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Fouling minimisation and process intensification in heat exchangers of lignite utility boilers

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Ottimizzazione dello scambio termico nelle caldaie per la generazione di elettricità, grazie alla messa a punto di tubi innovativi

L'utilizzo delle caldaie a lignite per la produzione di elettricità è diffuso in molti paesi. Tuttavia, il problema del deposito delle particelle di cenere sulla superficie dei tubi dello scambiatore di calore riduce notevolmente il rendimento della caldaia e ne aumenta i costi di funzionamento e manutenzione. Questo fenomeno, noto come fouling o incrostazione, può essere significativamente ridotto utilizzando fasci tubieri innovativi, progettati e testati da un consorzio di università ed industrie europee.

Tecnologie industriali

Le caldaie a lignite, come suggerisce il termine, bruciano lignite per la produzione, in primo luogo di elettricità, ma anche di calore e/o aria fredda. In questi sistemi, lo scambiatore di calore svolge un ruolo essenziale ai fini dell'eliminazione del calore in eccesso. I tubi utilizzati per lo scambio termico si deteriorano rapidamente a causa del fouling o incrostazione, ovvero il deposito di particelle di cenere prodotte dalla combustione della lignite sulle superfici dello scambiatore. L'attuale progetto di ricerca si è posto l'obiettivo di minimizzare l'incrostazione dei tubi in questi sistemi. La riduzione al minimo di tale fenomeno ha avuto conseguenze immediate e di grande importanza. In presenza di una trasmissione di calore pari al 25 per cento del tasso di fouling e al 60 per cento della caduta di pressione, la prestazione complessiva delle caldaie è aumentata addirittura del 90 per cento. Questi dati si basano sulla configurazione standard delle caldaie utilizzate in Grecia per la produzione di elettricità. I partecipanti al progetto sono riusciti a ridurre notevolmente il tasso di fouling ricorrendo ad una disposizione asimmetrica dei tubi e/o a tubi non circolari. I nuovi fasci tubieri DDEFORM, attualmente protetti da brevetto, sono stati testati sotto il profilo numerico e sperimentale. Oltre alle caldaie, questa nuova configurazione può essere applicata agli scambiatori di calore nei sistemi di raffreddamento, per esempio nei radiatori per automobili. In generale, la configurazione proposta può essere applicata laddove vi siano problemi di fouling o dove la caduta di pressione sia determinante ai fini del funzionamento. Nel corso del progetto, i partecipanti hanno condotto diverse indagini numeriche e sperimentali sulla minimizzazione del fouling, mettendo a punto nuovi test per di rilevamento dell'incrostazione. Inoltre, per ottimizzare il rendimento del fascio tubiero, sono stati condotti approfonditi studi sulla perturbazione del flusso a monte, sulla disposizione asimmetrica dei tubi e sui condotti non circolari. Oltre a ciò è stato sviluppato un circuito sperimentale per gli scambiatori di calore industriali volto a misurare il deposito di particelle su un fascio tubiero in linea circolare e su uno dalle caratteristiche potenziate. Grazie alla metodologia sviluppata, sarà possibile esaminare in modo approfondito gli scambiatori e i filtri in presenza di incrostazione, consentendo così ai produttori di utilizzare la configurazione più appropriata di questi tubi dalle forme innovative, al fine di ridurre il fenomeno del fouling. Oltre all'industria dell'elettricità, la quale trarrà grande beneficio dai risultati di questo progetto, la soluzione DDEFORM trova applicazione in diversi altri settori: l'industria automobilistica, nella produzione di radiatori, l'industria chimica, dove spesso gli scambiatori di calore operano in condizioni di elevata incrostazione ed infine l'industria di produzione dei filtri, la quale potrebbe utilizzare le conoscenze accumulate per risolvere il problema opposto, ovvero la cattura delle particelle.

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