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Realizzato da : Pellegrino Marco Professore : Antonio Licciulli

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Presentazione sul tema: "Realizzato da : Pellegrino Marco Professore : Antonio Licciulli"— Transcript della presentazione:

1 Realizzato da : Pellegrino Marco Professore : Antonio Licciulli
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

2 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER 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

3 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER 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 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 la generazione sarà dell’ordine di 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 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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8 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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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 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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11 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER 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 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

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 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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15 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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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 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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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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22 Studio sui ceramici Per applicazioni estreme: MCSA
(parti di motore,turbine,scambiatori) Obbiettivo: accelerare 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

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25 Studio sui ceramici Strategie 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 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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28 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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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 Proprietà a temperature superiori:
Calore = Energia immagazzinata nel materiale liberata alla rottura materiale molto materiale poco resistente resistente

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 : SSN : 900 /3.1g/cm3 HPSN : 500 /3.2 g/cm3

33 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori:
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 )

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36 Studio sui ceramici Proprietà a temperature superiori:
Altri parametri importanti: Conseguenza: no ceramico con alto Ri (form) e Rp(prop) contemp. Ossidi come zirconia e allumina sono inadatti bassa  alto 

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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 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.

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

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

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 )

43 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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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 TiC SiC C Al2O3 X Si3N4

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50 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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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: azioni ingegneristiche:
·  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 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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56 INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA SCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER
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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 “


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