concept
il problema del calcare
Prima di cimentarci nella progettazione vera e propria del generatore di vapore, abbiamo preferito fare un passo indietro e quindi partire dalla radice del problema, cioè individuando le possibili cause che concorrono alla formazione del calcare.
Tra le principali vi sono senza dubbio la durezza dell’acqua e la temperatura cui essa è sottoposta. Infatti, più l’acqua è dura e più alta è la concentrazione di ioni calcio e magnesio presenti in soluzione e più la temperatura si innalza e più viene destabilizzato l’equilibrio chimico che porterà, dagli ioni, alla formazione di un precipitato solido che è il calcare, appunto.
La soluzione da noi presa è stata quella di inserire un campo magnetico lungo il tratto d'ingresso dell’acqua all’interno dell’autoclave. I motivi di questa scelta verranno esposti in parte in questo paragrafo e in parte ripresi più avanti, quando verrà trattato il capitolo sulle prove sperimentali in modo da provare quanto qui detto.
Un primo vantaggio di questa soluzione è senza dubbio la sua azione non invasiva. I magneti, infatti, essendo posti all’esterno dei tubi di transito dell’acqua, non interagiscono direttamente con la stessa e quindi non ne alterano la composizione chimica. Essi intervengono invece sulle proprietà fisiche facendo in modo che il calcare non precipiti sotto forma di calcite, ma in una forma allotropica (aragonite) meno aggressiva nei confronti delle pareti delle tubazioni (si rimanda a fine pagina per una spiegazione più approfondita, “Considerazioni chimico-fisiche: effetto Piccardi”). Inoltre, lasciando l'acqua così trattata a riposo all'interno di un recipiente, è possibile apprezzare un calo della conducibilità della stessa, cosa che prova la diminuzione degli ioni disciolti all'interno della soluzione. Proprio per questo motivo abbiamo pensato di inserire questo sistema a monte del serbatoio di carico (si rimanda alla sezione Prove Sperimentali per un approfondimento più dettagliato).
Certamente la soluzione dei magneti non è stata la prima a essere stata pensata, ma è frutto di un lungo percorso di ricerca e di compromessi con i requisisti imposti dall’azienda.
Si era inizialmente pensato di utilizzare filtri tradizionali (quali scambiatori ionici o dosatori di polifosfati), ma si è subito abbandonata l’idea perché se da un lato i filtri avessero rappresentato la soluzione più appetibile e largamente utilizzata, dall’altro avrebbero richiesto molta più manutenzione e cura (dovute, per esempio, alla continua ricarica dei sali nei filtri) senza quindi migliorare la disponibilità e l’autonomia della macchina.
Da notare inoltre che una scelta degli scambiatori ionici sarebbe stata comunque bocciata sia per le dimensioni di ingombro sia perché avrebbero comportato una spesa considerevole: buoni scambiatori ionici hanno un costo che varia tra le centinaia e le migliaia di euro.
Volevamo trovare quindi qualcosa di più economico e che, soprattutto, desse continuità al funzionamento del sistema senza la necessità di continui interventi esterni dettati dall’utente.
Per questo motivo, successivamente, avevamo deciso di inserire una resistenza elettrica all’interno del serbatoio di carico. Essa avrebbe avuto lo scopo di scaldare l’acqua fino a una temperatura di circa 80°C facendo precipitare precocemente il calcare, il quale sarebbe stato raccolto sul fondo del serbatoio stesso, garantendo così all’acqua circolante una minore concentrazione di calcare (avremmo infatti eliminato la sua durezza temporanea). Tuttavia la tempistica di questo processo si è dimostrata molto alta (intorno al paio d’ore, se non di più), e questo avrebbe inficiato l’immediato utilizzo della macchina, aspetto che doveva essere rispettato data l’esigenza quasi giornaliera di riempimento del serbatoio e quindi di cambio dell’acqua.
Per questo, in conclusione, la soluzione magnetica è stata un ottimo compromesso sia dal punto di vista economico sia da quello manutentivo. I magneti, una volta installati, non hanno bisogno di essere sostituiti per molto tempo.
il generatore
Con le migliorie apportate attraverso l’effetto di magnetizzazione dell’acqua che hanno permesso di diminuire quindi la problematica del calcare, abbiamo potuto progettare un generatore di vapore senza apportare grosse modifiche a quelli già esistenti sul mercato. Infatti, spendendo più tempo per ripensare a una soluzione ottima che migliorasse il sistema già a monte, ci ha permesso di semplificare la progettazione dei componenti di valle, tra cui nello specifico, quella del generatore di vapore.
Dopo un’attenta analisi di mercato abbiamo compreso che la struttura più semplice e compatta prevede una struttura cilindrica piena in acciaio al cui interno è posta una resistenza elettrica che funge da sorgente di calore. Sulla superficie esterna del cilindro si avvolge a mo’ di spirale una serpentina in acciaio che permette il transito dell’acqua (Fig. 2.1). Questa disposizione elicoidale fa sì che, a fronte di un avanzamento assiale, l’acqua resti più a lungo a contatto con la superficie calda così da ottimizzarne lo scambio termico e contenere le dimensioni del generatore stesso.
Fig. 2.1 - Vista interna della serpentina del generatore da noi proposto.
La scelta di questa configurazione nasce dalla problematica, riscontrata da Faro S.p.A. in alcuni generatori circolanti sul mercato, secondo cui vi è un accumulo di calcare soprattutto nelle sezioni di attacco in ingresso e uscita degli stessi. Infatti, come si può notare in Fig. 2.2, questi generatori presentano due attacchi i cui assi sono perpendicolari alla direzione tangenziale che l’acqua avrà una volta entrata nel generatore (direzione imposta da un canale ottenuto tramite fresatura direttamente sul corpo del generatore). Questo brusco cambio di direzione rappresenta una forte perdita di carico per il sistema che si traduce in una differenza di pressione che porta alla destabilizzazione dell’equilibrio chimico a favore di una massiccia precipitazione del calcare.
Fig. 2.2 - A sinistra, vista esterna del generatore. A destra, vista interna del generatore con la serpentina fresata. Si può notare come serpentina e assi degli attacchi abbiano un angolo di incidenza praticamente di 90 gradi.
Proprio per questo motivo dunque, abbiamo preferito pensare a una serpentina esterna, che potesse avvolgersi più “dolcemente” attorno al corpo centrale. Certo, questa scelta ha ovviamente lo svantaggio di diminuire la superficie si scambio termico e quindi di aumentare le dimensioni del generatore in termini di numero di spire e quindi di lunghezza, tuttavia quest’ultima rispetta comunque ampiamente i vincoli dettati dall’azienda.
*** EFFETTO PICCARDI ***
Il comportamento sopra citato riguardante la formazione di un precipitato sotto forma di una diversa forme allotropica della calcite si spiega attraverso l’effetto Piccardi, secondo cui l’acqua tende ad assume uno stato di attivazione determinato dall'energia che essa assorbe transitando all'interno del campo magnetico. L’energia così immagazzinata fa assumere uno stato più ordinato agli aggregati di molecole nell'acqua, per cui il carbonato di calcio precipita sotto forma di Vaterite (la cui struttura esagonale sarebbe altrimenti instabile), i cui cristalli rimangono in sospensione nella corrente fluida. Questi cristalli finissimi e di piccole dimensioni diventano nuclei di cristallizzazione poiché l'enorme superficie complessiva che ricoprono fa si che ogni ulteriore quota di carbonato di calcio che precipita si depositi ad accrescere questi piuttosto che sulle superfici del recipiente.
Quindi, in sintesi, l’energia che l’acqua riceve dal campo magnetico e che lentamente rilascia serve proprio a questo: alla formazione e all’accrescimento dei cristalli di Vaterite che rimangono in soluzione. Dunque, fin tanto che lo stato di attivazione perdura non si ha deposito di calcare sulle pareti. Successivamente, con l’accrescimento dei cristalli, la Vaterite tenderà a stabilizzarsi in Aragonite (prevalentemente) e Calcite (in minor quantità), restando comunque in soluzione.
