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ⓘ Caldaia (riscaldamento)




Caldaia (riscaldamento)
                                     

ⓘ Caldaia (riscaldamento)

Una caldaia, in un impianto di riscaldamento, è lapparecchiatura che realizza il passaggio di calore, per mezzo di combustione, a un liquido senza che avvenga la sua ebollizione, con lo scopo poi di distribuirlo opportunamente a un ambiente tramite limpianto stesso.

Se invece tale apparecchiatura causa il cambiamento di stato dellacqua da liquido ad aeriforme, in modo continuo e in condizioni controllate, viene meglio definita generatore di vapore tipicamente usata in accoppiamento alle turbine per la produzione di energia elettrica.

                                     

1. Cenni storici

Parte dellevoluzione delle caldaie è dovuta allevoluzione dei combustibili. Dal legno dei primordi, verso il XVIII secolo si è passati al carbone, rimasto per 150 anni il combustibile principe; la combustione avveniva nel focolare, sostanzialmente una griglia su cui veniva posto il combustibile solido in modo più o meno meccanizzato e da cui venivano evacuate le ceneri, anchesse in modo più o meno meccanizzato.

Nel XX secolo il carbone è stato gradualmente soppiantato dai combustibili liquidi; ciò ha richiesto la sostituzione del focolare con un apparato capace di iniettare miscele combustibile liquido - comburente gassoso nella camera di combustione. Tali dispositivi sono detti bruciatori.

Oggigiorno la maggior parte dei bruciatori e della caldaie domestiche funzionano a gas metano. Il gasolio e i combustibili solidi sono banditi, tramite la restrizione dei parametri della combustione "Rendimento" e "NOx", in molte regioni italiane.

                                     

2. Costruzione

Nella caldaia si distinguono essenzialmente:

  • il camino: condotto esterno di dispersione dei prodotti di combustione esausti.
  • il fascio tubiero non presente in genere nelle caldaie per riscaldamento: assieme di tubi che collegano, nelle caldaie a tubi di fumo il focolare al camino, e in quelle a tubi dacqua i corpi cilindrici. Il fascio tubiero ha la funzione di aumentare per quanto possibile la superficie di scambio tra fumi e acqua;
  • il focolare o bruciatore: organi di ingresso dellenergia termica; sul focolare, o grazie al bruciatore, si costituisce una miscela non stechiometrica tra il carbonio o altro elemento ossidato contenuto nel combustibile e lossigeno contenuto nellaria, in modo da realizzare una fiamma tale da trasmettere il calore sia per conduzione termica tramite i fumi caldi di combustione, sia per irraggiamento;
  • lambiente: contenente il focolare o il bruciatore è detto camera di combustione ; nel caso di focolari a combustibile solido è prevista una camera, detta cinerario, solitamente sottostante la griglia del focolare, in cui si accumulano le ceneri di combustione prima di essere estratte; nelle caldaie a pellet la cenere viene eliminata con i gas di scarico; la camera di combustione è solitamente in leggera depressione nel caso di combustibile solido; in presenza di un bruciatore la camera è a volte a pressione superiore allatmosferica;
                                     

3. Classificazione

Come visto, si possono classificare le caldaie secondo:

  • il profilo di circolazione dellacqua e dei fumi a tubi dacqua/tubi di fumo
  • la pressione massima di esercizio
  • il tipo di combustibile
  • la produzione massima oraria di vapore
  • il tipo di riscaldamento esterno/interno;
  • il contenuto dacqua in rapporto alla superficie
  • la circolazione dellacqua naturale, assistita o forzata

Si possono inoltre classificare per:

  • alcune caldaie, pur essendo installate in punti definiti da altre considerazioni, hanno una relativa facilità di spostamento; tipicamente la caldaia in quanto tale è un monoblocco completo di accessori, esclusi lalimentazione del combustibile ed eventualmente accessori esterni quali il camino. Queste sono le caldaie semifisse.
  • infine, una caldaia locomobile in cui lenergia di spostamento è data dalla caldaia stessa grazie allinstallazione di un motore a vapore è detta locomotiva. Ne è ovviamente un esempio la motrice a vapore dei treni.
  • la maggior parte delle caldaie sono concepite per uso continuativo e definito, e vengono installate in un punto preciso definito in base a considerazioni pratiche. Sono quindi installate in modo permanente, e possono essere rimosse solo dopo importanti lavori di demolizione. Queste sono le caldaie fisse.
  • tipo di focolare.
  • tipo di installazione
  • esistono poi caldaie che contengono in sé tutti gli accessori necessari al funzionamento, incluso un serbatoio del combustibile solido, liquido o gassoso, e che spesso hanno mobilità facilitata, essendo montate su ruote e quindi trainabili; utilizzate ad esempio per usi di cantiere. Queste caldaie sono delle locomobili.


                                     

4. Caldaie per usi civili

Negli usi civili le caldaie si distinguono in base alla potenza termica nominale Pn. Un altro parametro che compare tra i dati di targa delle caldaie è la portata termica nominale, più correttamente esplicabile come potenza termica calcolata al focolare considerando il potere calorifico inferiore del combustibile. Il rapporto tra la potenza termica nominale e la portata termica nominale dà il rendimento della caldaia al 100% della potenza.

Per gli appartamentini condominiali con riscaldamento autonomo, in considerazione dei ridotti spazi per la posa in opera di caldaie di altro tipo, è invalso, anche per effetto della crescente metanizzazione in atto sul territorio nazionale, luso di caldaie del tipo murale.

                                     

4.1. Caldaie per usi civili Caldaie murali

Sono generalmente realizzate con uno scambiatore in acciaio e consentono la necessaria compattezza dimensionale; gli scambiatori in questi tipi di caldaia sono in acciaio austenitico, atto a resistere alle temperature di fiamma e alla corrosione legata al processo di combustione. Questo tipo di generatore di calore è, in alcuni casi, dotato di bollitore di ridotte dimensioni per la produzione di acqua calda sanitaria e alta capacità di scambio e, in altri casi, di scambiatore sanitario a scambio rapido, a forma di bollitore a serpentina di piccole dimensioni, detto boilerino o scambiatore a piastre produzione di acqua calda di tipo istantaneo. Le caldaie murali si suddividono in tre tipi:

  • Tipo B: a camera aperta con canna fumaria a tiraggio naturale: deve essere collocata in locali aerati, con assoluta esclusione di bagni, camere da letto e di locali dove siano presenti camini privi di autonoma presa daria, o allaperto, per prevenire la formazione nei locali di ossido di carbonio per carenza di ossigeno;
  • Tipo C: a camera chiusa con canna fumaria a tiraggio forzato: poiché è stagna laria comburente viene prelevata dallesterno attraverso una tubazione, può quindi essere collocata in qualsiasi locale eccetto lautorimessa, purché ventilato al fine di prevenire concentrazioni di gas a seguito di perdite dalle giunzioni;
  • Tipo A: a camera aperta senza canna fumaria: non è più a norma, doveva essere collocata in spazi aperti;

Anche per effetto della normativa vigente D.P.R. n. 74/2013, Legge n. 10/91, tendente anche a garantire la sicurezza relativamente allo scarico dei prodotti di combustione, il mercato italiano si è andato evolvendo verso linstallazione di caldaie a camera stagna a tiraggio forzato. In questa caldaia la combustione avviene in una camera chiusa stagna rispetto allambiente circostante, ciò comporta la necessità di prelevare aria comburente dallesterno tramite apposite condotte, con conseguente necessità di dotare la caldaia stessa di un elettroventilatore con funzione di prelievo dellaria esterna e per forzare tiraggio forzato lespulsione dei prodotti di combustione verso il camino che li disperde. Se da un lato questultimo tipo di caldaia garantisce la sicurezza rispetto al travaso di gas di combustione allinterno degli ambienti, dallaltro fa insorgere problematiche legate allo scarico dei prodotti della combustione e alle relative condotte di fumisteria, che risultano in pressione e che devono garantire anche nel tempo la tenuta. Le caldaie murali possono essere per installazione interna o per installazione esterna in appositi armadi di contenimento.

Unevoluzione tecnica di questo tipo di caldaia si è avuta con lintroduzione sul mercato nel 1989 delle caldaie a condensazione dal costruttore Junkers. Questo tipo di generatore di calore ha la caratteristica di recuperare il calore di condensazione ed è pertanto caratterizzato da rendimenti termici eccezionali, oltretutto con unemissione di ossido di carbonio e di altri residui pericolosi assai contenuto. Queste caldaie sono quasi sempre del tipo a tiraggio forzato con combustione realizzata premiscelando laria al combustibile e rappresentano il futuro nella realizzazione di generatori di calore.

                                     

4.2. Caldaie per usi civili Caldaie a basamento

Questo tipo di caldaia, assai più ingombrante rispetto alla precedente, è generalmente dotata di bollitore ad alta capacità, che richiede per la sua collocazione i necessari spazi; può essere del tipo a camera aperta o a camera stagna. Generalmente le caldaie a camera aperta vengono installate in un locale adibito a centrale termica, mentre nel caso di collocazione allinterno dellunità abitativa per effetto della normativa di sicurezza vigente si provvede allinstallazione di caldaie a camera stagna. La superiore capacità del bollitore garantisce una maggiore possibilità di utilizzo contemporaneo di più punti di prelievo di acqua calda sanitaria. Lo scambiatore di questo tipo di caldaia può essere in acciaio, in lega di alluminio o alluminio-silicio es. nelle caldaie murali o a elementi di ghisa. Per il funzionamento a combustibile liquido gasolio o solido legno o pellet, data la conformazione diversa della camera di combustione, la struttura è generalmente realizzata in acciaio con bollitore incorporato o meno, in funzione delle esigenze dello stabile. Per il civile salvo usi particolari, le caldaie sono generalmente a tubi di scarico con temperature di funzionamento inferiori a 100 °C. Il mercato negli ultimi anni ha subito una brusca accelerata, sia per effetto delle normative di sicurezza e risparmio energetico, sia per una evoluzione tecnologica relativa al controllo della combustione e alla termoregolazione. Le soluzioni che offre il mercato sono le più disparate. Si tratta in questo caso di adottare la migliore tecnologia in funzione degli ambienti da riscaldare, degli spazi a disposizione, del tipo di distribuzione e della tipologia di impianto che si intende realizzare.



                                     

4.3. Caldaie per usi civili Caldaia a fiamma inversa

La caldaia a fiamma inversa è un tipo di caldaia a biomassa, dove la fiamma si sviluppa verso il basso.

Le caldaie a legna a fiamma inversa sono di tre tipi:

  • ad aspirazione atmosferica senza elettroventilatore;
  • soffiate, ossia con ventilatore che lavora "in spinta" sui fumi;
  • aspirate, cioè con elettroventilatore che lavora in aspirazione dei fumi.

In questultimo caso, a caldaia in esercizio e con elettroventilatore acceso anche aprendo lo sportello non esce fumo.

Uno dei suoi vantaggi è che vi si può riempire tutto il focolare di legna, senza che venga bruciata tutta insieme. Man mano che la legna viene consumata dal fuoco, scende verso il basso. Una carica di legna viene consumata in alcune ore ed è opportuno accumularne il calore prodotto in un proporzionato accumulatore termico inerziale cosiddetto "puffer", anche perché per tutelare lintegrità delle caldaie a legna da condense e incrostazioni corrosive è fondamentale consumare la carica della legna senza soste; altra importante funzione dellaccumulatore termico inerziale è quella di rilasciare calore allimpianto di riscaldamento a intermittenza e a una temperatura più bassa di quella di lavoro della caldaia a legna, che è superiore ai 70 °C. Lo scambio di calore in queste caldaie è di solito molto efficiente perché sono equipaggiate di vari dispositivi, tra cui regolatori di tiraggio termomeccanici, apparato di controllo della temperatura fumi elettronico, ecc.

                                     

5. Rischi

I rischi solitamente associati alle caldaie/bollitori di acqua a tiraggio naturale sono i rischi da ostruzione della canna fumaria. Quando il tiraggio della suddetta canna venga meno, per esempio a causa di nidificazione sulla zona posta alluscita dei fumi da parte di volatili, il condotto accumulerà pressione fino a scaricarla nellambiente in cui è installato il generatore, causando intossicazione da monossido di carbonio CO alle persone che sostino nei pressi del generatore. Esistono termostati posti sullo scarico fumi, che intervengono nel caso in cui vi sia rigurgito dei prodotti della combustione e quindi innalzamento della temperatura allo scarico spegnendo il bruciatore.

I rischi associati a caldaie a tiraggio forzato, con bruciatore atmosferico o premiscelato, derivano invece solitamente da mancanza di manutenzione. In particolar modo le recenti caldaie a condensazione per uso domestico richiedono una scrupolosa manutenzione annuale. Nel caso estremo in cui un bruciatore non venga aperto per più anni, la guarnizione flangia che separa la camera stagna dallinterno del bruciatore può cedere a causa del calore lasciando fuoriuscire i prodotti della combustione o addirittura le fiamme che andranno a danneggiare gravemente lapparecchio. È assai difficile che una situazione del genere possa degenerare in un incendio, in quanto le prime "vittime" del fuoco allinterno della camera stagna sarebbero i cablaggi che collegano alla scheda principale gli organi di regolazione e sicurezza. Mancando anche solo uno di questi collegamenti, lelettrovalvola di adduzione gas sarebbe istantaneamente chiusa. È pertanto assolutamente sconsigliabile far passare un intervallo di tempo superiore ai 12 mesi tra una manutenzione ordinaria e unaltra.