Bellissimo e completo articolo da Ocean4future a cura di Giancarlo Poddighe

Se esaminiamo gli ultimi cinquant’anni di vita della propulsione a vapore nella Marina militare italiana, 1930 – 1980, limitandoci alle sole navi di linea e maggiori, si possono identificare due “famiglie” di apparati, quelle di concezione e matrice inglese (caldaie  Ammiragliato) adottate dalla Regia Marina italiana (RI), e quelle di matrice e concezione statunitensi, adottate dopo la guerra dalla Marina militare italiana  (MMI), sia per le navi cedute dalla US Navy sia per le nuove costruzioni.

La  prima  “famiglia  si  riferisce  alle  caldaie  triangolari  (definite  Regia  Marina)  a  due  o  tre  collettori,  con surriscaldatore  (per la definizione si consideravano solo i collettori collegati con il collettore superiore).

Gli  schemi  seguenti   riguardano  l’apice  dello  sviluppo  prebellico  della  produzione  italiana  (30  anni  di evoluzione che alla fine segnava già un distacco dalle altre Marine): una produzione segnata da una certa miopia dell’industria, ma anche condizionata dalla scarsità nel Paese di acciai di elevata qualità, scarsità ancora più acuta  per  manufatti  quali  tubi  e  collettori  (con  il  difficile  passaggio  per  questi  dalla  chiodatura  alla saldatura, che avrebbe permesso pressioni di esercizio più elevate e macchine piu leggere). Per  inciso  la  sezione  triangolare  delle  caldaie  di  concezione  e  matrice  inglese  derivava  dalla  più  antica combustione a carbone, con la possibilità di alimentare la fornace in contemporanea da due fronti).

Nella Regia Marina, per ragioni di peso e spazio, le caldaie a due collettori erano prevalentemente destinate alle unità di più piccolo dislocamento, come torpediniere e caccia, e quelle a tre collettori – comunque più evolute  –  alle  unità  maggiori.  Le  grandi  dimensioni  di  queste  caldaie  impedivano  spesso  –  nelle  unità minori,  l’ installazione  affiancata,  e  lo  sviluppo  in  verticale,  con  le  caldaie  appoggiate  praticamente  in chiglia, impediva l’uso di doppi fondi, importanti per la protezione subacquea ma anche  per l’eventuale uso come serbatoi nafta, con pesanti ripercussioni sull’autonomia, fattore critico delle unità italiane. 

Schematicamente la caldaia è costituita da collettori di acciaio, collegati tra loro da fasci di tubi di acciaio (per quanto possibile ad elevata resistenza);  tra i fasci tubieri è ricavata la camera di combustione rivestita internamente,  soprattutto  nelle  zone  non  interessate  da  tubi,  da  uno  o  più  strati  di  mattoni  refrattari, sigillati con pasta refrattaria. 

L’acqua di alimento era mantenuta ad elevata pressione, ovviamente superiore alla pressione di esercizio della caldaia, tramite una apposita pompa di elevate caratteristiche ed affidabilità, ed arrivava al collettore superiore tramite uno o più tubi, collegati e terminati in modo da poter distribuire uniformemente  l’acqua di alimento, relativamente più fredda di quella già in ciclo nella caldaia. L’esigenza fondamentale era quella di mantenere l’acqua in caldaia a livello il più possibile costante, agendo sulla mandata delle(e) pompa(e) di alimento: l’operazione, controllata  attraverso  i  livelli, fu  via via oggetto di automazione. 

Risultavano pieni di acqua (liquido) sia i fasci tubieri che i collettori inferiori. Il calore trasmesso dalla camera di combustione ai fasci tubieri, nell’operare la vaporizzazione dell’acqua la  metteva  in  movimento  (effetto  termosifone),  obbligandola  a  salire  nei  tubi  più  esposti  alla  fiamma  ed  a scendere  in  quelli  più  lontani,  relativamente  più  freddi. Al  variare  dell’attività  di  combustione  e  della produzione di  vapore,  il  numero di  tubi  (o  meglio  file di  tubi) in  cui  si verificava  il  moto  ascensionale poteva variare, in aumento o diminuzione. Per assicurare in qualsiasi modo la discesa verso i collettori inferiori, anche con forte  attività di combustione, e quindi con una numero maggiore di file di tubi impegnate nel moto ascensionale, le caldaie erano dotate di una serie di tubi di maggior diametro sistemati esternamente alla camera di combustione, se non addirittura all’ esterno dell’ involucro.   

Questa sistemazione tipica era molto seguita nelle caldaie di matrice statunitense, ma molto più limitata nelle caldaie di matrice inglese, tipo ammiragliato (le caldaie definite “tipo  Ammiragliato”  devono  il  loro  nome  ad  un  centro  della  Royal Navy  dedicato  al  loro  studio  e  soprattutto  alle  loro  prove. 

La Marina tedesca, al momento della sua ricostituzione come  Reichsmarine tentò  di  replicare  questo  centro,  sviluppando  progetti  e  conducendo prove preliminari molto avanzate per le caldaie ad altissima pressione;  il troppo precipitoso passaggio alla fase di produzione e l’installazione a bordo di tali apparati, con la  chiusura prematura di tale centro e la mancata funzione di centro di formazione, condussero a risultati disastrosi, come gli apparati montati sui caccia delle classi Z.

Lo schema  1-3 permette  di  valutare  le  grandi  dimensioni  e  la  complessità  della  fornace,  con  relativi refrattari:  corrispondeva  anche  alle  caldaie  installate  sui  transatlantici  veloci  costruiti  in  Italia  nella  stessa epoca.

Il vapore prodotto si raccoglieva nella sommità del collettore superiore dal quale veniva prelevato tramite un sistema in grado di separare nel possibile, attraverso un percorso di centrifugazione, liquido da vapore. Il vapore cosi prelevato, vapore saturo, passava quindi al surriscaldatore che lo trasformava in gas perfetto; il surriscaldatore era diaframmato in modo da formare in pratica due camere separate, unite da un fascio ad U;  il vapore saturo entrava dalla parte a temperatura inferiore, perché più lontana dalla camera di combustione e  veniva  poi  convogliato alla  parte  a  temperatura  maggiore per essere poi inviato agli utenti.

E’ importante sottolineare che l’aria comburente, in questo tipo di  caldaie, veniva  inviata  alla  camera di combustione tramite  le  stesse  aperture  dei  polverizzatori,  diaframmate  in  modo  da  creare  turbolenza, attraverso lo stesso locale  caldaie  che  veniva  mantenuto.  per  mezzo  di  potenti  ventilatori  (elettrici  in avviamento e turboventilatori a regime) in leggera sovrappressione. La sovrappressione del locale serviva anche a limitare la possibilità dei ritorni di fiamma. Il  combustibile  veniva  introdotto  in  camera  di  combustione  attraverso  polverizzatori  meccanici,  il  più largamente usato era il tipo Mejani, sistemati nella parte frontale delle caldaie e spruzzanti per opportuna miscelazione nella turbolenza appositamente creata nell’aria comburente.

Il numero dei polverizzatori in uso era  variabile in funzione della  potenza  richiesta  e,  nel  caso  di  andature  ridotte,  venivano  accesi  a rotazione  per  mantenere  uniformità  di  temperatura. Si  utilizzava  nafta  densa, che  doveva  essere preriscaldata con vapore a bassa pressione per renderla sufficientemente fluida, generalmente messa in pressione con pompe a vitoni; la polverizzazione avveniva tramite piastrine  rimuovibili, con fori diversi a seconda dell’ attività di combustine richiesta:   le piastrine tendevano a sporcarsi ed otturarsi rapidamente per  la  cristallizzazione  della  nafta,  soprattutto  quando  di  non  eccelsa  qualità,  ed  il  sistema  obbligava a continui interventi manuali complicati e pericolosi,  di sostituzione dei polverizzatori, per manutenzione e sostituzione delle piastrine.

Questo tipo di apparato motore, per conformazione e materiali, risultò notevolmente pesante, di notevoli dimensioni, soprattutto in pianta, penalizzando molto le costruzioni prebelliche italiane, in special modo le siluranti dove in molti casi non si potevano istallare caldaie affiancate (sistemazione per madiere) ma solo in successione (sistemazione per chiglia).

Prima  di  continuare  questa  breve  descrizione  delle  ultime  caldaie  MMI,  è opportuno  ricordare  che  nel progetto e nella storia di questi apparati per lungo tempo si confrontarono due scuole, quella dei tubi dritti e  quella  dei  tubi curvi,  via  via  sempre  più sagomati.

L’adozione di  tubi  dritti  rispondeva  alla  prioritaria esigenza  di  sostituire  più’  facilmente,  anche  con  mezzi  di  bordo,  tubi  scoppiati  ed  usurati  (eliminando perdite di vapore) in un’epoca in cui non erano disponibili materiali di alta qualità, mentre l’adozione di tubi  curvi  e  poi  via  via  sagomati  –  certamente  di  difficile  sostituzione  –  che  permettono  un  maggio sfruttamento  del  calore  in  caldaia  ed  un  efficace  controllo  del  passaggio  dei  gas  caldi  di  combustione corrisponde alla progressiva disponibilità di tubi di acciaio speciale e di alta resistenza al calore. La  pratica  di  sostituzione  dei  tubi  con  soluzioni  di  emergenza  ed  addirittura  con  mezzi  di  bordo  fu progressivamente abbandonata,  sostituita dall’ altrettanto complicata e difficile procedura di otturazione delle due estremità dei tubi usurati (operazione che comportava ovviamente lo spegnimento delle caldaie interessate, il loro raffreddamento e  la  loro  ventilazione  per accedere  ai  collettori). In pratica procedure che necessitavano di vari giorni continuativi, con pesanti ripercussioni sull’ approntamento dell’unità.

Il passaggio al secondo tipo di  caldaia,  la  “matrice  statunitense”,  post bellico,  limitato  ai  tipi  FW,  Foster Wheeler, segnò anche una profonda rivoluzione dell’industria italiana, colmando un gap tecnologico ultra ventennale.  La  FW  aprì una filiale in Italia  e  tutti  e  tre  i  principali  costruttori  di  caldaie acquisirono le relative licenze e si adeguarono alle stesse.

Come  si  può  notare  dagli  schemi  successivi  siamo  di  fronte  a  soluzioni  strutturali  e  forme  totalmente diverse da quelle già trattate in precedenza. Si è persa la conformazione a sezione  “triangolare”, e siamo di fronte a caldaie più compatte, sviluppate relativamente in verticale, con ridotta superficie in pianta, nelle quali il miglior controllo del passaggio dei gas combusti permetteva di ridurre l’uso dei refrattari e quindi il peso  della  caldaia,  mentre  le  ridotte  dimensioni  in  pianta  ne  permettevano  la  sistemazione  affiancate  per madiere (in larghezza)  anziché  per chiglia (lunghezza).

Questo schema viene riportato anche come riferimento ad altri tipi di caldaie adottati dalla US Navy (per esempio nave Aviere e nave Artigliere avevano caldaie Babcock) ma il tipo maggiormente impiegato nella MMI fu il tipo D a focolare singolo, ed a questo si fa riferimento per gli approfondimenti (schema 2-2) 

In  questo  caso  i  collettori  inferiori  erano  uno  a  sezione  circolare,  cui  faceva  capo  il  fascio  vaporizzatore principale,  ed  altri  due,  novità  assoluta  per  l’Italia,  erano a  sezione  quadrata, ai quali erano  collegati  due  fasci,  vere proprie pareti di tubi vaporizzatori, esposte al calore di irraggiamento, che servivano anche per raffreddare un fianco ed il dorso della caldaia ed a ridurre l’uso di materiali refrattari. Esistevano  poi  due  altri  collettori  quadrati,  di  entrata  ed  uscita  del  surriscaldatore,  di  cui  tratteremo  in seguito. 

La  scelta  dei  collettori  quadrati  era  dovuta  alla  maggiore  facilità  di  accesso  e  lavoro  per  la mandrinatura dei tubi e la tenuta dei numerosi portelli di ispezione. Con  queste  caldaie,  di  costruzione  nazionale,  le  cui  varianti  trovarono  largo  impiego  nella  Marina mercantile ed in costruzioni per l’estero, si colmò un gap industriale di miopia e disattenzione delle solite lobbies  che  dominarono  le  commesse  del  ventennio, i  cui  indirizzi  la  Regia Marina aveva  inutilmente  cercato  di opporsi: tra il 1937 ed il 1940 si svilupparono una serie di studi del GN sugli apparati motore delle contemporanee costruzioni estere, a cominciare dai transatlantici che in realtà tutti avevano apparati motore di derivazione militare.

Costruzioni all’altezza dei tempi, caldaie dove temperature e pressioni erano molto elevate e comportarono l’adozione di accorgimenti costruttivi e, soprattutto, acciai speciali resistenti ad alte temperature, finalmente resi disponibili dall’industria nazionale. Una grande novità fu la modalità con cui veniva  introdotta  in  caldaia  l’aria  comburente che,  prelevata dai ventilatori (elettrici e turbo), non veniva immessa in locale ma sospinta in una intercapedine che circondava tutta la caldaia.

In  tal  modo si  ottennero  i vantaggi di preriscaldare l’aria comburente, di contribuire al raffreddamento della struttura e quindi ridurre pesi e volumi di refrattari ed isolamenti, evitando la sovrappressione del locale caldaie. Di fatto reso più abitabile per il personale ma anche di maggiore semplicità costruttiva eliminando le garitte di accesso che dovevano compensare la differenza di pressione con gli altri locali navi.

Anche se concepito per altri fini (rendimento termico e riduzione pesi) è evidente il contributo di tale sistemazioni per ridurre (anche se non  eliminare) la contaminazione in ambiente dei locali in condizioni di guerra NBC.

In quanto alla sequenza e percorsi dei fluidi, l’acqua di alimento, prima di essere immessa nel collettore superiore, percorreva un fascio di tubi alettati, detto economizzatore, sistemato all’uscita della caldaia, verso il  fumaiolo,  che  recuperava il calore dei  gas allo scarico. Un fascio tubiero che era comunque molto sollecitato, dovendo sopportare le pressioni di spinta delle pompe di alimento, che ovviamente dovevano mandare ad una pressione superiore a quella di esercizio della caldaia (pressioni dell’ordine superiore dei 50 kg/cmq).

Come tutte le parti e componenti delle caldaie, occorre tener conto degli spostamenti per dilatazione, più complicati e difficili da affrontare quando siamo in presenza di materiali di diversa natura. Come indicato nell’assonometria precedente nello schema 2-3, uno degli elementi costruttivi tipici di queste caldaie era la complessità del collettore superiore, assolutamente diverso dal caso della “matrice inglese”: era condizione necessaria ed indispensabile che il vapore (saturo) prelevato per il passaggio nel surriscaldatore fosse privo di gocce d’acqua allo stato liquido.  

L’eliminazione dell’acqua trascinata dal vapore saturo avveniva obbligando il vapore stesso ad un tortuoso percorso, prima attraverso dei separatori a ciclone (separazione centrifuga) e poi attraverso filtri a lamelle (separazione meccanica). Il surriscaldatore era  costituito  da  due  fasci  di  tubi  ad  U,  sistemati  orizzontalmente,  intestati  su  collettori quadrati posizionati parallelamente in verticale.

Questa era una delle grandi differenze rispetto ai surriscaldatori delle caldaie della Regia Marina, che generalmente avevano un unico collettore diviso longitudinalmente in due camere grazie ad un diaframma.

Tale sistemazione permetteva l’adozione di materiali differenziati, più idonei come, nel caso in esame, il collettore di uscita, a più elevata temperatura, era costruito in acciaio al cromo-molibdeno. In questi tipi di caldaie, e direi ad ulteriore complicazione ed affollamento del collettore  superiore, era sistemato  un  desurriscaldatore,  costituito  da  un  tubo  ad  U  posizionato  nella  parte  bassa  per  tutta  la lunghezza del collettore, in modo da rimanere sempre immerso nel liquido. Tale apparecchiatura aveva una duplice funzione: la più importante era quella di mantenere costantemente un flusso di vapore attraverso il surriscaldatore, anche nel caso di variazioni di andatura e fermata dei principali utenti, le motrici.   Era necessario preservare il surriscaldatore, posizionato nella zona più critica della caldaia: il passaggio del vapore saturo attraverso il surriscaldatore aveva il compito di assorbire calore ed esercitava una funzione refrigerante nei confronti del fascio tubiero, posizionato in un ambiente con temperature oscillanti tra 900 e 1200*C.

La seconda funzione del desurriscaldatore, operativa, era quella di abbassare  la  temperatura  di  parte  del surriscaldato  (da  450°C  a  circa  300°C) tramite una valvola riduttrice a circa 30 kg/cmq. Tali misure sul ciclo portavano a condizioni ottimali del vapore destinato all’azionamento dei macchinari ausiliari, permettendo che gli stessi fossero di costruzione più leggera senza dover sempre ricorrere ad acciai speciali e strutture rinforzate; questa misura comportava comunque un miglioramento del rendimento del ciclo; il  calore  in  eccesso  veniva  in  tal  modo  recuperato  cedendolo  all’ acqua  di  alimento  in  cui  il desurriscaldatore era immerso.

Lo schema indicato, con il particolare del riscaldatore nafta, si riferisce al periodo sino agli anni ’70, quando il combustibile per le caldaie navali (diverso e più “raffinato” da quello delle unità mercantili, in quanto più fluido) era il Navy Twenty Point (codifica NATO) sostituito poi, in fase finale dell’era del vapore, dal gasolio, non  tanto  come  misura  ecologica  ma da esigenze di standardizzazione logistiche di “combustibile unico”. Anche se di breve durata, si trattò di un passaggio sostanziale, con importanti modifiche al ciclo ed alla condotta delle caldaie e degli apparati ausiliari.

Considerazioni sui rendimenti e la rischiosità di questi tipi di caldaie

Il passaggio dalle caldaie di “matrice inglese” Tipo RM/MMI alle caldaie di “matrice statunitense” Tipo FW, standardizzato sulle unità  MMI della  ricostruzione post bellica, fu reso possibile dall’introduzione nell’industria nazionale di nuove tecnologie, nuovi impianti, nuove tecniche di lavorazione e dal costante miglioramento delle caratteristiche meccaniche e metallurgiche dei materiali resi disponibili dalla siderurgia nazionale per la costruzione dei generatori di vapore. Il ricorso a materiali importati fu minimo e ridotto a casi di economia di scala nella richiesta, tale da non giustificare l’avvio di una produzione nazionale anche se ne esisteva la possibilità (ad esempio casi isolati di pannelli di acciaio  al cromo per il convogliamento dei gas di scarico). Le nuove caldaie permisero aumenti di rendimenti sino a valori prossimi sino allo  0,9 , grazie ad uno sfruttamento  ottimale  del  calore  sviluppato,  per  l’aumentata  pressione  del  flusso  di  aria  comburente, diminuzione delle sezioni di passaggio dei gas combusti, riduzione del volume delle camere di combustione (o fornaci), aumento nella percentuale di superficie riscaldante irradiata, incremento della velocità dei gas combusti, tutti fattori che comportano l’aumento del coefficiente di trasmissione del calore.

Le caldaie risultarono meno ingombranti anche per l’adozione di bruciatori molto efficienti che permettevano di bruciare efficientemente grandi quantità di combustibile (all’ epoca nafta), molto compatti ed in grado di adeguarsi rapidamente alle richieste per variazione di andatura (di cui le più pericolose erano quelle in riduzione). Le caldaie stesse – per i ridotti volumi di acqua in ciclo – potevano adeguarsi rapidamente alle necessità di produzione di vapore.

In  base  alla  tardiva  conoscenza  delle  esperienze  tedesche e sufficiente  edotti  dei  tentativi  statunitensi, esistevano  conoscenze  e  condizioni  teorico/tecniche per ulteriore miglioramento delle prestazioni dei generatori, sia come  processo  sia  in  relazione  alla  sempre  nuova  e  migliore disponibilità dei  materiali impiegabili.

In realtà la MMI puntò sull’affidabilità e durata, visto che tali teorici miglioramenti si sarebbero tradotti oltre che in un incremento dei costi di acquisizione ed installazione ed una complessità dei circuiti e delle  installazioni non sempre  favorevole in  una  unità  militare  e  negli  spazi  disponibili,  oltretutto  con maggiori difficoltà di condotta.  

Già nelle caldaie Foster Wheeler tipo D, e nel ciclo illustrato, le prestazioni raggiunte rendevano la condotta difficoltosa nelle continue variazioni tipiche di una nave militare, ed imponevano grande specializzazione ed esperienza da parte del personale addetto ed il continuo adeguamento delle apparecchiature di controllo, automazione e sicurezza.

Come semplice riferimento ed esempio di queste difficoltà tipiche dell’impiego navale militare delle caldaie imbarcate sui cacciatorpedinieri, basta ricordare che il collettore superiore, a livello, conteneva circa 1000 Kg di acqua e che un improvviso consumo e la diminuzione di livello corrispondente a soli 400 Kg portava a scoprire i legamenti dei  primi  fasci  vaporizzatori, con gravi problemi di surriscaldamento e pericoli di avarie ed inutilizzazione della caldaia. Il tempo per vaporizzare 500 Kg di acqua era di circa 20”, e tale era quindi il lasso di tempo a disposizione degli operatori non solo per percepire la diminuzione di livello ma anche per attuare i provvedimenti necessari e ripristinare i livelli. Un minimo di ritardo, ed un sempre possibile errore, avrebbe compromesso irrimediabilmente la  caldaia.

Non  bastava  certo  dotare  la  caldaia  di automatismi capaci di intervenire in tempi infinitesimi per agire su diversi fattori ed azioni (regolazione dell’alimento, flusso d’aria, combustibile) per ottimizzare ed adeguare la combustione, ma bisognava contare su  personale allenato a gestire in qualsiasi modo l’operazione.

Le evoluzioni dell’era del vapore hanno sempre giocato su fattori multipli e valori infinitesimali che portavano al miglioramento del ciclo, a maggiori rendimenti e pertanto ad una apparente diminuzione dei costi operativi (anche se a fronte di una maggiorazione dei costi costruttivi).

Questa fu la strada seguita molto anticipatamente, forse precipitosamente, dalla Reichsmarine e poi – dopo le prime crisi energetiche – dagli armatori privati. Tipico è il caso degli spillamenti progressivi di vapore durante l’espansione che anziché andare a cedere il suo contenuto termico nel condensatore lo riportava direttamente nell’acqua di alimento, ma l’implementazione di tali processi ha portato a tante e tali complicazioni nell’impianto (maggiori  tubolature,  preriscaldatori,  valvole,  automatismi,  ecc.) tali da non renderli convenienti per impianti navali (militari), primariamente per ragioni di peso ed ingombro, secondariamente per ragioni di manutenzione.

Giancarlo Poddighe

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