I ventilatori a tiraggio forzato delle caldaie supportano un'alimentazione stabile dell'aria di combustione negli impianti industriali

In una caldaia industriale, la stabilità della combustione non dipende solo dal bruciatore stesso. L'impianto di combustione deve ricevere la giusta quantità di aria alla pressione richiesta, anche al variare del carico della caldaia. I ventilatori a tiraggio forzato della caldaia forniscono quest'aria di combustione spingendo l'aria ambiente o preriscaldata verso il bruciatore, la camera del vento, la griglia o il forno. Nei sistemi a tiraggio bilanciato, il ventilatore a tiraggio forzato funziona insieme al ventilatore a tiraggio indotto per controllare il flusso d'aria attraverso la caldaia.

Perché è importante l'alimentazione dell'aria di combustione

Il carburante non può bruciare in modo efficiente se l’ossigeno disponibile è insufficiente. Allo stesso tempo, fornire semplicemente più aria non è una soluzione. L'aria in eccesso assorbe calore e trasporta ulteriore calore attraverso il camino, il che può ridurre l'efficienza della caldaia. Per questo motivo, i ventilatori a tiraggio forzato per caldaie devono fornire un flusso d'aria sufficiente sull'intero intervallo operativo anziché semplicemente produrre il massimo volume d'aria possibile.

Ad esempio, consideriamo una caldaia a biomassa che funziona tra il 60% e il 100% del carico. Se il ventilatore funziona quasi alla massima velocità indipendentemente dal carico della caldaia, il sistema potrebbe ricevere un'aria di combustione eccessiva a basso carico. L'approccio migliore consiste nel controllare il flusso d'aria in base alla domanda effettiva di carburante, utilizzando uno smorzatore di ingresso, una paletta guida di ingresso o un VFD a seconda del progetto del sistema. La ricerca sul controllo a velocità variabile delle caldaie ha anche mostrato la relazione tra il funzionamento della ventola, l'aria in eccesso e l'efficienza della caldaia. 

Non selezionare la ventola solo dalla potenza del motore

Uno degli errori più comuni quando si sostituisce un ventilatore per caldaia è richiedere un motore da 30 kW, 45 kW o 75 kW e aspettarsi che il produttore del ventilatore determini tutto in base a quel numero. La potenza del motore è un risultato del processo di selezione della ventola, non il parametro di selezione principale.

Per i ventilatori a tiraggio forzato per caldaie, le informazioni di base dovrebbero includere:

Portata d'aria richiesta, ad esempio m³/h o CFM

Pressione statica richiesta o pressione totale

Temperatura dell'aria in ingresso

Tipo di carburante

Capacità della caldaia

Altitudine operativa

Intervallo di carico previsto

Perdite di carico nei condotti e nelle apparecchiature

Resistenza del bruciatore o della griglia

Perdita di carico del preriscaldatore dell'aria, se installato

Metodo di controllo

Tensione e frequenza del motore

Disposizione di installazione del ventilatore

Senso di rotazione e posizione di uscita

Il requisito di pressione deve essere calcolato dal percorso dell'aria completo. Condotti, gomiti, serrande, filtri, preriscaldatori dell'aria, scatole del vento, registri dei bruciatori e altri componenti contribuiscono tutti alla resistenza. 

Un esempio pratico di selezione dei fan

Supponiamo che una caldaia industriale richieda 18.000 m³/h di aria comburente a una pressione statica di 2.200 Pa nelle condizioni operative di progetto. Il ventilatore non dovrebbe essere scelto semplicemente come “ventilatore da 18.000 m³/h”.

Innanzitutto, l'ingegnere dovrebbe verificare se 18.000 m³/h è la portata d'aria operativa effettiva richiesta o se include già il margine di progettazione richiesto. Successivamente è necessario calcolare le perdite di carico tra l'ingresso del ventilatore e il forno.

Per esempio:

Perdita nel condotto dell'aria: 300 Pa

Perdita di smorzamento: 180 Pa

Perdita del preriscaldatore d'aria: 450 Pa

Perdita del windbox e del bruciatore: 700 Pa

Altre perdite di sistema: 350 Pa

Margine richiesto: valutato separatamente in base al disegno del progetto

La selezione del ventilatore dovrebbe quindi essere verificata rispetto al punto di lavoro risultante piuttosto che rispetto al solo flusso d'aria. Ciò è particolarmente importante quando i ventilatori a tiraggio forzato della caldaia vengono utilizzati in sostituzione di un'unità esistente, poiché le modifiche alle condutture o al bruciatore possono spostare il punto di funzionamento effettivo.

La pressione del ventilatore e il flusso d'aria devono corrispondere alla caldaia

Un ventilatore può produrre un grande flusso d'aria a bassa pressione e tuttavia non riuscire a fornire l'aria necessaria al forno. Al contrario, la selezione di una pressione eccessiva può comportare una strozzatura non necessaria e una maggiore potenza operativa.

Questo è il motivo per cui la curva delle prestazioni del ventilatore è importante. Il punto di progetto dovrebbe essere posizionato all'interno di una regione adatta della curva del ventilatore, con un campo di controllo sufficiente per il normale funzionamento della caldaia.

Per i ventilatori a tiraggio forzato per caldaie, normalmente controllerei almeno tre punti di funzionamento:

Carico minimo stabile della caldaia

Carico operativo normale

Carico continuo massimo

Se la caldaia funziona normalmente al 70–90% del carico, la ventola non dovrebbe essere ottimizzata solo per un punto teorico del 100%. L'intervallo operativo effettivo è importante perché la richiesta di aria di combustione cambia con l'immissione di carburante.

Il controllo VFD può essere utile, ma non è automaticamente la soluzione migliore

Per i ventilatori a tiraggio forzato delle caldaie vengono spesso presi in considerazione gli azionamenti a frequenza variabile perché la velocità del ventilatore può essere regolata in base al carico della caldaia. Per i ventilatori centrifughi, le leggi sui ventilatori forniscono una base utile per comprendere l'effetto dei cambiamenti di velocità: il flusso d'aria cambia approssimativamente con la velocità, la pressione cambia approssimativamente con il quadrato della velocità e la potenza cambia approssimativamente con il cubo della velocità.

Ciò significa che una riduzione relativamente piccola della velocità può produrre una riduzione significativa della potenza della ventola.

Tuttavia, la scelta del VFD dovrebbe considerare anche il motore, la velocità operativa minima, la risposta del controllo, i requisiti di avviamento, le considerazioni sulle armoniche e la strategia di controllo del flusso d'aria richiesta. Un VFD non dovrebbe essere semplicemente aggiunto perché sembra più efficiente. È necessario considerare l'intero sistema di controllo della caldaia. Cosa succede quando la ventola è sottodimensionata? Una ventola a tiraggio forzato della caldaia sottodimensionata può sembrare accettabile durante il funzionamento a basso carico ma diventare un collo di bottiglia quando la caldaia si avvicina al pieno carico.

I sintomi tipici includono:

La ventola funziona vicino alla velocità massima

Impossibilità di raggiungere il flusso d'aria richiesto

Basso livello di ossigeno nel forno

Combustione instabile

L’aumento della CO

Produzione di vapore ridotta

Maggiore consumo di carburante

Caduta di pressione eccessiva nel sistema dell'aria

La serranda rimane completamente aperta

Prima di sostituire la ventola, tuttavia, i tecnici dovrebbero confermare che il problema sia effettivamente la capacità della ventola. Un filtro sporco, un condotto ostruito, una serranda posizionata in modo errato, un preriscaldatore dell'aria incrostato o un bruciatore modificato possono aumentare la resistenza del sistema e creare sintomi simili a quelli di una ventola sottodimensionata.

Esempio di caso: caldaia a biomassa con flusso d'aria insufficiente

Consideriamo una caldaia a biomassa originariamente progettata per circa 15.000 m³/h di aria comburente. Dopo diversi anni di funzionamento, l'impianto è passato a un combustibile a biomassa più umida.

L'operatore ha notato che la caldaia non riusciva più a mantenere la precedente condizione di combustione a carico elevato. Il presupposto iniziale era che la ventola FD fosse diventata troppo piccola.

Un sopralluogo ha rilevato tre condizioni importanti:

La ventola stava ancora raggiungendo all'incirca la velocità di progettazione originale.

La serranda di aspirazione era quasi completamente aperta

Il nuovo carburante conteneva molta più umidità.

Il team di ingegneri ha quindi controllato il fabbisogno di aria comburente e la pressione del sistema prima di decidere su un ventilatore sostitutivo. Questo è importante perché cambiando il carburante si possono modificare le condizioni di combustione richieste; il semplice aumento delle dimensioni della ventola potrebbe non risolvere il problema del processo sottostante.

La scelta finale del ventilatore si è basata sui requisiti modificati di flusso d'aria e pressione piuttosto che sulla vecchia potenza nominale del motore.

La ventola FD e la ventola ID devono essere considerate insieme

In una caldaia a tiraggio bilanciato, il ventilatore FD fornisce l'aria di combustione mentre il ventilatore ID rimuove i gas di combustione e aiuta a mantenere la pressione del forno richiesta. Questi due ventilatori svolgono compiti diversi ma influiscono direttamente sullo stesso processo di combustione.

Se il lato FD fornisce sostanzialmente più aria di quella che il sistema può rimuovere, la pressione del forno può aumentare. Se il lato ID esercita una trazione eccessiva rispetto all'aria di combustione in entrata, può svilupparsi una pressione negativa eccessiva.

Pertanto, quando si sostituiscono i ventilatori a tiraggio forzato della caldaia, è utile verificare anche il funzionamento ID del ventilatore esistente. Il nuovo ventilatore FD dovrebbe adattarsi al campo operativo dell'intero sistema di controllo dello sforzo anziché essere valutato come un componente isolato dell'apparecchiatura.

La temperatura dell'aria influisce anche sulla scelta della ventola

La temperatura dell'aria di combustione deve essere specificata prima di selezionare i ventilatori a tiraggio forzato per caldaia.

Se la ventola gestisce l'aria ambiente, la densità è diversa da un sistema in cui l'aria è passata attraverso un preriscaldatore dell'aria. All’aumentare della temperatura dell’aria, la sua densità diminuisce, il che influenza la relazione tra flusso volumetrico, flusso di massa, pressione e potenza della ventola.

Ad esempio, due sistemi possono entrambi mostrare 20.000 m³/h su carta mentre funzionano a temperature dell'aria sostanzialmente diverse. Il calcolo ingegneristico deve quindi stabilire la temperatura operativa effettiva e la base della pressione piuttosto che considerare il numero di volume come indipendente dalle condizioni operative.

Ciò diventa particolarmente importante nelle caldaie che utilizzano preriscaldatori d'aria o altre apparecchiature di recupero del calore.

Controlli di manutenzione da non ignorare

Anche un ventilatore scelto correttamente può perdere prestazioni a causa di problemi di manutenzione. Per i ventilatori a tiraggio forzato per caldaie, l'ispezione di routine deve includere la girante, i cuscinetti, l'albero, il giunto, la corrente del motore, le vibrazioni, le condizioni dell'ingresso, la posizione della serranda e le condutture.

Se il flusso d'aria diminuisce gradualmente mentre la velocità della ventola rimane invariata, non aumentare immediatamente la velocità. Primo controllo:

Intasamento del filtro in ingresso

Apertura della serranda

Ostruzione del condotto

Incrostazione della girante

Condizioni dei cuscinetti

Condizioni della cinghia o del giunto

Rotazione della ventola

Pressione del sistema

Resistenza del bruciatore o della scatola del vento

Una girante contaminata da polvere o depositi può modificare le condizioni aerodinamiche e aumentare lo squilibrio. L'aumento della velocità di compensazione può aumentare il carico meccanico senza risolvere il problema originale. Quali informazioni dovrebbero essere inviate a un produttore di ventilatori? Per una richiesta di offerta che coinvolge ventilatori a tiraggio forzato per caldaie, una richiesta tecnica utile dovrebbe contenere molto più della semplice capacità della caldaia.

Una pratica richiesta di offerta può includere:

Capacità della caldaia: 20 TPH

Combustibile: biomassa/carbone/gas naturale/petrolio

Portata d'aria richiesta: 18.000 m³/h

Pressione richiesta: 2.200 Pa

Temperatura dell'aria: 40°C

Altitudine: 35 m

Frequenza operativa: 50 Hz

Voltaggio motore: 415 V

Controllo: VFD

Installazione: interna

Rotazione: Da confermare

Direzione uscita: Da confermare

Se il ventilatore esistente viene sostituito, sono estremamente utili anche fotografie, informazioni sulla targhetta, curva del ventilatore, dati del motore, dimensioni del condotto e misurazioni operative effettive.

Più i dati di funzionamento sono completi, più facile sarà selezionare i ventilatori a tiraggio forzato per caldaia che corrispondono al reale utilizzo della caldaia invece di selezionare un modello da un catalogo basato solo sulla portata d'aria nominale.

Considerazioni finali

Lo scopo principale dei ventilatori a tiraggio forzato per caldaie è semplice: fornire al sistema di combustione aria stabile e controllabile alla pressione richiesta dalla caldaia. La sfida ingegneristica è rendere disponibile il flusso d’aria nell’intero intervallo operativo, mantenendo sotto controllo la potenza della ventola, la pressione del forno, le condizioni di combustione e l’affidabilità meccanica.

Per un progetto di caldaia nuova, il ventilatore deve essere selezionato dal calcolo completo della resistenza lato aria. Per un progetto di sostituzione, i dati operativi effettivi dovrebbero essere confrontati con la curva del ventilatore originale prima di decidere se il problema è un'insufficiente capacità del ventilatore, una maggiore resistenza del sistema o un cambiamento nelle condizioni di combustione.

Un ventilatore a tiraggio forzato per caldaia ben selezionato non è quindi semplicemente un ventilatore ad alto flusso d'aria. Si tratta di un componente adattato al combustibile della caldaia, al sistema di combustione, alle perdite di pressione, alla temperatura di esercizio, al metodo di controllo e all'intervallo di carico previsto. Questo è ciò che permette alla caldaia di mantenere una combustione stabile senza sprecare inutilmente potenza del ventilatore.