Gli scambiatori di calore sono dispositivi fondamentali in numerosi settori industriali, specialmente in quelli che richiedono il trasferimento di calore in ambienti ad alte temperature e pressioni. L’innovazione tecnologica ha portato alla progettazione e alla realizzazione di scambiatori di calore altamente performanti, in grado di operare in condizioni estremamente difficili. Tra le soluzioni più promettenti vi sono gli scambiatori di calore fabbricati attraverso la tecnica della manifattura additiva, che consente di ottimizzare la geometria e le prestazioni termiche, offrendo una maggiore efficienza rispetto ai metodi tradizionali.

Uno degli esempi più rilevanti riguarda gli scambiatori di calore basati su SiC (carburo di silicio), realizzati con la tecnica di strutture laminate integrate a pressione (PLIS). Questi dispositivi, progettati per operare a temperature elevate (fino a 750°C), sono costruiti attraverso una stratificazione di strati che formano microcanali. La tecnica PLIS non solo garantisce una soluzione compatta, ma anche un costo contenuto, rendendo gli scambiatori altamente efficienti e ideali per ambienti ad alta temperatura. La loro efficacia varia tra 0.6 e 0.8 in base alle condizioni di test esplorate. Questo approccio consente di realizzare scambiatori di calore che rispondono a esigenze di alta potenza e densità termica.

Altra innovazione interessante riguarda l’utilizzo di schiume metalliche, come quelle in Ni-Cr e acciaio inox, per migliorare il trasferimento di calore in scambiatori operanti fino a 650°C. Le schiume metalliche, con la loro alta porosità e rapporto superficie-volume, favoriscono un'interazione ottimale tra il flusso attraverso i pori e le strutture interne, aumentando la dispersione termica e il trasferimento di calore. Tuttavia, la disponibilità commerciale di queste schiume è limitata da densità di poro fisse e livelli di porosità superiori al 90%, il che può influire sulle prestazioni in determinate condizioni operative. Per questo motivo, le innovazioni recenti nel campo dei materiali architetturali additivamente fabbricati offrono un controllo superiore delle prestazioni termiche e delle perdite di pressione, permettendo il miglioramento delle prestazioni termoidrauliche complessive.

L’evoluzione della manifattura additiva (AM) ha ulteriormente spinto la progettazione degli scambiatori di calore, permettendo la realizzazione di concetti non convenzionali con alta precisione e qualità di stampa. Questi scambiatori sono in grado di ottenere un’alta densità di potenza, riducendo al minimo le superfici di contatto e aumentando l'efficienza complessiva. La possibilità di stampare scambiatori monolitici attraverso la manifattura additiva consente di ridurre significativamente i costi legati all’assemblaggio tradizionale, come la saldatura o la diffusione del legame, e migliora la robustezza strutturale del dispositivo. Un esempio innovativo in questo campo è il recuperatore di calore a base di sCO2 (supercritical CO2) realizzato con stampa 3D, che ha mostrato una grande promessa per applicazioni ad alta temperatura, come quelle legate alla generazione di energia solare-termica.

Nel contesto delle energie rinnovabili, gli scambiatori di calore additivamente fabbricati sono stati progettati anche per operare in cicli di scambio termico avanzato, come nel caso di quelli impiegati nel trasferimento di calore da sali fusi a sCO2. Tano et al. hanno sviluppato un innovativo scambiatore di calore additivamente fabbricato per il trasferimento termico tra il sale fuso e l’sCO2, utilizzando canali rettangolari per il sale e pin-fin cilindrici per il fluido supercritico, con un'efficacia di scambio termico superiore a 0.9. In studi successivi, sono stati esplorati materiali avanzati come il carburo di silicio (SiC) e il boruro di zirconio (ZrB2), utilizzando la tecnica di stampa a getto di legante, che ha permesso la realizzazione di componenti altamente resistenti alla corrosione, un aspetto cruciale per i cicli termici in ambienti estremi.

Le tecniche di manifattura additiva, come la fusione a letto di polvere laser (LPBF), sono state anche applicate con successo in ambito aerospaziale e nell’industria energetica, dove i recuperatori di calore per applicazioni a base di sCO2 sono stati realizzati utilizzando leghe metalliche avanzate come il superlega Haynes 282. Questi scambiatori, grazie alla loro geometria complessa e alla riduzione dei passaggi di fabbricazione, sono risultati più affidabili e meno costosi rispetto alle versioni tradizionali, che richiedono fasi intermedie come la saldatura e la diffusione del legame.

Inoltre, l’integrazione di concetti avanzati di scambio termico attraverso AM ha portato alla creazione di scambiatori di calore in configurazioni più compatte e sofisticate. Un esempio di questo è l’adozione di celle Kelvin reticolate 3D in materiali come il Si-SiC, stampate additivamente e inserite tra piastre parallele in uno scambiatore di calore a gas, aumentando notevolmente l'efficienza termica senza compromettere la robustezza strutturale. Le applicazioni di AM si estendono anche alla progettazione di sistemi intelligenti per la gestione dei flussi termici, ottimizzando i canali caldi e freddi in modo dinamico per migliorare ulteriormente il trasferimento termico.

In definitiva, l'adozione di tecnologie di manifattura additiva nei sistemi di scambio termico per ambienti estremi non solo rappresenta una frontiera avanzata nella progettazione dei dispositivi, ma offre anche nuove soluzioni per il controllo e la gestione dell'efficienza energetica in settori critici. La combinazione di nuovi materiali, progettazioni innovative e processi di fabbricazione avanzati consente di realizzare scambiatori di calore che sono non solo più performanti, ma anche più economici e affidabili in contesti di operazioni ad alta temperatura e alta pressione.

L'utilizzo dei moduli termolettrici nei scambiatori di calore: un approccio innovativo per il recupero dell'energia da calore di scarto

Il recupero dell'energia attraverso il calore di scarto e la gestione termica rappresentano aree in rapido sviluppo nel campo delle tecnologie energetiche sostenibili. In particolare, l'impiego dei moduli termolettrici negli scambiatori di calore per la generazione di elettricità costituisce una promettente soluzione per sfruttare il calore residuo e convertirlo in energia utile. I moduli termolettrici, costituiti da materiali termolettrici con elevati coefficienti di Seebeck, vengono integrati negli scambiatori di calore per sfruttare i differenziali di temperatura tra i flussi di calore caldo e freddo. Quando il calore attraversa lo scambiatore di calore, il gradiente termico che si sviluppa tra i moduli termolettrici induce una differenza di potenziale, generando così elettricità tramite l'effetto Seebeck.

Questa elettricità prodotta può essere utilizzata per alimentare sensori, attuatori o altri dispositivi elettronici, riducendo il consumo energetico e abbattendo i costi operativi complessivi. Ad esempio, i moduli termolettrici integrati negli scambiatori di calore industriali possono catturare il calore residuo proveniente dai processi di produzione e trasformarlo in elettricità, migliorando l'efficienza energetica e la sostenibilità. Analogamente, nei sistemi di scarico automobilistici, gli scambiatori di calore con moduli termolettrici possono recuperare il calore di scarto dai gas di scarico del motore per generare energia elettrica da utilizzare nei sistemi di bordo, contribuendo così a migliorare l'efficienza del veicolo e a ridurre le emissioni.

L'integrazione dei moduli termolettrici negli scambiatori di calore offre un approccio innovativo alla generazione di elettricità a partire dal calore di scarto, contribuendo all'avanzamento delle soluzioni energetiche sostenibili. Tuttavia, nonostante i numerosi vantaggi, ci sono delle sfide da affrontare. In particolare, l'efficienza dei moduli termolettrici deve essere migliorata attraverso progressi nei materiali e nei processi di produzione, come la strutturazione nanometrica e il dopaggio. Altri aspetti da considerare includono la compatibilità con temperature molto elevate o molto basse, la durabilità e l'affidabilità dei moduli, nonché la riduzione dei costi di produzione. La scala di applicazione e l'integrazione negli impianti esistenti sono altre aree in cui occorrono sviluppi, affinché la tecnologia possa essere utilizzata in modo efficiente in scenari industriali e automobilistici. Infine, l'impatto ambientale dei materiali termolettrici e dei loro processi di produzione necessita di un'attenzione particolare, per garantire che le soluzioni siano sostenibili anche dal punto di vista ecologico.

Una possibile direzione di sviluppo riguarda l'uso della biomimetica nei progetti di scambiatori di calore. L'ispirazione dalla natura può portare a soluzioni innovative che migliorano l'efficienza e la sostenibilità degli scambiatori di calore. Un esempio significativo di biomimetica è l'adozione dei principi di scambio termico controcorrente presenti nei sistemi circolatori di mammiferi marini come balene e delfini. Questi animali possiedono strutture anatomiche specializzate, come il rete mirabile, che consentono uno scambio termico altamente efficiente tra i vasi sanguigni arteriosi e venosi, minimizzando la perdita di calore durante le immersioni prolungate in acque fredde. I progettisti di scambiatori di calore biomimetici emulano questo meccanismo incorporando reti intricate di microcanali o strutture a pinne che favoriscono il flusso controcorrente di fluidi caldi e freddi, massimizzando l'efficienza del trasferimento termico. Questi scambiatori biomimetici hanno applicazioni in sistemi HVAC, refrigerazione e processi industriali, dove la riduzione dei consumi energetici e l'ottimizzazione delle prestazioni termiche sono essenziali.

I vantaggi e le applicazioni degli scambiatori di calore ispirati alla natura sono molteplici. Oltre a migliorare l'efficienza energetica e ridurre i consumi, questi sistemi possono essere progettati per adattarsi a diverse condizioni ambientali, rendendoli ideali per l'uso in una vasta gamma di settori, tra cui HVAC, refrigerazione, processi industriali, produzione di energia, automotive, aerospaziale, energie rinnovabili, bioingegneria, controllo ambientale, ingegneria marina, energia geotermica, dispositivi biomedicali e lavorazione degli alimenti. L'adozione di questi principi progettuali, tratti dalla natura, consente non solo di migliorare le prestazioni e il risparmio energetico, ma anche di contribuire alla sostenibilità ambientale.

Con l'evoluzione della tecnologia e la crescente necessità di soluzioni energetiche più sostenibili, gli scambiatori di calore rappresentano una componente cruciale per ridurre le emissioni di gas serra e ottimizzare l'uso delle risorse. L'innovazione nel design degli scambiatori di calore è quindi fondamentale per raggiungere gli obiettivi di efficienza energetica e sostenibilità a livello globale. Tecnologie emergenti come l'intelligenza artificiale (IA), l'apprendimento automatico (ML) e l'internet delle cose (IoT) offrono opportunità per monitoraggi in tempo reale, manutenzione predittiva e controllo autonomo, aumentando ulteriormente la sostenibilità e l'efficienza degli scambiatori di calore.

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