L’elemento chiave dei cicli combinati a combustione esterna (questi cicli sono più efficienti e richiedono minori costi di realizzazione rispetto ai cicli termici convenzionali oltre a consentire l’impiego di combustibili meno pregiati) è rappresentato dello scambiatore di calore; per le temperature d’esercizio previste e la presenza di agenti ossidanti e corrosivi, gli unici materiali con i quali poter realizzare questo componente sono i ceramici strutturali e probabilmente i compositi a matrice ceramica (CMC). L’attività sperimentale del CESI in questo settore di ricerca si è avvalsa della partecipazione al progetto europeo Brite BRPR-CT97-0426 EFCC/UHTHE/B4 “Development and application of design and integration technologies for industrial subcritical components based on CMC-materials” finalizzato a: – messa a punto del processo di realizzazione di sub-componenti CMC per uno scambiatore di calore ad ultra alta temperatura; – sviluppo di tecniche di assemblaggio degli stessi e – messa a punto di metodologie di caratterizzazione delle proprietà meccaniche e di resistenza a ossidazione/corrosione dei componenti così realizzati. In questo contesto CESI ha messo a punto una metodologia per la giunzione permanente di componenti ceramici compositi con rinforzi costituiti da fibre di diversa natura (fibre lunghe, feltri fibrosi e wiskers). Questa tecnica innovativa è stata ottimizzata al fine di realizzare giunzioni di tubi di uno scambiatore di calore per temperatura ultra alta. CESI ha progettato, realizzato ed utilizzato un sistema sperimentale atto a valutare la tenuta in pressione delle giunzioni nelle condizioni d’esercizio. Esso consiste in un’apposita camera calda di prova situata a valle di un burner rig, di un sistema di pressurizzazione dotato di appositi tappi ed un sistema di raffreddamento per le estremità del tubo. Il collaudo eseguito su un tubo metallico ha dimostrato l’efficacia del sistema di tenuta dei tappi. L’esito delle prove condotte su cinque tubi giuntati e tre tubi di riferimento (privi cioè di alcuna giunzione) hanno indicato che i materiali CMC richiedono un’ulteriore fase di messa a punto prima di poter essere impiegati con successo per la realizzazione di impianti reali. Infatti dalle prove è risultato che durante le operazioni di giunzione il materiale CMC ha subito delle modifiche tali da compromettere l’esito delle prove previste dalla matrice sperimentale. In particolare per quanto riguarda le prove di tenuta e scoppio, è stato constatato che la porosità del materiale, solo in parte dovuta al danneggiamento del CMC durante la permanenza in burner rig, è tale da rendere il componente stesso simile ad un filtro. Infatti anche i tubi privi di giunzione hanno mostrato nelle prove a temperatura ambiente un comportamento analogo (seppur ridotto come entità) a quello dei tubi giuntati per i quali anche il trattamento di giunzione produce un incremento significativo della permeabilità ai gas del materiale. Sono state comunque riscontrate perdite anche nelle regioni in prossimità delle giunzioni ma rimane da definire se questa sia imputabile esclusivamente al processo di giunzione messo a punto o al contrario rientri tra gli effetti distruttivi della permanenza ad alta temperatura.

Infine per poter effettuare un controllo della qualità delle giunzioni realizzate, è stato sviluppato ed utilizzato su alcuni dei tubi giuntati una metodologia termografica di controllo non distruttivo basata sulla valutazione della resistenza termica della giunzione stessa.