Post on 02-May-2015
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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
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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
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INTRODUDUZIONEINTRODUDUZIONE AL PROBLEMAAL 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.
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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.
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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.
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Introduzione
Conseguenze: Svantaggio competitivo enorme.
Studio del materiale per :
migliorare le prestazioni
risparmio energetico
Importanza di questo tipo di studio.
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INTRODUDUZIONEINTRODUDUZIONE AL PROBLEMAAL 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.
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INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA
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.
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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:
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INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA
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.
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INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA
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.
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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
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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 )
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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.
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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.
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Scambiatori ad alta temperatura
Sistemi più efficienti
Controllo delle impurezze Teserc maggiori
Applicazioni di Recupero
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Scambiatori ad alta temperatura
Applicazioni di recupero
i = Cp*(T-T0)
il recupero prevede due stati:
entalpia:T si abbassa a Tcombust.
gas:combustione
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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.
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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.
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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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Studio sui ceramici
Per applicazioni estreme: MCSA
(parti di motore,turbine,scambiatori)
Obbiettivo:
accelerare l’innovazione tecnologicaaccelerare l’innovazione tecnologica
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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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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
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Studio sui ceramici
Conseguenza:
il progettista ha bisogno di una gran massa di dati di riferimento
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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.
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INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA
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.
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Studio sui ceramici
Proprietà a temperature superiori:
Indice: Problema delle tensioni Resistenza del materiale Altri parametri importanti Difetti Vita del componente Giunzioni Utilizzo tubi
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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
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Studio sui ceramici
Proprietà a temperature superiori:
Calore = Energia
immagazzinata nel materiale
liberata alla rottura
materiale molto materiale poco
resistente resistente
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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/cm3
HPSN : 500 /3.2 g/cm3
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Studio sui ceramici
Proprietà a temperature superiori:
Materiale poco resistente:
pori e fessure sono pozzi d’energia
si libera poca energia
danneg. progressivo
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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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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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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
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Studio sui ceramici
Proprietà a temperature superiori:
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.
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Studio sui ceramici
Proprietà a temperature superiori:
Giunzioni: pezzi complessi unione delle varie parti
accoppiamenti elevate
meccanici forzati sollecitazioni
saldature
diffusione
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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
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Studio sui ceramici
Proprietà a temperature superiori:
Tubi:
estrusione,stampaggio,slip casting.
lungh.max: 1.5-2 m (forni di sinter.)
diam. Max : 100-150 mm ( rotture in sinter )
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INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA
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.
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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 COMPOSITICOMPOSITI CERAMICI.CERAMICI.
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Compositi ceramici
Materiali ceramici:
non tenaci
bassa ripetibilità dei dati
bassa affidabilità dei manufatti
si è passati ai compositi Difetto:
costano molto
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matrice particolati
whisker Fibre Fibre
TiC SiC C SiC
Al2O3X X
Si3N4 X X
SiC X X
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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.
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INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA
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CONCLUCONCLU SIONI.SIONI. BIBLIO GRAFIA
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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
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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
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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 )
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Conclusioni:
I risultati ingegneristici che si stanno ottenendo,giustificano gli estesi e
costosi programmi di ricerca attualmente in atto
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INTRODUDUZIONE AL PROBLEMA
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CONCLU SIONI. BIBLIOBIBLIO GRAFIAGRAFIA
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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 “