Introduzione
L’analisi delle problematiche relative alla progettazione di scambiatori di calore ad alta temperatura coinvolge diversi settori industriali.
Solo per citare alcuni esempi, i principali interventi di miglioramento delle prestazioni dei sistemi per la generazione di energia consistono nell’innalzamento delle condizioni termodinamiche e/o nell’ottimizzazione dei parametri operativi.
Secondo questo principio, gli impianti basati sul ciclo turbogas operano con temperature di ingresso dei gas in turbina che crescono di anno in anno e prevedono l’impiego della rigenerazione interna del calore. Nell’ambito dell’industria di processo si presenta spesso la possibilità del recupero del calore residuo di gas ad alta temperatura, in dipendenza da molti fattori, tra i quali i principali sono la temperatura dei gas, la loro composizione e la loro portata disponibile. In altri settori, l’impiego di fluidi ad elevata temperatura è imposto dalla natura stessa del processo, come accade in molte applicazioni dell’industria termochimica.
In ognuno di questi casi si presenta la necessità di gestire al meglio gli scambi termici ad alta temperatura.
La definizione di scambiatore di calore ad alta temperatura non è codificata, assumendo un significato relativo in base alle tipiche condizioni di processo. In termini piuttosto arbitrari, nell’ambito del presente lavoro di tesi sono considerate le applicazioni per lo scambio termico con temperature dei fluidi uguali o superiori a 650°C circa. In queste condizioni la maggior parte dei fluidi di lavoro si trova allo stato di gas o di vapore surriscaldato (se si escludono le applicazioni con metalli liquidi).
Gli scambiatori di calore ad alta temperatura trovano impiego in varie tipologie di processi avanzati, dove per processo avanzato si può intendere il semplice sviluppo di un processo già noto operante in condizioni molto più severe di quanto avviene comunemente, oppure un processo convenzionale sotto molti aspetti, che richiede un cambiamento sostanziale nei materiali o nel progetto dello scambiatore di calore o infine un processo completamente nuovo, praticabile solo grazie al miglioramento della progettazione dello scambiatore di calore, delle tecnologie di fabbricazione e/o di nuovi materiali. Naturalmente, per alcuni aspetti queste definizioni si
temperature superiori a 700°C e 300-350 bar di pressione, necessita sicuramente di un miglioramento delle prestazioni dei materiali per surriscaldatori. Dal punto di vista delle caldaie pressurizzate a letto fluido, ciò rappresenta una semplice modifica della tecnologia convenzionale dell’ impianto a vapore, sebbene siano diverse le forme di degrado del metallo. Oppure, gli scambiatori per cicli turbogas alimentati indirettamente (il cui sviluppo è possibile solo con materiali resistenti a temperature superiori a 1100°C in ambienti corrosivi), potrebbero essere interessanti anche per chi opera nel settore petrolchimico, avendo ricadute dirette sulla tecnologia dei reformer del vapore e degli impianti per l’etilene.
Un altro esempio di processo che non può essere sviluppato senza un’opportuna tecnologia per lo scambiatore di calore è rappresentato dalle turbine a gas a recupero.
Sia nelle microturbine che in quelle più grandi per la propulsione navale o la generazione di potenza, lo sviluppo di questi sistemi è determinato dalle possibilità effettive di realizzare il recuperatore.
Uno dei settori il cui sviluppo è determinante per la tecnologia degli scambiatori di calore ad alta temperatura è indubbiamente quello dei materiali. Considerando gli aspetti progettuali dei materiali per tali sistemi si possono identificare alcune priorità:
essi debbono possedere una sufficiente resistenza allo scorrimento viscoso (creep) alle temperature di impiego, una buona resistenza alla corrosione e all’ossidazione ad alta temperatura ed essere fabbricabili in prodotti adatti all’applicazione negli scambiatori di calore (prodotti tubolari o fogli, a seconda del tipo di superficie di scambio da realizzare). Questi requisiti spesso sono in parziale conflitto l’uno con l’altro e ciò spiega perché in molti casi la soluzione preferita per ambienti di esercizio sempre più aggressivi sia ancora oggi quella dell’applicazione di appositi rivestimenti resistenti alla corrosione e all’ossidazione.
Spesso è proprio l’aspetto strutturale che frena lo sviluppo degli scambiatori ad alta temperatura, piuttosto che quello termico. Si consideri anche che molti materiali per scambiatori ad alta temperatura sono attualmente allo stadio di sviluppo e i dati relativi alla loro durata non sono ancora ben definiti.
Dal punto di vista strettamente termofluidodinamico, la progettazione degli scambiatori ad alta temperatura non differisce sostanzialmente da quella degli scambiatori con fluidi a temperature inferiori, eccezion fatta per alcuni aspetti:
- Lo scambio termico per irraggiamento assume importanza via via crescente con la temperatura dei fluidi e dipende notevolmente anche dalla loro composizione.
- Nella valutazione dei coefficienti di scambio termico si deve considerare la variazione delle proprietà termofisiche dei fluidi con la loro temperatura.
Se gli aspetti precedenti riguardano propriamente lo scambio termico ad alta temperatura si debbono tenere adeguatamente in conto anche altri aspetti, sempre di natura termica, che sono peculiari degli scambiatori di calore ad alta temperatura:
- La valutazione degli effetti e dei problemi legati alle dilatazioni termiche dei diversi componenti (si pensi ad esempio alla differenza tra temperatura di montaggio e temperatura operativa).
- L’isolamento termico dello scambiatore e delle tubazioni che vi portano i fluidi.
Storicamente, l’attività di ricerca e sviluppo sugli scambiatori di calore ad alta temperatura ha avuto un notevole impulso in seguito alle crisi petrolifere degli anni
’70. Uno degli obiettivi che si poneva la ricerca su questi apparati era infatti il risparmio energetico ed un impiego efficace delle risorse primarie. Ma sin dalla prima metà degli anni ’80 lo sviluppo delle tecnologie per gli scambiatori di calore ad alta temperatura è risultato molto lento, a causa del subentrare di un periodo di costi relativamente bassi del combustibile che ha frenato l’industria rispetto a questa direzione, poiché si preferì continuare a migliorare i cicli motori esistenti.
Soltanto negli ultimi 15 anni l’interesse è ripreso, per la maggiore affidabilità dei componenti e dei materiali e, forse, per una diversa sensibilità nei confronti del problema di impiegare le risorse energetiche in modo più razionale.
Obiettivo della tesi
termico ad alta temperatura è attualmente di importanza strategica per molti settori industriali. Tematiche quali la riduzione delle emissioni inquinanti, l’incremento dell’efficienza energetica, l’impiego razionale delle risorse, che attualmente determinano e orientano le politiche energetiche dei paesi industrialmente più sviluppati, sono collegate, a ben guardare, anche allo sviluppo di tecnologie atte a gestire al meglio gli scambi termici ad alta temperatura.
È convinzione personale dell’autore che siano di notevole vantaggio e proficui per la ricerca il confronto e la condivisione di tematiche simili appartenenti a campi applicativi diversi. Ad esempio: la comprensione dei fenomeni dello scorrimento viscoso nei materiali per impieghi strutturali, così come le problematiche relative alla compatibilità dei materiali stessi con gli ambienti di esercizio, sono alla base della possibilità di impiego di tali materiali alle alte temperature, quale che sia la loro specifica applicazione.
Il presente lavoro si propone perciò come un approfondimento ed esame critico, seppur in alcuni casi parziale, 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.
In sintesi il piano della tesi è il seguente: nei primi due capitoli, di carattere essenzialmente bibliografico, vengono riportate (cap. 1) le possibili classificazioni degli scambiatori di calore, in base a diversi criteri, e (cap. 2) la teoria fondante dell’analisi degli scambiatori di calore. Per quanto riguarda quest’ultima, si fa riferimento alla trattazione classica basata sull’accoppiamento dell’equazione di bilancio con quella che esprime la potenza scambiata, descrivendo poi i due metodi principali per lo loro risoluzione (ε-NTU e LMTD) e confrontandoli tra loro.
I capitoli centrali sono dedicati all’analisi di alcune specifiche tipologie di scambiatori, maggiormente ricorrenti nell’impiego per apparati di scambio termico ad alta temperatura. L’analisi degli scambiatori a piastre alettate (Cap.3) è preceduta da un breve richiamo alla teoria dell’alettatura e delle superfici estese. Le prestazioni delle principali superfici alettate reperibili in letteratura sono valutate con correlazioni in forma analitica chiusa appositamente determinate per interpolazione dei dati disponibili, al fine di ridurre lo scarto da questi ultimi rispetto ad altre correlazioni esistenti. Nel capitolo 4 è analizzato un tipo di scambiatore di
concezione innovativa, ideato e sviluppato da 15-20 anni, che per sua costruzione ha tra i suoi punti di forza proprio la possibilità di operare ad alte e altissime temperature. Il capitolo 5 ha per oggetto l’analisi teorica del comportamento termofluidodinamico degli scambiatori di calore con tubi a baionetta, molto impiegati specialmente quando si è in presenza di fluidi aggressivi su uno dei due lati dello scambiatore.
Nel capitolo 6 sono individuati e 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. In entrambi i casi sono applicate le teorie sviluppate nei capitoli precedenti per ciascun tipo di scambiatore.
Nei capitoli 7 e 8 sono analizzate le problematiche di carattere tecnologico che riguardano i materiali da impiegare negli scambiatori di calore, esaminando le loro proprietà, le possibilità di applicazione in diversi ambienti operativi (cap. 7) e le metodologie più comuni da seguire per una corretta progettazione meccanica dei componenti (cap.8). A tal proposito, sono illustrate nel dettaglio le differenze che si presentano quando si progetta un componente per l’esercizio ad alta temperatura, in primis per la presenza di fenomeni di scorrimento viscoso nei materiali.
Gli argomenti trattati nella presente tesi sono stati oggetti di lavori pubblicati su riviste e/o presentati a convegni nazionali ed internazionali. L’elenco di tali lavori riportato in Appendice A.
