MODELLI PER L’ANALISI DI SCAMBIATORI DI CALORE AD ALTA TEMPERATURA

Il presente lavoro si propone come un approfondimento ed esame critico dei problemi attualmente connessi con l’impiego di apparati per lo scambio termico ad alta temperatura, spaziando in ambiti di ricerca molto diversi tra loro, da quello della teoria degli scambiatori di calore a quelli più industriali delle loro possibili applicazioni, fino agli aspetti di natura progettuale. Dopo un’analisi delle attuali tipologie di scambiatori, è stata considerata la teoria classica alla base del dimensionamento termofluidodinamico degli scambiatori, facendo un confronto tra i due metodi applicativi più importanti (ε-NTU e LMTD). A seguito di un’indagine ad ampio spettro dei sistemi di scambio termico ad alta temperatura, sono individuati alcuni particolari tipi di scambiatore di calore, più frequentemente impiegati nel campo delle alte temperature: gli scambiatori di calore a piastre alettate, quelli innovativi a circuito stampato e quelli con tubi a baionetta. Sono analizzati in dettaglio alcuni settori in cui lo sviluppo degli scambiatori di calore ad alta temperatura è di fondamentale importanza, come quello dei cicli turbogas (di potenza e con microturbina) con la rigenerazione interna del calore, i cicli combinati a combustione esterna e i sistemi di generazione con reattori nucleari ad alta temperatura raffreddati a gas. Per ognuno di questi sistemi si illustrano problematiche e soluzioni attualmente impiegate. Per quanto riguarda la rigenerazione nei turbogas di potenza e i cicli a combustione esterna sono affrontati due casi studio, uno relativo alla fattibilità di un recuperatore da inserire nel ciclo turbogas di un ciclo combinato e l’altro al calcolo delle prestazioni di uno scambiatore di calore ad alta temperatura per cicli a combustione esterna. Per quanto riguarda le problematiche di carattere tecnologico da affrontare nello studio degli scambiatori di calore, un’ampia sezione del lavoro di tesi è dedicata ad un’indagine relativa ai materiali per impiego negli scambiatori di calore ad alta temperatura, con particolare riguardo ai materiali metallici. Dopo aver descritto acciai, superleghe e materiali metallici avanzati sono confrontate le proprietà rilevanti per la progettazione: resistenza allo scorrimento viscoso (di cui è stata fornita una breve descrizione fenomenologica), resistenza all’ambiente di esercizio, con le diverse problematiche di corrosione ed ossidazione ad alta temperatura. Ciò permette di identificare diverse classi di impiego per i materiali in base alle temperature di esercizio e ai loro costi. Infine, sono state descritte le metodologie più comuni da seguire per una corretta progettazione meccanica dei componenti strutturali per scambiatori di calore ad alta temperatura, illustrando in dettaglio le differenze che si presentano quando si progetta un componente per l’esercizio in tali condizioni, in primis per la presenza di fenomeni di scorrimento viscoso nei materiali.