Modelli per l'analisi di scambiatori di calore ad alta temperatura

Il presente lavoro nasce dalla considerazione generale che l’ambito dello scambio 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 (e-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.