Trasmissione del calore nei letti fluidizzati con liquidi

Lo studio dei fenomeni relativi all’idrodinamica ed allo scambio termico nei letti fluidizzati è di grande interesse nell’Energetica industriale. Infatti è necessaria la loro comprensione per proporre modelli affidabili ai fini della progettazione e della simulazione del funzionamento delle tante apparecchiature nelle quali essi si manifestano. In molti processi industriali i contatti e le interazioni tra fluidi, siano essi liquidi o gas, e particolati solidi consentono una grande varietà di utili applicazioni. Si tratta del campo dell’ingegneria della fluidizzazione, che ha suscitato un ampio interesse fin dalla realizzazione, durante la Seconda Guerra Mondiale, dei reattori a letto fluido per il cracking catalitico del petrolio. L’ingegneria della fluidizzazione copre un ampio campo di impieghi e tra questi: - applicazioni di letti fluidi con gas per la combustione, la gassificazione di combustibili e residui solidi, il riscaldamento e l’essiccazione di particelle, applicazioni dell’industria chimica, il cracking catalitico e termico del petrolio, etc.; - applicazioni di letti fluidi con liquidi nell’industria chimica e in apparecchiature di scambio termico come nel caso dei sistemi di recupero per il calore di scarto, dell’uso diretto dei fluidi geotermici, etc. I letti fluidizzati di interesse tecnico sono di due tipi: - letti fluidizzati con liquidi - letti fluidizzati con aeriformi. Al primo tipo si riferiscono le applicazioni nelle quali il fluido di sostegno è un liquido in seno al quale si ha la presenza di un particolato solido, spesso eterogeneo, che può essere inerte chimicamente o può reagire col fluido di sostegno o con alcuni componenti del particolato medesimo. Al secondo tipo si riferiscono le applicazioni nelle quali il fluido di sostegno è invece un aeriforme in seno al quale si ha la presenza di particolato solido, anche qui spesso eterogeneo, che può essere inerte o può reagire nel modo anzi detto. Le applicazioni più complesse riguardano l’industria chimica e non sono oggetto del presente Rapporto; esso è invece dedicato alle applicazioni più proprie dell’ingegneria meccanica che riguardano lo scambio termico tra il letto fluido ed una superficie di scambio a contatto col letto. Si tratta di tematiche che riguardano la progettazione e la verifica di scambiatori di calore a letto fluido nei quali interessa lo scambio termico tra un fluido sporco (che rappresenta il fluido di sostegno) ed una superficie di scambio a letto fluido (come nelle applicazioni della geotermia), la surgelazione di legumi e di verdure, l’essiccazione di cereali in grani, etc., la combustione a letto fluido di carbone o di residui della lavorazione del legno ed anche di rifiuti difficili da bruciare. Nella letteratura degli ultimi due decenni si ha un rilevante numero di memorie pubblicate da riviste che riportano i risultati di varie ricerche sperimentali sia sui fenomeni relativi all’idrodinamica che sui fenomeni relativi allo scambio termico. Esistono pure alcuni libri sui predetti argomenti. I modelli proposti in letteratura, sia per la previsione del comportamento idrodinamico che dei coefficienti di scambio termico, sono complessi. Ne segue che le metodologie di correlazione dei dati sperimentali dello scambio termico tra il letto fluidizzato ed una superficie immersa in esso sono altrettanto complesse ed in genere differiscono per le varie casistiche affrontate; non è quindi facile estenderne l’applicazione a casi differenti da quelli per cui sono state ricavate. La situazione è poi ancora più incerta quando si vogliono affrontare gli aspetti dello scambio termico relativi all’irraggiamento, dai quali non si può prescindere quando nel letto si raggiungono e si superano temperature di 600 °C. I modelli proposti in letteratura si possono essenzialmente distinguere in due categorie: - modelli in cui si ha un approccio dei problemi partendo da analisi dettagliate del comportamento del particolato in seno al letto e delle interazioni del letto con le superfici di scambio; si tratta di modelli complessi perché affrontano aspetti correlati alla natura non stazionaria dei fenomeni, ma comunque, poi, incompleti, perché la complessità intrinseca dei sistemi studiati non rende possibile una adeguata sintesi delle trattazioni analitiche per ricavare formulazioni di pratico interesse applicativo, - modelli che rappresentano tentativi di approccio con l’analisi dimensionale, ma che, in genere, per l’inadeguatezza delle variabili adimensionali scelte, che dovrebbero essere descrittive dei fenomeni, risultano poco esaustive; si riscontrano infatti distorsioni parametriche, spesso notevoli, che comportano una dispersione eccessiva dei dati sui piani di correlazione e ne risultano bassi valori dei coefficienti di correlazione. Il termine fluidizzazione, in senso generale, include anche il caso in cui delle particelle circolano in una apparecchiatura o in un condotto. In questi casi le particelle solide sono sospese in un fluido. Una volta che le particelle sono fluidizzate, possono scorrere facilmente e si possono sfruttare le proprietà, similari a quelle di un fluido, del sistema fluidizzato nel campo della ingegneria delle slurry-pipeline, un nuovo campo dell’Ingegneria della Fluidizzazione. Queste ultime applicazioni ora sono di grande interesse negli USA per il trasporto di carbone sospeso in acqua. La maggior parte delle riserve di carbone negli USA sono in sette Stati dell’ovest (il 72% delle riserve minerarie), così è di grande interesse il trasporto in slurry-pipeline dalle miniere ai siti dove sono allocati gli impianti di gassificazione o di produzione elettrica. Una delle più lunghe pipeline di trasporto di carbone in forma di slurry negli USA è la Black Mesa pipeline (273 miglia, circa 440 km, che va da una miniera nel nord-est dell’Arizona fino ad una centrale elettrica nell’estremo sud del Nevada), la pipeline ETSI, Energy Transportation Systems Inc., è destinata al trasporto di carbone dalle miniere del Wyoming all’Oklahoma, in Texas e in Louisiana. Negli USA si stanno pianificando altre pipeline slurry e qualche altra è attualmente in servizio per il trasporto di minerali metallici sospesi in acqua. L’applicazione della fluidizzazione al trasporto via pipeline di slurry costituisce la base del futuro da costruire per l’innovazione tecnologica finalizzata all’uso pulito del carbone. Il Rapporto raccoglie i principali risultati di ricerche degli Autori sul tema dello scambio termico negli scambiatori di calore e nei combustori a letto fluido. Sul tema dello scambio termico nell’Ingegneria della Fluidizzazione le ricerche di alcuni degli Autori hanno avuto inizio dal 1983 al DREAM (precedentemente DEAF) dell’Università di Palermo ed altre attività precedentemente sono state svolte da due degli Autori all’IIE, Instituto de Investigaciones Electricas, di Cuernavaca Morelos, in Messico, nell’ambito di una collaborazione internazionale tra l’Aquater dell’ENI e l’IIE nel periodo 1983-1994. Alcuni risultati parziali sono già stati pubblicati in altri rapporti e articoli degli Autori, qui, oltre alla definizione organica di una nuova originale metodologia di correlazione dei dati di scambio termico, è stato svolto un lavoro di sintesi per presentare i risultati in forma adatta per le applicazioni di progetto e simulazione dei processi e delle apparecchiature. Sebbene lo scopo principale sia la derivazione di correlazioni per predire i coefficienti di scambio termico tra un letto fluido o una corrente fluidizzata circolante e una superficie di scambio termico, alcuni lavori svolti attengono alla caratteristiche idrodinamiche delle particelle fluidizzate ed in alcuni capitoli sono anche riportati dei risultati ottenuti per tali aspetti fenomenologici. La nuova metodologia di correlazione proposta si fonda sull’uso di un modello idrodinamico basato sul modello del Drift Flux di G.B. Wallis e sull’approccio della metodologia di correlazione generale di A.P. Colburn. Come si può vedere dai risultati presentati, la metodologia di correlazione è stata verificata confrontandola con molti dati provenienti da vari laboratori nel mondo disponibili nella letteratura internazionale. Le Ricerche sull’ingegneria della fluidizzazione sono state sviluppate nel contesto dei seguenti contratti e programmi di ricerca: a) EEC/AQUATER Contratto 326800 - assistenza tecnica allo IIE Messico, EEC. DG VIII Bruxelles [8]; b) EEC/AQUATER Contratto ADE/933/84/06 - assistenza tecnica allo IIE Messico, EEC. DG I Bruxelles [9]; c) MURST 60% anni 1989- 1994 Università di Palermo, DEAF, “Trasmissione del calore in letti fluidizzati con gas”; d) Programma “ORPA059444: “Innovazione tecnologica di sistemi energetici e loro componenti; metodologie di progettazione, verifica e simulazione” Università di Palermo, ancora in corso