Studio di fattibilità e verifica secondo la normativa nucleare di uno scambiatore di calore ad alta temperatura

Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo l’applicazione della normativa nucleare allo studio di fattibilità di uno scambiatore ad alta temperatura per cicli combinati.
Le condizioni particolarmente gravose di esercizio dell’impianto, con temperature massime di parete superiori agli 800°C, richiedono infatti che siano attentamente considerati i fenomeni di danneggiamento tipici di componenti operanti a temperature elevate, primo fra tutti il creep.
Gli standards di calcolo nucleari provati ed affidabili prevedono la simulazione numerica con analisi agli elementi finiti, l’analisi a fronte della normativa del Code Case N-47 delle ASME III e permettono di ottenere previsioni di vita affidabili.
Nella tesi è analizzata la possibilità di realizzare con materiali metallici uno scambiatore di calore ad alta temperatura per l’impiego in cicli combinati a combustione esterna.
Le temperature dei fluidi all’interno dello scambiatore sono comprese tra 600 e 920 °C per quanto riguarda i fumi e tra 420 e 780°C per quanto riguarda l’aria; i suddetti valori permettono di ottenere una temperatura massima di parete inferiore a 805°C e consentono di utilizzare i dati dei materiali previsti nella normativa ASME.
Il materiale preso a riferimento è l’acciaio AISI 304H, per il quale sono fornite le caratteristiche meccaniche fino a 1500°F (816°C).
Viene sviluppato un metodo di calcolo termofluidodinamico dello scambiatore, ipotizzato in prima analisi di tipo shell-and-tube, con l’impiego delle principali correlazioni valide per lo scambio termico convettivo monofase e l’utilizzo di una procedura semplificata per la convezione esterna ai tubi.
Determinata la superficie di scambio richiesta e il numero di tubi necessari sono analizzate due possibili soluzioni costruttive. Preliminarmente è stato effettuato un dimensionamento di massima di uno scambiatore con geometria tradizionale, che ha dimostrato l’impossibilità pratica e tecnologica di tale soluzione, almeno a costi competitivi.
Si propone perciò una soluzione innovativa, di tipo modulare, che al posto delle piastre tubiere prevede dei collettori con testa emisferica o semiellittica, da cui si dipartono collettori più piccoli. I tubi veri e propri dello scambiatore sono collegati a questi ultimi.
I vari componenti sono dimensionati per la resistenza a pressione in condizione di creep. Si è ipotizzato un loro funzionamento a 100000 ore alla temperatura di 805°C. Le condizioni gravose di funzionamento a cui si trova soggetto il componente impongono l’adozione di normative e standards di riferimento provati e affidabili. Si è pertanto applicata la normativa propria del settore nucleare, confrontando i risultati con le regole valide in campo convenzionale.
La normativa per i recipienti in pressione, basata interamente sul concetto del Design by Formulas, non permette di valutare appieno gli effetti delle grandezze che determinano la rottura di un componente per creep. Per questo è necessario un approccio basato sul Design by Analysis, secondo quanto riportato nella Sezione III delle ASME e, successivamente, nell’Appendice 4 della Divisione 2 delle ASME VIII. E’ stato applicato il Code Case N-47 delle ASME III, che è la normativa di riferimento per la progettazione di componenti ad alta temperatura operanti in regime di creep.
Il componente più sollecitato dello scambiatore è stato analizzato mediante un programma agli elementi finiti (MARC).
Come richiesto dalla normativa è stata effettuata la verifica a resistenza per le intensità di tensione, e la verifica al creep sulle deformazioni.
Con la normativa convenzionale si è determinata la vita teorica, ricavata con la teoria di Larson-Miller. E’ emersa una differenza di previsione di vita teorica, secondo un fattore di poco superiore a 3 tra l’analisi numerica (Design by Analysis) e le previsioni secondo il Design by Formulas. In particolare l’analisi dettagliata a fronte della normativa nucleare ha permesso di determinare una vita teorica di 910000 ore con l’analisi numerica, contro 293400 ore ottenuto con il parametro di Larson-Miller. Ciò è dovuto all’elevato margine di sicurezza impiegato nel Design by Formulas. Con il Design by Analysis, invece, è possibile valutare in maniera più affidabile la vita di un componente, e pertanto è possibile utilizzare più ridotti margini di sicurezza.