ITTO20090056U1 - Guaina protettiva ceramica in sic - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per modello di utilità dal titolo:

“GUAINA PROTETTIVA CERAMICA IN SIC”

DESCRIZIONE

Background dell’invenzione

L’invenzione ha per oggetto una guaina protettiva ceramica per tubi metallici esposti a un forte stress termico e/o meccanico, in particolare in scambiatori di calore.

In determinati campi applicativi gli scambiatori di calore sono esposti a forti stress termici e/o meccanici che incrementano la corrosione delle superfici tramite le quali avviene lo scambio termico. Così, ad esempio, gli scambiatori di calore utilizzati per il raffreddamento dei gas di combustione negli impianti di incenerimento dei rifiuti sono esposti a un flusso continuo di particelle combuste.

Nella zona ad alta temperatura dei giri di fumo della caldaia, ossia in presenza di temperature che arrivano sino a 1000-1400 °C, i tubi dello scambiatore di calore sono tipicamente protetti da piastre ceramiche o masse refrattarie.

Laddove le temperature della caldaia sono inferiori ai 500-600 °C circa, i tubi dello scambiatore di calore sono di norma esposti direttamente ai gas combusti caricati, senza protezione alcuna, allo scopo di consentire un trasferimento di calore relativamente elevato.

Associato ai componenti chimicamente aggressivi del gas di combustione e alle temperature relativamente elevate, detto stress – quand’anche si utilizzino leghe resistenti – comporta per i tubi dello scambiatore di calore una vita utile di durata proporzionalmente più breve.

Al fine di ridurre la corrosione, e quindi prolungare gli intervalli di tempo che intercorrono tra una sostituzione e l’altra dei tubi dello scambiatore di calore, si è proposto inter alia di munire i tubi dello scambiatore di calore di una guaina ceramica che, trascorso un dato lasso di tempo, verrà rigenerata. Per assolvere a tale scopo, appropriate guaine ceramiche devono presentare diverse caratteristiche:

innanzitutto, la ceramica deve avere una resistenza massimamente elevata all’erosione meccanica operata dalle particelle combuste. Un’elevata resistenza all’usura alle alte temperature è pertanto vantaggiosa.

La ceramica, nei limiti del possibile, non deve ostacolare lo scambio di calore, sicché è necessaria un’elevata conducibilità termica. Allo stesso tempo, il materiale deve reggere anche alle oscillazioni termiche che si verificano all’inizio e alla fine dell’attività operativa, cosa che presuppone un’elevata resistenza alle variazioni di temperatura e, correlativamente a ciò, un basso coefficiente di dilatazione.

Inoltre, è opportuno che la ceramica sia leggera, ossia abbia la minor densità possibile, allo scopo di contenere lo stress meccanico aggiuntivo esercitato dai componenti metallici dello scambiatore di calore.

E’ altresì opportuno che gli elementi ceramici siano configurati in maniera tale da poter essere sostituti rapidamente, senza che ciò comporti lunghi tempi morti durante il ciclo operativo di un impianto, vale a dire che è opportuno che predetti elementi ceramici possano essere applicati con rapidità e facilità su tutti i componenti dei tubi dello scambiatore di calore, a prescindere dalla specifica forma adottata nell’impianto in questione. Pertanto tali elementi devono essere adattabili anche alle curvature dei tubi, ai tubi doppi e consimili. Il sistema di fissaggio deve, al tempo stesso, garantire un’adeguata affidabilità operativa.

Descrizione dettagliata del trovato

Conformemente alla presente invenzione, si propone una guaina ceramica per tubi realizzata in carburo di silicio “reaction bonded” infiltrato con silicio (SiSiC). Predetto materiale presenta tutte le caratteristiche richieste, quali elevata durezza, elevata resistenza meccanica e chimica alla corrosione, buona conducibilità termica, basso coefficiente di dilatazione al calore e ridotta densità. I sagomati in SiSiC possono essere fabbricati secondo metodi noti allo stato dell’arte.

La guaina per tubi proposta dalla presente invenzione può constare di svariati sagomati singoli che vengono accoppiati tra loro, sul posto, per mezzo di elementi di giunzione. Ciò consente di far sì che forme particolari dei tubi dello scambiatore di calore (ad es. incurvature, angoli, ecc.) possano essere dotate di una guaina su misura secondo l’invenzione. I singoli sagomati hanno vantaggiosamente la forma di canalini a sezione semicircolare che coprono il 50% della superficie del tubo. Due di siffatti elementi orientati specularmente (denominati in appresso “semigusci (10)”) formano dunque una guaina completa su un tratto lineare prestabilito del tubo. Se detto tratto è rettilineo, i semigusci non presenteranno alcuna incurvatura lungo il proprio asse longitudinale. Se il tubo è piegato ad angolo oppure è ricurvo, i semigusci presenteranno un’altrettanta incurvatura o piegatura ad angolo lungo il proprio asse longitudinale.

E’ possibile realizzare appositi semigusci anche per eventuali diramazioni di tubi da inguainare. In tal caso, i semigusci formeranno le due metà speculari di un raccordo a T.

Variando la lunghezza dei semigusci è possibile far sì che un tubo di qualsivoglia lunghezza possa essere munito di una guaina completa. A tal scopo, svariati segmenti guainanti vengono congiunti gli uni agli altri mediante elementi di giunzione.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, per garantire che i semigusci vengano assemblati senza lasciare interstizi, ciascuno dei semigusci appaiati (10) presenta sul bordo di un lato lungo un’ala angolata (20). In questo modo, accoppiando i semigusci, si viene a creare uno spazio interno cilindrico in cui è alloggiato il tubo da inguainare (fig. 3). Ciascuna delle ali (20) si sovrappone all’estremità libera dell’altro semiguscio, formando sul lato esterno della guaina venutasi così a creare due sporgenze contrapposte di forma rettangolare.

Grazie all’impiego di elementi di giunzione (30) a forma di semianello (fig. 4-6) è garantita la commessura dei semigusci tra loro, che così assemblati formano un segmento tubolare o segmento guainante, come pure è garantita la commessura di più segmenti guainanti. Accoppiando due dei predetti elementi di giunzione (30), si ottiene un elemento di forma anulare. Tale anello è a forma di disco e ha un diametro maggiore rispetto al diametro esterno del tondo del segmento guainante composto da due semigusci. In corrispondenza del bordo esterno l’anello presenta su ambo le facce una nervatura (40) che è interrotta in due punti contrapposti (50) e che quindi forma due segmenti di anello aventi un diametro interno che equivale o è lievemente maggiore rispetto al diametro esterno che il segmento guainante ha in corrispondenza del tondo. Inserendo nell’anello i semigusci accoppiati, predette interruzioni lasciano spazio agli angolati (20) mediante i quali sono accoppiati i due semigusci e ciascuno dei quali forma sul lato esterno del segmento guainante, in posizioni contrapposte, un sopralzo a sezione all’incirca rettangolare sul lato esterno.

Contemporaneamente l’anello presenta sul proprio lato interno quattro prolungamenti (60) che, rivolti verso l’interno, sono disposti a 90° l’uno rispetto all’altro e che nella parte interna dell’anello lasciano un diametro libero che equivale a oppure è maggiore rispetto al diametro esterno del tubo da incamiciare. Allorché si applica la guaina al tubo da incamiciare, detto assetto fa sì che vi sia un andamento coassiale di tubo e guaina. Al tempo stesso, ciascun prolungamento presenta in corrispondenza dei propri bordi interni due nervature (70) che formano segmenti di un cerchio avente diametro esterno che equivale al diametro interno del segmento guainante.

L’assemblaggio dei componenti descritti (semigusci ed elementi di giunzione) a formare un’incamiciatura completa può essere realizzato come segue. Accoppiando due semigusci attorno a un tratto del tubo da incamiciare si ottiene un segmento guainante che, in prima battuta, non risulta ancora fissato. Il fissaggio avviene applicando rispettivamente alle estremità due elementi di giunzione semianulari che all’atto dell’accoppiamento formano un elemento anulare che assicura sia l’andamento coassiale di tubo e guaina (tramite i prolungamenti sul lato interno) sia la commessura dei semigusci (tramite le nervature sui bordi interni ed esterni). La guaina ceramica, che consta di due semigusci (10), viene avvolta dalle nervature (40) e (70); grazie alle interruzioni (50) delle nervature viene lasciato spazio per le sporgenze formate dalle ali (20) sul lato esterno della guaina.

Le dimensioni degli elementi citati possono variare; tuttavia, per l’esperto del ramo è immediatamente comprensibile che ciò può verificarsi solo secondo una modalità che non pregiudichi le corrispondenze tra i singoli componenti.

Anche lo spessore del materiale ceramico può variare; in una forma realizzativa prediletta detto spessore va da 4 mm a 8 mm, o ammonta a 5 mm circa.

E’ opportuno che l’interspazio tra la guaina ceramica e il tubo da incamiciare sia il più contenuto possibile onde consentire, da un lato, un semplice montaggio e, dall’altro, che il trasporto di calore non venga inutilmente ostacolato. A montaggio ultimato, predetto interspazio può inoltre essere riempito con una massa legante ceramica che rinforza ulteriormente il fissaggio della guaina al tubo. Tipicamente, quali masse leganti ceramiche si prestano le masse refrattarie fluide. Dette masse fluide si contraddistinguono per un’ottima fluidità, garantendo così un efficace riempimento della fenditura. Da un lato, grazie a una quota parte di pasta cementizia refrattaria e acqua, le masse refrattarie fluide possono fare presa e indurirsi per idratazione.

Dall’altro, grazie a una quota parte di agglomerante termoindurente, per es. a base di B2O3, la massa fluida può indurirsi per effetto termico, ossia al primo ciclo di riscaldo.

A indurimento avvenuto, dette masse fluide refrattarie formano intorno al tubo da incamiciare uno strato aggiuntivo di natura ceramica. Selezionando le granulazioni delle masse ceramiche è possibile determinate le caratteristiche meccaniche e termiche, a prescindere dalla specifica tipologia di legante preferita. Ad esempio, si utilizzano preferibilmente grani di Sic aventi un rapporto di addensamento relativamente elevato, ma adeguata fluidità, per consentire alte conducibilità termiche e, quindi, un trasferimento di calore quanto più possibile sgombro da intralci tra la guaina in SiSic e il tubo metallico dello scambiatore di calore.

In un’altra forma di realizzazione del trovato si descrive una guaina ceramica destinata a tubi esterni di piastre tubiere planari. In questa variante di scambiatore di calore le piastre tubiere, unite tramite saldatura, costituiscono la superficie dello scambiatore di calore ubicata nel condotto del gas combusto. Nella fattispecie, i fasci tubieri che corrono all’interno della piastra tubiera sono meno esposti all’effetto corrosivo dei gas combusti rispetto ai tubi che corrono in corrispondenza del margine esterno della piastra tubiera. Orbene, la presente invenzione offre la possibilità di proteggere in modo mirato questi componenti della struttura particolarmente sensibili. La relativa forma di realizzazione del trovato consiste in segmenti tubieri (110) aperti su un lato, realizzati in carburo di silicio “reaction bonded”. Detti segmenti tubieri presentano sul lato lungo un’apertura che – a seconda della configurazione, la quale può variare al variare delle dimensioni delle piastre tubiere cui la guaina protettiva deve essere adattata – si estende per un angolo compreso tra 60° e 90°. Ciò fa sì che i segmenti tubieri, visti dall’alto, formino su una base un segmento circolare che va da 270° a 300°. Detti segmenti tubieri aperti su un solo lato possono, in ragione della loro apertura relativamente ampia sul lato lungo, essere infilati senza problemi su un tubo esterno e, in tal modo, essere applicati anche a un impianto scambiatore di calore pronto per l’uso. Il collegamento avviene per mezzo di elementi di giunzione aperti su un lato. Anche detti elementi di giunzione (80) sono a forma di disco e presentano a loro volta una nervatura esterna (40) su ciascun bordo della faccia esterna e sul lato interno prolungamenti (60) comprendenti nervature (70), come per gli elementi di giunzione semianulari (30) precedentemente descritti; tuttavia, a differenza di questi ultimi, non sono semianulari bensì sostanzialmente circolari, con un’ala a sezione rettangolare (90). Inoltre, essi non presentano neppure le interruzioni (50) nella nervatura esterna giacché dette interruzioni non sono necessarie per assicurare l’inserimento di un segmento tubiero (110) aperto sul lato lungo e che non presenta ali angolate (20). Per contro, quale caratteristica supplementare essi presentano un’ala (90) che, abbracciando il tubo esterno della piastra tubiera e l’adiacente tubo interno della piastra tubiera, funge da loro punto di giunzione. In predetta ala si trova una fenditura (100) per l’alloggiamento del punto di giunzione.

Anche questi segmenti tubieri aperti su un solo lato, a montaggio ultimato, possono essere ulteriormente fissati al tubo esterno per mezzo di una massa legante ceramica. Così facendo, inoltre, si migliora il passaggio e il trasferimento di calore tra il tubo protettivo in SiSiC e il tubo metallico della scambiatore di calore. Per via della struttura aperta su un lato, si rende necessario l’utilizzo di elementi ausiliari che occludano adeguatamente l’apertura presente sul lato lungo per consentire di versare un’apposita massa legante. Qualora si utilizzino masse leganti termoindurenti, è vantaggioso che predetti elementi ausiliari constino di un idoneo materiale infiammabile (ad esempio plastica) che bruci completamente durante il processo di indurimento.

Ai fini della lavorazione delle masse leganti può essere vantaggioso inserire siffatti elementi ausiliari anche negli elementi di giunzione delle succitate forme di realizzazione. Ciò dicasi preferibilmente per quelle superfici su cui guaina ed elemento di giunzione vengono in contatto. Anche in questo caso gli elementi ausiliari incrementano la tenuta delle giunzioni durante le operazioni effettuate con la massa legante. Anche in questo caso, se si utilizzino masse leganti termoindurenti, è ragionevole impiegare elementi ausiliari realizzati con un materiale che durante il processo di indurimento brucia completamente.

L’invenzione verrà ora descritta più dettagliatamente con riferimento ai disegni annessi, in cui:

la fig.1 illustra un elemento a forma di canalino (semiguscio) (10) comprendente ali angolate (20);

la fig.2 illustra, in spaccato, un semiguscio (10);

la fig.3a illustra, in spaccato, due semigusci accoppiati (10) che fanno presa l’uno nell’altro tramite le rispettive ali angolate (20);

la fig.3b illustra, secondo un dettaglio ingrandito di fig.3a, un’ala (20);

la fig.4 illustra due elementi semianulari (30) comprendenti le nervature (40) ubicate sul bordo esterno, le interruzioni (50) delle nervature, i prolungamenti (60) collocati sul lato interno e comprendenti le nervature (70) disposte sui bordi dei prolungamenti;

la fig.5a illustra un elemento semianulare (30) comprendente gli ulteriori elementi (40), (50), (60) e (70), come succitato;

la fig.5b illustra, in spaccato, un elemento semianulare (30) in corrispondenza della posizione occupata da un prolungamento (60) ubicato sul lato interno;

la fig.6 illustra un elemento semianulare (30) visto dall’apertura del semianello;

la fig.7 illustra un dettaglio di una piastra tubiera in cui il tubo esterno è avvolto da più segmenti tubieri (110) e da elementi di giunzione (80);

la fig.8 illustra, in spaccato, una piastra tubiera di fig. 7 incamiciata, all’altezza di un elemento di giunzione (80);

la fig.9 illustra un tratto assemblato di una guaina protettiva secondo la presente invenzione, composto da due raccordi a T ciascuno dei quali comprende due attacchi laterali;

la fig.10 illustra un insieme di elementi guainanti di forma diversa, montato intorno a una struttura tubiera. Detta struttura comprende un tubo principale inferiore comprendente quattro diramazioni. Nella figura le due diramazioni centrali non sono ancora provviste della guaina protettiva secondo l’invenzione, mentre le due diramazioni esterne sono già state interamente inguainate;

la fig.11 illustra un elemento guainante curvo, a “S”, di una guaina protettiva secondo la presente invenzione.

Elenco dei segni di riferimento

10 Canalino (semiguscio)

20 Ala angolata del semiguscio (10)

30 Elemento di giunzione semianulare

40 Nervatura collocata sul margine esterno

50 Interruzioni ricavate nella nervatura

60 Prolungamenti collocati sul lato interno

70 Nervatura collocata sul bordo del prolungamento

80 Elemento di giunzione

90 Ala dell’elemento di giunzione (80)

100 Fenditura presente nell’ala (90)

110 Segmento tubiero aperto su un lato

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Guaina protettiva ceramica per tubi, caratterizzata dal fatto che il materiale ceramico di cui è composta la guaina è carburo di silicio “reaction bonded” infiltrato con silicio (SiSiC).
2. 2. Guaina protettiva ceramica secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di constare di due canalini (semigusci) (10) a sezione semicircolare, ciascuno dei quali presenta sul bordo di un lato lungo un’ala angolata (20).
3. 3. Guaina protettiva ceramica secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che i semigusci accoppiati, in corrispondenza delle loro estremità, vengono tenuti insieme rispettivamente da due elementi di giunzione semianulari (30), formando così un segmento guainante.
4. 4. Guaina protettiva ceramica secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che i due elementi di giunzione semianulari (30) formano insieme un elemento anulare che è a forma di disco e che presenta su ciascuno dei propri bordi esterni una nervatura (40) che è interrotta in due punti contrapposti (50) e che quindi forma due segmenti di anello aventi un diametro interno che equivale o è lievemente maggiore rispetto al diametro esterno che il segmento guainante ha in corrispondenza del tondo; e che, inoltre, presenta sul proprio lato interno quattro prolungamenti (60) che, rivolti verso l’interno, sono disposti a 90° l’uno rispetto all’altro e che nella parte interna dell’anello lasciano un diametro libero che equivale a oppure è maggiore rispetto al diametro esterno del tubo da incamiciare, e ove ciascuno di questi prolungamenti presenta in corrispondenza dei propri bordi interni due nervature (70) che formano segmenti di un cerchio avente diametro esterno che equivale al diametro interno del segmento guainante.
5. 5. Guaina protettiva ceramica secondo una delle precedenti rivendicazioni, come rappresentata in una delle figure dalla 1 alla 6.
6. 6. Guaina protettiva ceramica secondo la rivendicazione 1 volta all’incamiciatura del tubo esterno di una piastra tubiera, caratterizzata dal fatto che la guaina rappresenta un segmento tubiero (110) aperto sul lato lungo, ove l’angolo dell’apertura è compreso tra 60° e 90°.
7. 7. Guaina protettiva ceramica secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che più segmenti (110) sono uniti gli uni agli altri per mezzo di elementi di giunzione (80), ove l’elemento di giunzione è sostanzialmente circolare, con un’ala a sezione rettangolare (90), e presenta una nervatura esterna (40) nonché quattro prolungamenti sul lato interno (60) comprendenti nervature (70) sui propri bordi interni, ove l’aletta presenta una fenditura (100).
8. 8. Guaina protettiva ceramica secondo la rivendicazione 6 o 7, come rappresentata in una delle figure dalla 7 alla 8.
9. 9. Guaina protettiva ceramica secondo una delle rivendicazioni dalla 1 alla 5 per elementi tubieri ricurvi.
10. 10. Guaina protettiva ceramica secondo una delle rivendicazioni dalla 1 alla 5, comprendente una o più congiunzioni multiple rettilinee o ricurve o ad angolo.