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
Professore
: Pellegrino Marco
: Antonio Licciulli
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INTRODUDUZIONE
AL PROBLEMA
SCAMBITORE
DI CALORE
PERCHE’MATER.
CERAMICI
MAT. CERAMICI
PER SCAMBIAT.
AD ALTA TEMP.
SCAMB.AD ALTA
TEMPERATURA.
STUDIO SUI
CERAMICI.
proprietà a
temperature
superiori
COMPOSITI
CERAMICI.
CONCLU
SIONI.
BIBLIO
GRAFIA
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INTRODUDUZIONE
AL PROBLEMA
SCAMBITORE
DI CALORE
PERCHE’MATER.
CERAMICI
MAT. CERAMICI
PER SCAMBIAT.
AD ALTA TEMP.
SCAMB.AD ALTA
TEMPERATURA.
STUDIO SUI
CERAMICI.
proprietà a
temperature
superiori
COMPOSITI
CERAMICI.
CONCLU
SIONI.
BIBLIO
GRAFIA
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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.
4
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.
5
Introduzione
Conseguenze:

Svantaggio competitivo enorme.

Studio del materiale per :
migliorare le prestazioni
risparmio energetico

Importanza di questo tipo di studio.
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INTRODUDUZIONE
AL PROBLEMA
SCAMBITORE
DI CALORE
PERCHE’MATER.
CERAMICI
MAT. CERAMICI
PER SCAMBIAT.
AD ALTA TEMP.
SCAMB.AD ALTA
TEMPERATURA.
STUDIO SUI
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proprietà a
temperature
superiori
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PERCHE’MATER.
CERAMICI
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proprietà a
temperature
superiori
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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
SCAMBITORE
DI CALORE
PERCHE’MATER.
CERAMICI
MAT. CERAMICI
PER SCAMBIAT.
AD ALTA TEMP.
SCAMB.AD ALTA
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DI CALORE
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proprietà a
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superiori
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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
12
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.
CERAMICI
MAT. CERAMICI
PER SCAMBIAT.
AD ALTA TEMP.
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proprietà a
temperature
superiori
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temperature
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Scambiatori ad alta temperatura

Sistemi più efficienti

Controllo delle impurezze

Applicazioni di Recupero
Teserc maggiori
16
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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proprietà a
temperature
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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
20
21
Studio sui ceramici

Per applicazioni estreme: MCSA
(parti di motore,turbine,scambiatori)

Obbiettivo:
accelerare l’innovazione tecnologica
22
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
23
24
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:
C-SiC,SiC-SiC :
resistenza meccanica alta
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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AL PROBLEMA
SCAMBITORE
DI CALORE
PERCHE’MATER.
CERAMICI
MAT. CERAMICI
PER SCAMBIAT.
AD ALTA TEMP.
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superiori
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AL PROBLEMA
SCAMBITORE
DI CALORE
PERCHE’MATER.
CERAMICI
MAT. CERAMICI
PER SCAMBIAT.
AD ALTA TEMP.
SCAMB.AD ALTA
TEMPERATURA.
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proprietà a
temperature
superiori
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
resistente
materiale poco
resistente
31
Studio sui ceramici
Proprietà a temperature superiori:
Materiale molto resistente:
denso,poche fessure
energia immagaz. Elevata
frattura catastrofica
con cicli termici :
cattivo comportamento
SIC : 300
buon comportamento
SSN : 900 /3.1g/cm3
HPSN : 500 /3.2 g/cm3
32
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 )
34
35
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 
36
37
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
38
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
accoppiamenti
meccanici forzati
unione delle varie parti
elevate
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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AL PROBLEMA
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DI CALORE
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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
45
matrice
Al2O3
Si3N4
SiC
partico
lati
whisker
Fibre
Fibre
TiC
SiC
C
SiC
X
X
X
X
X
X
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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
51
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
52
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
SCAMBITORE
DI CALORE
PERCHE’MATER.
CERAMICI
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PER SCAMBIAT.
AD ALTA TEMP.
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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
57
in low cost electricity production “