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

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2 1 Università degli studi di Lecce Facoltà di ingegneria Corso : Scienza e tecnologia dei materiali ceramici MATERIALI CERAMICI PER SCAMBIATORI DI CALORE AD ALTA TEMPERATURA Realizzato da : Pellegrino Marco Professore : Antonio Licciulli

3 2 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

4 3 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

5 4 Introduzione considerazioni generali: Lutilizzo di M.C.S.C.A.T. è fondamentale per leconomia 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.

6 5 Introduzione considerazioni generali: Nel periodo la generazione sarà dellordine di GW. Questo mercato è riportato a quello degli S.C. ad alta tecnologia: il 15% del costo dellimpianto è dato dallo scambiatore il 50% del costo è legato al materiale In Europa lenergia costa il 30% in più degli Stati Uniti.

7 6 Introduzione Conseguenze: Svantaggio competitivo enorme. Studio del materiale per : migliorare le prestazioni risparmio energetico Importanza di questo tipo di studio.

8 7 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

9 8 SCAMBITORE DI CALORE INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

10 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:

11 10 SCAMBITORE DI CALORE INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

12 11 PERCHEMATER. CERAMICI INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

13 12 Perché mat. Ceramici e non Metallici. M.Metallici: oltre °C alterano le loro proprietà recentemente arrivano anche a °C limite tecnologico per i processi al di sotto delle prestazioni dei C. M.Ceramici: temperature fino ai °C stabili in ambienti aggressivi si prestano bene per scambiatori

14 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 Q COND = - λ A ΔT /ΔX Inoltre: = retic + elettr alta stab.termodinamica ( G )

15 14 PERCHEMATER. CERAMICI INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

16 15 SCAMB.AD ALTA TEMPERATURA. INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

17 16 Scambiatori ad alta temperatura Sistemi più efficienti Controllo delle impurezze T eserc maggiori Applicazioni di Recupero

18 17 Scambiatori ad alta temperatura Applicazioni di recupero i = C p *(T-T 0 ) il recupero prevede due stati: entalpia: T si abbassa a T combust. gas:combustione

19 18 SCAMB.AD ALTA TEMPERATURA. INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

20 19 STUDIO SUI CERAMICI. INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

21 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

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23 22 Studio sui ceramici Per applicazioni estreme: MCSA (parti di motore,turbine,scambiatori) Obbiettivo: accelerare linnovazione tecnologica

24 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

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26 25 Studio sui ceramici Strategie per alte temperature Al 2 O 3 : discrete caratteristiche meccaniche buona resistenza allattrito accettabile stabilità termica sufficiente resist. agli shock termici costa poco SiC,Si 3 N 4 HP: resistenza meccanica alta C-SiC,SiC-SiC : affidabilità tenacità costosi

27 26 Studio sui ceramici Conseguenza: il progettista ha bisogno di una gran massa di dati di riferimento

28 27 STUDIO SUI CERAMICI. INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

29 28 STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

30 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

31 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 Δσ m = E*α*ΔT R me Riscaldandolo rapidamente,la sua var. dipende da: diffusività, α, E

32 31 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori: Calore = Energia immagazzinata nel materiale liberata alla rottura materiale molto materiale poco resistente resistente

33 32 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori: Materiale molto resistente: denso,poche fessure energia immagaz. Elevata frattura catastrofica con cicli termici : cattivo comportamento buon comportamento SIC : 300 SSN : 900 /3.1g/cm 3 HPSN : 500 /3.2 g/cm 3

34 33 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori: Materiale poco resistente: pori e fessure sono pozzi denergia si libera poca energia danneg. progressivo

35 34 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori: Altri parametri importanti: fattore di bontà: R i = σ*λ* (1- ν ) E*α Fattore di resistenza alla propagazione: R p = γ*E σ2* (1- ν )

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37 36 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori: Altri parametri importanti: Conseguenza: no ceramico con alto R i (form) e R p(prop) contemp. Ossidi come zirconia e allumina sono inadatti bassa alto

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39 38 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori: Difetti: causati da processi approccio statistico(Weibull) studio della tenacità del materiale Kic = Y*σ f * (π*a ) 1/2 Non è molto aumentato

40 39 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori: Vita del componente: nel tempo : corrosione creep frattura duttile Condizioni di riferimento: -durata massima da a > ore; -temperatura massima tra 1100°C e 1600°C; -sollecitazioni primarie > 100 MPa; -ΔT max di °C.

41 40 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori: Giunzioni: pezzi complessi unione delle varie parti accoppiamenti elevate meccanici forzati sollecitazioni saldature diffusione

42 41 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori: Utilizzo: scambiatori a bassa pressione: Tingr =1370°C Tusc =1100°C scambiatori ad alta pressione: Tmagg miglior. riduz. Costi durata:2 anni

43 42 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori: Tubi: estrusione,stampaggio,slip casting. lungh.max: m (forni di sinter.) diam. Max : mm ( rotture in sinter )

44 43 STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

45 44 COMPOSITI CERAMICI. INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

46 45 Compositi ceramici Materiali ceramici: non tenaci bassa ripetibilità dei dati bassa affidabilità dei manufatti si è passati ai compositi Difetto: costano molto

47 46 matricepartico lati whisker Fibre TiCSiCC Al 2 O 3 XX Si 3 N 4 X X SiC XX

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50 49 COMPOSITI CERAMICI. INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

51 50 CONCLU SIONI. INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

52 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 lEFCC ). - recupero (waste heat ), riduzione inquin. termico

53 52 Conclusioni: linnovazione 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

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

55 54 Conclusioni: I risultati ingegneristici che si stanno ottenendo,giustificano gli estesi e costosi programmi di ricerca attualmente in atto

56 55 CONCLU SIONI. INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

57 56 BIBLIO GRAFIA INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHEMATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTA MAT. CERAMICI TEMPERATURA. PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

58 57 Bibliografia: Davide DAngelo: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 lenergia. 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


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