Capitolo 9 - Conclusioni

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Nella presente tesi di dottorato è stata effettuata un’analisi ragionata delle attuali problematiche legate agli apparati di scambio termico ad alta temperatura (definiti arbitrariamente come sistemi con temperature dei fluidi indicativamente uguali o superiori a 650°C), tramite l’impiego di modelli di calcolo analitici e numerici.

A tal fine, 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.

A seguito di un’indagine ad ampio spettro dei sistemi di scambio termico ad alta temperatura, sono stati 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.

L’analisi degli scambiatori a piastre alettate è stata preceduta da un breve richiamo alla teoria dell’alettatura e delle superfici estese e dalla descrizione della metodologia standard di dimensionamento degli scambiatori a superficie estesa, basata sulla core mass velocity equation.

Per valutare le prestazioni delle principali superfici alettate reperibili in letteratura, sono state determinate apposite correlazioni in forma analitica chiusa (per il calcolo dei fattori j di Colburn e f di Fanning), tramite interpolazione dei dati disponibili, al fine di ridurre lo scarto da questi ultimi rispetto ad altre correlazioni già esistenti.

Per quanto riguarda gli scambiatori di calore a circuito stampato, dopo una breve introduzione, necessaria per descrivere le caratteristiche principali di questa tipologia innovativa di scambiatori, sviluppata da meno di 20 anni appositamente per impieghi con fluidi ad alta temperatura, è stato descritto un modello per il loro dimensionamento, nell’ipotesi di scambi termici in regime di flusso laminare.

Gli scambiatori di calore con tubi a baionetta sono stati analizzati secondo una trattazione classica a partire dall’accoppiamento delle equazioni di bilancio nei due condotti che caratterizzano tali apparati. La risoluzione delle equazioni suddette è alla base del metodo per il calcolo delle prestazioni e dell’andamento delle temperature dei fluidi nei tubi a baionetta.

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Dopo aver individuato alcuni settori in cui lo sviluppo degli scambiatori di calore ad alta temperatura è di fondamentale importanza, come quello della rigenerazione interna del calore nei cicli turbogas, i cicli combinati a combustione esterna e i sistemi di generazione con reattori nucleari ad alta temperatura raffreddati a gas, sono state illustrate le problematiche peculiari di ognuno di questi sistemi e le soluzioni attualmente impiegate. Per quanto riguarda la rigenerazione nei turbogas di potenza e i cicli a combustione esterna sono stati affrontati due casi studio, in cui ha trovato applicazione la teoria sviluppata per i tipi di scambiatore precedentemente descritti.

Il primo è relativo allo studio di fattibilità di un recuperatore da inserire nel ciclo turbogas di un ciclo combinato con parametri operativi ottimizzati termodinamicamente e caratterizzato da portate volumetriche molto differenti sui due lati.

È stata sviluppata una procedura per il dimensionamento ottimizzato di una matrice di scambio, considerando come possibili funzioni obiettivo la sua sezione trasversale e il volume complessivo. Sono stati presi in considerazione due layout con flussi in controcorrente, uno a piastre alettate ed uno a circuito stampato. Per quanto riguarda il primo, il dimensionamento, per il quale sono state impiegate le correlazioni di calcolo dello scambio termico e delle perdite di carico sviluppate ad hoc, è stato basato sulla core mass velocity equation, seppur con alcune importanti variazioni legate essenzialmente a problemi computazionali. Sono state dimensionate oltre 3200 sezioni di scambio risultanti da tutti i possibili accoppiamenti tra le superfici alettate disponibili, determinando quella con la minima sezione trasversale e quella con il minimo volume complessivo.

Per lo scambiatore a circuito stampato è stata seguita una procedura finalizzata allo stesso obiettivo, rapidamente conseguito grazie all’applicazione delle correlazioni analitiche ricavate dalla teoria per il dimensionamento di tali scambiatori, nel rispetto delle ipotesi sui regimi di flusso laminari.

Per entrambi i tipi di scambiatore le matrici di scambio sono caratterizzate da un’elevata sezione frontale richiesta (rispetto alla lunghezza di flusso), a causa del vincolo sulla perdita di carico sul lato gas. In particolare, nel caso dello scambiatore a circuito stampato, la sezione trasversale minima, rimanendo nei limiti della fattibilità tecnologica, risulta nel migliore dei casi circa 3 volte più grande rispetto a

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quello a piastre alettate. Ciò rappresenta un limite intrinseco della tipologia di scambiatori PCHE, che appaiono poco adatti all’impiego per portate volumetriche molto differenti sui due lati, almeno per configurazioni in controcorrente.

È stata considerata anche una configurazione di flussi a due passaggi successivi in cross-flow, con le superfici risultanti dall’ottimizzazione della sezione trasversale in controcorrente.

Passando dalla configurazione di controcorrente a quella a due passaggi a flussi incrociati, si è osservato in entrambi i casi un aumento del volume, coerentemente con il fatto che l’efficienza dei singoli moduli in flusso incrociato è minore di quella di un modulo in controcorrente. Tale aumento tuttavia, non è lo stesso per i due tipi di scambiatore, risultando pari a circa 1,37 volte per lo scambiatore a circuito stampato e ad oltre 2,25 volte per quello a piastre alettate. La notevole differenza di aumento relativo del volume è attribuibile ad un diverso regime di uno dei fluidi (l’aria in pressione) nei due casi. Nello scambiatore a circuito stampato l’aumento di volume risulta minore a causa del cambio di regime del fluido in pressione, da laminare a regime di transizione, che determina un aumento del coefficiente convettivo di scambio su quel lato di circa 3 volte. Nello scambiatore plate-fin, viceversa, il regime di flusso non varia sostanzialmente, pertanto nella configurazione a flussi incrociati il coefficiente convettivo lato aria non aumenta, anzi si riduce quasi del 10%.

Il secondo caso studiato ha riguardato il calcolo delle prestazioni di uno scambiatore di calore con tubi a baionetta inserito in un circuito di prova dei cicli combinati a combustione esterna. È stato effettuato un calcolo analitico delle prestazioni termofluidodinamiche dello scambiatore, con alcune ipotesi semplificative. Ad esempio, il contributo di scambio termico per irraggiamento, non trascurabile a causa dell’elevata temperatura dei gas e del loro contenuto di H

O e CO

, è stato valutato separatamente e poi sommato a quello convettivo. Sono quindi state determinate le temperature in uscita e le potenze scambiate. Sono stati ricavati anche i profili di temperatura dell’aria nell’attraversamento dello scambiatore e le temperature massime di parete dei tubi dello scambiatore. I risultati così ottenuti sono stati confrontati con quelli derivanti da un’analisi di tipo numerico condotta su un modello assialsimmetrico di un tubo medio per ciascuno dei moduli in cui è suddiviso lo scambiatore. L’accordo è risultato molto buono, con uno scarto del 7%

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circa per tutte le grandezze rilevanti: salto termico dei due fluidi nello scambiatore, efficienza, potenza termica scambiata. Esso è ampiamente accettabile, se si considerano le incertezze da cui sono affette le correlazioni di calcolo dei coefficienti di scambio convettivo, adottate nel caso del calcolo analitico.

Per quanto riguarda le problematiche di carattere tecnologico da affrontare nello studio degli scambiatori di calore, un’ampia sezione del lavoro di tesi è stata 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 state 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 ha permesso 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.

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