della valvola che opera la trasformazione avvengono fenomeni dinamici per cui il percorso non è rettilineo come ipotizzato dalla retta azzurra, ma è una spezzata come indicato in rosso perché risultante di una combinazione di fenomeni di espansione con trasferimenti di energia ad opera della dinamica interna e delle conversioni tra pressioni statiche e pressioni dinamiche: all’interno dei riduttori si raggiungono e superano facilmente velocità supersoniche.

Comunque, dalle tabelle del vapore o dal diagramma di Mollier il risultato teorico è sempre lo stesso: la nostra riduzione di pressione da 20 a 1 bar ci porta ad avere vapore a valle con un grado di surriscaldamento di 48°C.

A questo punto ci si potrebbe lasciar influenzare da questo dato, temendo di dover contrastare il fenomeno del surriscaldamento che, come sappiamo è più che deleterio per il trattamento termico di un qualsiasi prodotto, ma non è così perché basta disporre di vapore con titolo dell’ordine del 95÷97%, come normalmente si riscontra nei comuni impianti di distribuzione, per avere a valle della stazione di riduzione della pressione vapore saturo, anziché surriscaldato.

Vediamo allora quanto deve essere il titolo del vapore a monte che ci garantisca di ottenere vapor saturo a valle.

Chiamando X l’umidità incognita del vapore a monte prima della riduzione, la condizione di uguaglianza tra l’entalpia a monte e quella del vapor saturo secco a valle (dalle tabelle del vapore) è:

Basta quindi un titolo del 95,4% ovvero una presenza di umidità pari al 4,6% per evitare il surriscaldamento e con questo riteniamo di aver risposto al nostro lettore.

Riduttori di pressione e separatori di umidità

Il riduttore di pressione in un impianto a vapore saturo va dunque considerato non come una  possibile fonte di surriscaldamento, bensì come un dispositivo utile per migliorare il  titolo e quindi la qualità del vapore.
Il riduttore di centrale termica posizionato subito dopo il generatore ha la funzione di stabilizzatore della pressione in rete e può aumentare il potenziale termico ed il rendimento del generatore stesso, consentendo il funzionamento a pressione ottimale superiore a quella di utilizzo.
E’ utile disporre anche di uno o più riduttori a valle, in prossimità di gruppi di utilizzi o di singole utenze, per avere la massima possibilità di rifornire gli utilizzi con vapore saturo alla giusta pressione e della migliore qualità possibile.

Prima di ogni riduttore è sempre suggeribile realizzare il drenaggio con un separatore di condensa, questo ci servirà per ridurre la vapore senza trascinarci della condensa.

Il vantaggio del separatore di condensa rispetto al normale drenaggio illustrato in Figura 2, è che può intercettare buona parte dell’umidità trasportata dal vapore.

Il vapore che arriva ad una velocità di circa 25m/s si scontra contro il setto trasversale installato nel separatore per creare un primo impatto alle gocce trasportate in turbolenza ad alta velocità e poi offrendo un rallentamento per il grande aumento di sezione. Il risultato finale è un maggiore avvicinamento al titolo del vapore ideale.

Avremo così un titolo all’utenza molto vicino a 1, grazie anche alla successiva riduzione di pressione, e la massima protezione del riduttore di pressione stesso.

Il separatore di condensa deve essere drenato con uno scaricatore di condensa a funzionamento meccanico o termodinamico (uno scaricatore termostatico non sarebbe invece in grado di garantire uno scarico immediato del condensato, dovendo attendere il sottoraffreddamento richiesto dal sistema termostatico e potrebbe causare allagamenti e quindi vanificare l’efficacia della separazione).

I separatori di condensa Spirax Sarco: un’ampia gamma di modelli per soddisfare ogni esigenza

Spirax Sarco mette a vostra disposizione separatori potenzialmente inseribili in qualsiasi applicazione o processo. I loro grandi volumi interni forniscono un eccellente grado di separazione dall’umidità con perdite di carico molto contenute. I nostri separatori si dividono in due tipi:

1) Disponibili nelle varianti costruite in ghisa e ghisa sferoidale, i separatori Serie S1, S2, S3, S12 e S13 sono progettati per applicazioni generiche. Ideati per offrire principalmente la semplicità di funzionamento, sono unità relativamente compatte ma molto efficienti nel caso di applicazioni non critiche.

2) I separatori ad elevata efficienza in acciaio al carbonio e in acciaio inox della Serie 9800-9800Z, 5800-5800Z, S5, S6, S7 e S8 sono specificamente progettati per mantenere elevata efficacia di separazione della condensa su un ampio intervallo di velocità e pressioni di linea.

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