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Realizzato da : Pellegrino Marco Professore : Antonio Licciulli

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 : Pellegrino Marco Professore : Antonio Licciulli.

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  1. Università degli studi di LecceFacoltà di ingegneriaCorso : Scienza e tecnologia dei materiali ceramiciMATERIALI CERAMICI PER SCAMBIATORI DI CALORE AD ALTA TEMPERATURA Realizzato da : Pellegrino Marco Professore: Antonio Licciulli

  2. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE 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

  3. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE 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

  4. Introduzioneconsiderazioni 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.

  5. Introduzioneconsiderazioni 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.

  6. IntroduzioneConseguenze: • Svantaggio competitivo enorme. • Studio del materiale per : migliorare le prestazioni risparmio energetico • Importanza di questo tipo di studio.

  7. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE 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

  8. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITOREDI 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

  9. 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 TUBICOASSIALI:

  10. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITOREDI 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

  11. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALOREPERCHE’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

  12. 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

  13. 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 )

  14. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALOREPERCHE’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

  15. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICISCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICITEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

  16. Scambiatori ad alta temperatura • Sistemi più efficienti • Controllo delle impurezzeTeserc maggiori • Applicazioni di Recupero

  17. Scambiatori ad alta temperatura • Applicazioni di recupero i = Cp*(T-T0) il recupero prevede due stati: entalpia:T si abbassa a Tcombust. gas:combustione

  18. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICISCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICITEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP. STUDIO SUI CERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

  19. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP.STUDIO SUICERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

  20. 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

  21. Studio sui ceramici • Per applicazioni estreme: MCSA (parti di motore,turbine,scambiatori) • Obbiettivo: accelerare l’innovazione tecnologica

  22. Studio sui ceramici • Esempiosettore 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. 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: resistenza meccanica alta C-SiC,SiC-SiC : affidabilità tenacità costosi

  24. Studio sui ceramici Conseguenza: il progettista ha bisogno di una gran massa di dati di riferimento

  25. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP.STUDIO SUICERAMICI. proprietà a temperature superiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

  26. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP.STUDIO SUICERAMICI.proprietà atemperaturesuperiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

  27. Studio sui ceramiciProprietà a temperature superiori: Indice: • Problema delle tensioni • Resistenza del materiale • Altri parametri importanti • Difetti • Vita del componente • Giunzioni • Utilizzo • tubi

  28. Studio sui ceramiciProprietà 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

  29. Studio sui ceramiciProprietà a temperature superiori: • Calore = Energia immagazzinata nel materiale liberata alla rottura materiale moltomateriale poco resistenteresistente

  30. Studio sui ceramiciProprietà a temperature superiori: Materiale molto resistente: denso,poche fessure energia immagaz. Elevata frattura catastrofica con cicli termici : cattivo comportamentobuon comportamento SIC: 300 SSN : 900 /3.1g/cm3 HPSN: 500 /3.2 g/cm3

  31. Studio sui ceramiciProprietà a temperature superiori: Materiale poco resistente: pori e fessure sono pozzi d’energia si libera poca energia danneg. progressivo

  32. Studio sui ceramiciProprietà 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 )

  33. Studio sui ceramiciProprietà 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 

  34. Studio sui ceramiciProprietà a temperature superiori: Difetti: • causati da processi approccio statistico(Weibull) studio della tenacità del materiale Kic = Y*σf* (π*a )1/2 • Non èmolto aumentato

  35. Studio sui ceramiciProprietà 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.

  36. Studio sui ceramiciProprietà a temperature superiori: Giunzioni: pezzi complessi unione delle varie parti accoppiamenti elevate meccanici forzati sollecitazioni saldature diffusione

  37. Studio sui ceramiciProprietà 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

  38. Studio sui ceramiciProprietà 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 )

  39. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP.STUDIO SUICERAMICI.proprietà atemperaturesuperiori COMPOSITI CERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

  40. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP.STUDIO SUICERAMICI. proprietà atemperaturesuperioriCOMPOSITICERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

  41. Compositi ceramici • Materiali ceramici: non tenaci bassa ripetibilità dei dati bassa affidabilità dei manufatti si è passati ai compositi • Difetto: costano molto

  42. matrice particolati whisker Fibre Fibre TiC SiC C SiC Al2O3 X X Si3N4 X X SiC X X

  43. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP.STUDIO SUICERAMICI. proprietà atemperaturesuperioriCOMPOSITICERAMICI. CONCLU SIONI. BIBLIO GRAFIA

  44. INTRODUDUZIONEAL PROBLEMASCAMBITORE DI CALORE PERCHE’MATER. CERAMICI SCAMB.AD ALTAMAT. CERAMICI TEMPERATURA.PER SCAMBIAT. AD ALTA TEMP.STUDIO SUICERAMICI. proprietà atemperaturesuperiori COMPOSITI CERAMICI.CONCLUSIONI. BIBLIO GRAFIA

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