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Le caldaie marine Articolo di Duilio Curradi pubblicato sulla Newsletter del mese di agosto 2021

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Nella Newsletter precedente avete trovato una panoramica sui vari sistemi di propulsione meccanica delle navi. Alcuni semplici schemi, e qualche nota esplicativa, hanno cercato di fare chiarezza, seppure in maniera sommaria, sulle differenze fra i vari tipi di nave a propulsione a vapore e a propulsione Diesel. Ricordiamo che questi appunti, dall’aria piuttosto banale, non sono certo dedicati ad esperti del settore (che potrebbero sorridere) ma vogliono solo aiutare chi si impegna nella nobile arte del modellismo navale. Dopo l’epoca della vela, durata millenni, quando si navigava con due soli sistemi di propulsione: la forza dei muscoli e/o la forza del vento, fu deciso di installare sulle navi quelle macchine che, già affacciatesi in numerose attività terrestri, usavano la forza del vapore. Il vapore viene prodotto nelle caldaie nelle quali si brucia del combustibile. In queste Newsletter, che vogliono fornire soltanto notizie pur utili, ma in maniera assai semplificata, non andremo a scomodare le formule e i diagrammi della termodinamica, ma non possiamo esimerci dal dire due parole sul vapore e sui combustibili. Il vapore - se scaldiamo dell’acqua, all’interno di un recipiente, questa aumenta di temperatura (e solo in maniera trascurabile di volume). Ad un certo punto, intorno ai cento gradi C., questa comincia a bollire e si produce del vapore. Noi continuiamo a fornire calore ma, finché è presente anche l’acqua, la temperatura non aumenta più. Siamo nella fase del ”vapore umido”. Continuiamo a scaldare finché tutta l’acqua si è trasformata in vapore, arriviamo così alla fase del “vapore saturo”. Ma noi continuiamo a scaldare, bruciando combustibile, e il nostro vapore, costretto all’interno di un volume chiuso, aumenta di temperatura e cresce anche di pressione, siamo arrivati alla fase del “vapore surriscaldato”. E’ in questa fase che il vapore si comporta un po’ come un gas e incorpora quell’energia che, attraverso delle apposite macchine, ci fornirà il “lavoro” che ci serve per azionare l’elica e i macchinari ausiliari. Il combustibile - è tutto ciò che brucia. Si può presentare in forma solida, liquida o gassosa. Anche qui, per non farla troppo lunga, ci limitiamo a considerare il carbone e la nafta. La combustione è una reazione chimica che consiste nell’ossidazione del combustibile da parte di un comburente, di solito l’ossigeno dell’aria. La combustione, che normalmente non si sviluppa a temperatura ambiente, deve essere “innescata”. Poi, a seconda delle condizioni di gestione, si può arrivare alle temperature richieste per lo scopo previsto. Cosa succede nei forni delle caldaie - Nel caso del carbone il fuochista, aiutato dal carbonaio, dispone i pezzi di combustibile sulla griglia, innesca la combustione che viene alimentata da un flusso di aria, elimina i residui che cadono nel cenerario sotto la griglia. Se si tratta, invece, di caldaie alimentate a nafta, questa, opportunamente riscaldata, viene pompata nei forni attraverso dei bruciatori. Questi hanno lo scopo di polverizzare il liquido in tante piccolissime goccioline la cui superficie viene a contatto con l’ossigeno dell’aria. La gestione dei forni è molto importante perché tutto il combustibile deve poter bruciare correttamente senza lasciare residui incombusti. Un buon fuochista non dovrebbe far uscire troppo fumo dalla ciminiera. Ricordo un vecchio fuochista al quale il Capo Macchinista chiese di istruire un giovane appena imbarcato. Beppe, questo il nome dell’anziano, portò il ragazzo davanti alla caldaia e gli disse, in un dialetto che vi risparmio: questa è la caldaia, da qui entra l’acqua e da là esce il vapore, quello che succede qua dentro lo sa solo la Madonna. Comunque Beppe sapeva fare molto bene il suo lavoro. Ma prima di cominciare a descrivere i vari tipi di caldaie voglio raccontare cosa vidi quando avevo da poco compiuto 19 anni. Ero su una nave che portava merce varia in Africa. Eravamo ancorati davanti ad una città del Golfo di Guinea e scaricavamo, con mezzi di bordo, il materiale su delle chiatte che venivano rimorchiate sottobordo. Fui attratto dai piccoli rimorchiatori che tiravano le chiatte. Al centro avevano un grosso anello verticale al cui interno di trovava un cilindro. L’anello era “il forno”, il cilindro era “la caldaia”. Nell’intercapedine fra l’anello e il cilindro c’erano tanti pezzi di legno che bruciavano e, così, si generava il vapore che, immesso in una piccola macchina a stantuffo, azionava l’elica. Sono passati tanti (ma proprio tanti) anni ma non dimenticherò mai quel sistema che, comunque, funzionava bene. Uno sguardo ai principali tipi di caldaie

Caldaia semplice L’immagine a sinistra mostra una caldaia estremamente semplice nella quale sono ben individuabili le diverse parti. Si vede il focolare dove si produce il calore bruciando del carbone. C’è una griglia e, sotto, il cenerario. Il calore fa bollire l’acqua, contenuta nel serbatoio, che si trasforma in vapore. Questo viene prelevato attraverso la valvola di presa collegata al duomo dl vapore. Gli scarichi della combustione fuoriescono attraverso la ciminiera. Nel caso di alimentazione a nafta non ci sono la griglia ed il cenerario.

Caldaia a tubi di fiamma Questa immagine mostra, in maniera schematica, una caldaia cilindrica marina a ritorno di fiamma. I forni, cilindrici, sono nella parte inferiore. Al loro interno si trova una griglia sulla quale viene sistemato il carbone. Sopra la griglia c’è la camera di combustione. Sotto c’è il cenerario. La griglia è sostenuta da un muretto di mattoni refrattari detto “altare del focolare”. Le fiamme entrano nella cassa a fuoco, attraversano, internamente, il fascio tubiero e finiscono nella cassa a fumo. La caldaia è riempita di acqua fino ad almeno 20 cm sopra il cielo della cassa a fuoco. Lo scambio di calore avviene attraverso le pareti dei forni, della cassa a fuoco e del fascio tubiero. Il vapore si raccoglie nella parte superiore della caldaia. Per semplicità sono omessi vari particolari come valvole, indicatore di livello, manometro, ecc. Caldaie di questo tipo sono state modificate con l’applicazione di bruciatori per sostituire il carbone con la nafta.

Caldaia cilindrica bifronte Caldaie di questo tipo si prestavano ad essere realizzate nella versione “bifronte” come descritto nell’immagine a fianco. Questo tipo di caldaia trovò largo impiego nella prima metà del Ventesimo secolo. Sul Titanic, ad esempio, erano installate 24 caldaie bifronte, con tre forni per fronte, e 5 caldaie monofronte, sempre con tre forni. Questa soluzione portava il numero complessivo dei forni del Titanic ad un totale di ben 159.

Caldaia Babcock & Wilcox La caldaia marina a tubi d’acqua, illustrata a fianco, è costituita da un fascio di tubi, detti tubi bollitori, mandrinati su collettori a sezione quadrata “A” e “B” (ogni fila verticale di tubi ha i suoi collettori). Nella parte superiore c’è un serbatoio cilindrico collegato, nella parte inferiore, al collettore “A”. Il collettore “B” è invece collegato alla parte “vapore” del serbatoio attraverso i tubi di circolazione. Nella parte inferiore della caldaia c’è il focolare con le griglie e, sotto, il cenerario. Per favorire il migliore contatto fra il calore prodotto nel focolare ed i tubi bollitori, sono installati dei diaframmi che ne rallentano la fuga verso la ciminiera. Le caldaie di questo tipo, inizialmente a carbone, sono state sovente trasformate a nafta con l’installazione di appositi bruciatori. Il tiraggio nelle caldaie marine Abbiamo visto che, per produrre calore nel forno di una caldaia, bisogna “bruciare” del combustibile utilizzando un comburente che, normalmente, è l’ossigeno contenuto nell’aria.

Il tiraggio è il fenomeno che provoca la circolazione dell’aria nel forno in modo che possa essere garantita la combustione. Tiraggio naturale - è quello che si verifica grazie all’effetto aspirante del camino. Si basa sulla differenza di densità fra i gas caldi della combustione, all’interno del camino, e l’aria esterna. Tiraggio artificiale - è quello che si ottiene immettendo, a mezzo ventilatori, aria nei forni o aspirando i gas combusti. In questo modo aumenta il rendimento del sistema e diventa possibile recuperare parte del calore che, altrimenti, sfuggirebbe dal camino. Tiraggio a camere chiuse - in questo caso l’aria, aspirata dall’esterno da appositi ventilatori, viene immessa nei locali caldaie che sono ermeticamente chiusi. L’aria può uscire solo attraverso i forni.

Caldaia Yarrow L’immagine a fianco mostra una moderna caldaia per navi militari e per grandi transatlantici. E’ caratterizzata dalla presenza di più collettori e da fasci di tubi vaporizzatori. Fra due di questi fasci tubieri si trovano i tubi del surriscaldatore. Si tratta di tubi piegati a “U” che fanno capo ad un collettore diviso in due camere. In una entra il vapore saturo, dall’altra esce il vapore surriscaldato. Nella parte superiore, fra i tubi vaporizzatori e la cassa a fumo, sono sistemati dei fasci di tubi dritti che hanno lo scopo di preriscaldare l’aria destinata alla combustione recuperando calore dai fumi. Questi percorrono, infatti, l’interno dei tubi e, all’esterno passa l’aria destinata al focolare. Fin qui sono descritte alcune caldaie significative. Naturalmente ne esistono numerosi altri tipi, sia per impiego navale che per uso terrestre. Ma andremmo ben oltre le modeste pretese di questo sito.

Qualche altra notizia utile sulle caldaie navali L’acqua di alimentazione - I componenti delle caldaie sono soggetti a corrosione. Ciò è dovuto alle sostanze contenute nell’acqua che viene immessa in caldaia. In particolare bisogna guardarsi bene dalle sostanze saline e dalle materie grasse. Le navi sono state dotate di evaporatori che consentono di estrarre acqua, praticamente distillata, dall’acqua di mare. Un depuratore è sostanzialmente costituito da un grosso cilindro verticale sul cui fondo ci sono delle serpentine di vapore che portano l’acqua di mare in ebollizione. Dalla parte superiore del cilindro viene estratto questo vapore che, una volta condensato, può essere immesso in caldaia. Naturalmente sono stati sviluppati depuratori tecnicamente più evoluti, a più stadi, che, oltre a fornire acqua per le caldaie provvedevano alle esigenze di acqua dolce di bordo. E’ importante tenere presente che il ciclo acqua/vapore/acqua avviene in un circuito chiuso. In caldaia l’acqua diventa vapore, questo passa attraverso le motrici e poi finisce nel condensatore. Qui torna allo stato liquido e può essere reimmesso in caldaia. Ovviamente lo stato di purezza dell’acqua di alimento è tenuto sotto stretto controllo attraverso analisi sistematiche effettuate dal personale di Macchina. Mandrinatura dei tubi - I disegni qui sopra fanno intendere la grande quantità di tubi che si trovano all’interno di una caldaia. Questi tubi sono collegati a piastre tubiere o a collettori. Ebbene, il collegamento avviene attraverso un’operazione chiamata “mandrinatura” che si realizza con un apposito strumento chiamato “mandrino”. L’estremità del tubo viene inserita in un foro, di diametro preciso. Poi si inserisce il mandrino all’interno della testa del tubo e viene fatto girare. I cilindri che compongono il mandrino si allargano e vanno a forzare il tubo contro la parete del foro fino ad assicurare la tenuta. L’operazione deve essere fatta da persone esperte perché può anche capitare, in caso di forzatura, che il tubo si spezzi, nel punto di innesto, e lo si debba buttare. Gestione delle caldaie a bordo - Una nave, quando arriva in porto, non spegne mai tutte le caldaie. Naturalmente tutto dipende dalla durata della sosta. Spente e “intercettate” le caldaie non più necessarie vengono mantenute in servizio solo quelle necessarie ai servizi di bordo (generatori di corrente, pompe varie, verricelli di coperta se a vapore, ecc.). Per risparmiare combustibile, nel caso di soste un po’ più lunghe, si può anche far raffreddare qualche caldaia ma attenzione. Quando la caldaia deve tornare in servizio bisogna avviare, per tempo, dei cicli di accensione tali da portare tutti i componenti alla giusta temperatura in modo graduale e sicuro. Una nave a vapore non può mai rimanere senza vapore (salvo il caso di disarmo) perché avrebbe difficoltà a ripartire. In quel caso dovrebbe ricevere vapore da terra o da altra nave.

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