1 Università degli studi di Lecce Facoltà di ingegneria Corso : Scienza e tecnologia dei materiali ceramici MATERIALI CERAMICI PER SCAMBIATORI DI CALORE

1

Università degli studi di LecceFacoltà di ingegneriaCorso : Scienza e tecnologia dei materiali ceramici

MATERIALI CERAMICI PER SCAMBIATORI DI CALORE AD ALTA TEMPERATURA

Realizzato da : Pellegrino Marco

Professore : Antonio Licciulli

2

INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA

SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI.

CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

3

INTRODUDUZIONEINTRODUDUZIONE AL PROBLEMAAL PROBLEMA



4

Introduzione

considerazioni generali: L’utilizzo di M.C.S.C.A.T. è fondamentale per

l’economia del paese. Negli ultimi 20 anni si sta passando da turbine a

vapore a turbine a gas: cicli combinati basso prezzo del gas naturale limitati impatti ambientali Nel 2015 il 12% degli impianti che generano energia

useranno questa tecnologia.

5

Introduzione

considerazioni generali:

Nel periodo 2000-2015 la generazione sarà dell’ordine di 40-70 GW.

Questo mercato è riportato a quello degli S.C. ad alta tecnologia:

il 15% del costo dell’impianto è dato dallo scambiatore

il 50% del costo è legato al materiale In Europa l’energia costa il 30% in più degli Stati

Uniti.

6

Introduzione

Conseguenze: Svantaggio competitivo enorme.

Studio del materiale per :

migliorare le prestazioni

risparmio energetico

Importanza di questo tipo di studio.

7

INTRODUDUZIONEINTRODUDUZIONE AL PROBLEMAAL PROBLEMA



8


SCAMBITORESCAMBITORE DI CALOREDI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI.


9

Scambiatore di calore Dispositivi in cui due fluidi in movimento si

scambiano calore

Camera di miscelazione(contatto)

Scambiatore (separati) La configurazione più semplice è a TUBI

COASSIALI:

10


SCAMBITORESCAMBITORE DI CALOREDI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI.


11


SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER.PERCHE’MATER. CERAMICICERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI.


12

Perché mat. Ceramici e non Metallici.

M.Metallici: oltre 700-800°C alterano le loro proprietà

recentemente arrivano anche a 900-1000°C

limite tecnologico per i processi

al di sotto delle prestazioni dei C.

M.Ceramici: temperature fino ai 1400-1500°C

stabili in ambienti aggressivi

si prestano bene per scambiatori

13

Perché mat. Ceramici e non Metallici.

M.Ceramici: le sup. con più sollecitazioni termiche sono quelle di

scambio termico

i materiali hanno una alta :

Fourier

QCOND = - λ A ΔT /ΔX

Inoltre:

= retic + elettr

alta stab.termodinamica ( G )

14


SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER.PERCHE’MATER. CERAMICICERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI.


15


SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTASCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI.


16

Scambiatori ad alta temperatura

Sistemi più efficienti

Controllo delle impurezze Teserc maggiori

Applicazioni di Recupero

17

Scambiatori ad alta temperatura

Applicazioni di recupero

i = Cp*(T-T0)

il recupero prevede due stati:

entalpia:T si abbassa a Tcombust.

gas:combustione

18


SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTASCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI.


19


SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUISTUDIO SUI CERAMICI.CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI.


20

Studio sui ceramici

“Per materiali ceramici si intende una classe di materiali essenzialmente non metallici,inorganici,policristallini basati su composti a legame ionico-covalente dei metalloidi del terzo –quarto gruppo tra di loro o col metalli”.(Saviola )

Usi: forni, isolatori elettrici,bruciatori,camere di combustione

21

22

Studio sui ceramici

Per applicazioni estreme: MCSA

(parti di motore,turbine,scambiatori)

Obbiettivo:

accelerare l’innovazione tecnologicaaccelerare l’innovazione tecnologica

23

Studio sui ceramici Esempio settore petrolchimico: valvole e pompe in ambienti aggressivi

Mater: carburo di silicio e compositi alto basso c.d.d. duri smaltim.calore senza distorsioni resistenza abrasione,corrosione no degradazione per creep

24

25

Studio sui ceramiciStrategie per alte temperature

Al2O3 : discrete caratteristiche meccaniche

buona resistenza all’attrito

accettabile stabilità termica

sufficiente resist. agli shock termici

costa poco

SiC,Si3N4HP: resistenza meccanica alta

C-SiC,SiC-SiC : affidabilità

tenacità

costosi

26

Studio sui ceramici

Conseguenza:

il progettista ha bisogno di una gran massa di dati di riferimento

27


SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUISTUDIO SUI CERAMICI.CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI.


28


SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUISTUDIO SUI CERAMICI.CERAMICI. proprietà aproprietà a temperaturetemperature superiorisuperiori COMPOSITI CERAMICI.


29

Studio sui ceramici

Proprietà a temperature superiori:

Indice: Problema delle tensioni Resistenza del materiale Altri parametri importanti Difetti Vita del componente Giunzioni Utilizzo tubi

30

Studio sui ceramici

Proprietà a temperature superiori: Problema:insorgere delle tensioni:

coefficiente di dilatazione termica Δl / l = Δ T *α

modulo di elasticità (Legge di Hooke)

Δσ= E*Δl /l

Δσm = E*α*ΔT ≤ Rme

Riscaldandolo rapidamente ,la sua var. dipende da:

diffusività, α , E

31

Studio sui ceramici


Calore = Energia

immagazzinata nel materiale

liberata alla rottura

materiale molto materiale poco

resistente resistente

32

Studio sui ceramici


Materiale molto resistente: denso,poche fessure

energia immagaz. Elevata

frattura catastrofica

con cicli termici :

cattivo comportamento buon comportamento

SIC : 300 SSN : 900 /3.1g/cm3

HPSN : 500 /3.2 g/cm3

33

Studio sui ceramici


Materiale poco resistente:

pori e fessure sono pozzi d’energia

si libera poca energia

danneg. progressivo

34

Studio sui ceramici

Proprietà a temperature superiori:Altri parametri importanti:

fattore di bontà:

Ri = σ*λ* (1- ν )

E*α

Fattore di resistenza alla propagazione:

Rp = γ*E

σ2* (1- ν )

35

36

Studio sui ceramici


Altri parametri importanti:

Conseguenza:

no ceramico con alto Ri (form) e Rp(prop) contemp.

Ossidi come zirconia e allumina sono inadatti

bassa alto

37

38

Studio sui ceramici

Proprietà a temperature superiori:Difetti: causati da processi approccio statistico(Weibull)

studio della tenacità del materiale

Kic = Y*σf* (π*a )1/2

Non è molto aumentato

39

Studio sui ceramici


Vita del componente:nel tempo : corrosione creep frattura duttile

Condizioni di riferimento: -durata massima da 10.000 a >50.000 ore; -temperatura massima tra 1100°C e 1600°C; -sollecitazioni primarie > 100 MPa; -ΔT max di 300-1000 °C.

40

Studio sui ceramici


Giunzioni: pezzi complessi unione delle varie parti

accoppiamenti elevate

meccanici forzati sollecitazioni

saldature

diffusione

41

Studio sui ceramici


Utilizzo: scambiatori a bassa pressione:

Tingr =1370°C

Tusc =1100°C scambiatori ad alta pressione:

Tmagg

miglior.

riduz. Costi

durata:2 anni

42

Studio sui ceramici


Tubi:

estrusione,stampaggio,slip casting.

lungh.max: 1.5-2 m (forni di sinter.)

diam. Max : 100-150 mm ( rotture in sinter )

43


SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUISTUDIO SUI CERAMICI.CERAMICI. proprietà aproprietà a temperaturetemperature superiorisuperiori COMPOSITI CERAMICI.


44


SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITICOMPOSITI CERAMICI.CERAMICI.


45

Compositi ceramici

Materiali ceramici:

non tenaci

bassa ripetibilità dei dati

bassa affidabilità dei manufatti

si è passati ai compositi Difetto:

costano molto

46

matrice particolati

whisker Fibre Fibre

TiC SiC C SiC

Al2O3X X

Si3N4 X X

SiC X X

47

48

49


SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITICOMPOSITI CERAMICI.CERAMICI.


50



CONCLUCONCLU SIONI.SIONI. BIBLIO GRAFIA

51

Conclusioni:

Materiali ceramici: impulso allo sviluppo progettuale (non utilizzando elem.strateg.:Ni,Cr)

Benefici: - innalzamento temperatura ciclo.

- aumento rendimento termodinamico.

- riduzione consumo combustibile.

- contenimento emissioni inquinanti.

- fattibilità industriale di processi (come l’EFCC ).

- recupero (waste heat ), riduzione inquin. termico

52

Conclusioni:

l’innovazione tecnologica fabbricazione è concentrata su componenti in MSCA :

parti calde di turbine a gas ( combustori,condotti,ugelli palette mobili ).

scambiatori di calore per elevate temperature.

recuperatori di calore per gas aggressivi

Lo sviluppo comp. innovativi , si attua con progressione step-by-step

53

Conclusioni: Pianificazione temporale:

BREVE TERMINE: * scambiatori di calore in cicli aperti

* combustore e condotti di turbine a gas

MEDIO TERNMINE : * scambiatori di calore per EFCC

* ugelli turbogas

LUNGO TERMINE: *palette mobili di turbine a gas

azioni ingegneristiche: - affinare metodologie progettazione con criteri statistici;

- tecniche di fabbricazione per volumi di MCSA >200 cm3

- sistemi sperimentali e metodiche di prova su manufatti,alle condizioni di carico e di temperatura d’esercizio

- valutare proprietà a lungo termine (creep,fatica,propagazione delle cricche )

54

Conclusioni:

I risultati ingegneristici che si stanno ottenendo,giustificano gli estesi e

costosi programmi di ricerca attualmente in atto

55



CONCLUCONCLU SIONI.SIONI. BIBLIO GRAFIA

56



CONCLU SIONI. BIBLIOBIBLIO GRAFIAGRAFIA

57

Bibliografia:

Davide D’Angelo:”materiali ceramici strutturali per componenti innovativi”. F.savioli : “ introduzione ai ceramici avanzati “ ( parte 1 e 2 ). William Smith : ”scienza e tecnologia dei materiali “. Yunus Cengel : “termodinamica e trasmissione del calore “. Vittorio Regis :”materiali ceramici innovativi per l’energia “. Articolo su : ”ceramici strutturali”. Gawlik,Sugama,Webster,Reams :”field testing of heat exchanger tube

coatings” ( articolo di novembre ’98 ). Michael M.Ohadi,Steven G.Buckley : “high temperature heat and

microscale combustion systems:application to thermal system miniaturization” ( art. del 14/4/2001 tratto dal periodico :”Experimental thermal and Fluid science” ).

Programma nazionale Scambiatore di calore ceramico per alta temperatura:“allegato 1:scenario di riferimento “.

Hunnik : ”development of a novel ceramic heat exchanger resulting in low cost electricity production “

Documents

1 Università degli studi di Lecce Facoltà di ingegneria Corso : Scienza e tecnologia dei materiali ceramici MATERIALI CERAMICI PER SCAMBIATORI DI CALORE