Como muchos diseñadores e ingenieros han aprendido en cursos de ingeniería o en clases de física universitaria, el calor fluye naturalmente de las zonas de alta temperatura a las de baja temperatura. La transferencia de calor eficiente se hace posible cuando disponemos los materiales y diseñamos los dispositivos de manera que permitan o mejoren este flujo térmico.
Los intercambiadores de calor proporcionan precisamente este tipo de dispositivos para la transferencia controlada de calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas. Utilizan superficies conductoras de calor para transferir calor de un medio más caliente a uno más frío. Esto ocurre sin que los fluidos se mezclen entre sí.
Los intercambiadores de calor de placas son un tipo muy común de intercambiador de calor y posiblemente la aplicación más relevante de la tecnología de soldadura fuerte. Sus aplicaciones abarcan desde automóviles y equipos de climatización hasta tecnología energética y accesorios de agua potable. Ventajas y características de rendimiento de los intercambiadores de calor de placas soldados productos no puede desvincularse de la calidad de la soldadura fuerte.
Estructura y principio de funcionamiento del intercambiador de calor de placas
Estructura básica
Un intercambiador de calor de placas consta de una serie de placas metálicas delgadas y perfiladas, apiladas de forma alternada. Cada placa presenta ondulaciones o patrones en forma de chevrón que, al apilarse, crean un recorrido sinuoso. Los fluidos caliente y frío circulan por trayectorias paralelas, separadas únicamente por las delgadas paredes de las placas, lo que permite una transferencia de calor altamente eficiente.
Desde el punto de vista de la fabricación, este material laminado tiene las propiedades de un "libro de metal". Las planchas representan las páginas, y las zonas soldadas representan el adhesivo invisible pero muy resistente que mantiene unidas todas las páginas para formar un bloque sólido.
Sin soldadura fuerte, sería imposible mantener la integridad estructural en condiciones de funcionamiento.
Opciones de materiales
La elección de materiales para intercambiadores de calor de placas soldadas varía considerablemente según el entorno de aplicación:
Aplicaciones de los intercambiadores de calor de placas de acero inoxidable:
Accesorios de agua para uso civil, tecnología alimentaria, ingeniería química. Los aceros inoxidables austeníticos más comunes son el 1.4401 (AISI 316) o el 1.4301 (AISI 304). Estas aleaciones ofrecen resistencia a la corrosión y resistencia mecánica, buena soldabilidad y características sanitarias. Se forma una película de óxido estable en la superficie que previene la corrosión por picaduras localizada, el agrietamiento por corrosión bajo tensión y la corrosión intergranular.
Aplicaciones de los intercambiadores de calor de placas de aluminio
Radiadores y enfriadores de aire de admisión para automóviles, enfriadores de aceite, unidades HVAC compactas. Se utilizan ampliamente láminas de soldadura fuerte de aluminio fabricadas con núcleos de aleación AA3003 revestidos con capas de relleno de Al-Si. La baja densidad y conductividad térmica del aluminio permiten diseños de intercambiadores de calor ligeros y compactos.
Procesos de soldadura fuerte utilizados en intercambiadores de calor de placas
Soldadura fuerte al vacío de acero inoxidable PHE
En la producción de intercambiadores de calor de placas de acero inoxidable, la soldadura fuerte se realiza típicamente a 1050–1150 °C en hornos de vacío industriales. En esta etapa consolidada ocurren dos procesos simultáneamente:
Soldadura fuerte pura: Fundir el metal de aportación (normalmente aleaciones a base de níquel o cobre) para formar soldaduras capilares entre las placas.
Recocido en solución de acero inoxidable: Calentar el acero inoxidable a las temperaturas típicas de soldadura fuerte (1050–1150 °C), que están muy por encima del rango de recocido de solución, permite la disolución de los carburos de cromo formados durante el calentamiento, restaurando así la resistencia total a la corrosión del material tras un enfriamiento rápido.
Ventajas de la soldadura fuerte al vacío de intercambiadores de calor de placas de acero inoxidable:
- Superficies sin fundente ni óxido
- Juntas visiblemente limpias, aptas para agua potable y aplicaciones alimentarias.
- Máxima resistencia de la unión y resistencia a la corrosión.
La tecnología de hornos industriales para intercambiadores de calor de placas de acero inoxidable se centra en la uniformidad de la temperatura y la generación/consumo precisos de la atmósfera. La soldadura fuerte de múltiples pilas de placas metálicas delgadas a la vez plantea importantes desafíos en la distribución del calor a lo largo de la carga.
Equipos con los que el autor esté familiarizado y que sean de interés para los lectores cuyos proveedores ofrezcan hornos industriales de soldadura al vacío para la producción de intercambiadores de calor. Si conoce alguno, por favor, háganoslo saber y lo añadiremos a la lista.
Soldadura fuerte en atmósfera controlada de PHE de aluminio
La soldadura fuerte en atmósfera controlada, o CAB, es el método de unión predominante para los intercambiadores de calor de placas de aluminio en la actualidad. Implica lo siguiente:
- Comience con placas de núcleo de aluminio con una capa de relleno de Al-Si ya adherida a su superficie.
- Calentar el conjunto a unos 600 °C en un horno lleno de gas nitrógeno.
- Fusión y flujo de la capa de revestimiento para formar uniones soldadas mientras el material del núcleo permanece sólido.
Entre las ventajas de CAB se incluyen:
- Alto rendimiento de producción
- Uniones consistentemente repetibles
- Adecuado para configuraciones de hornos de cinta continua.
El desafío con CAB radica en mantener una temperatura uniforme en todo el núcleo del intercambiador de calor de placas (PHE). Cualquier punto frío o caliente provocará defectos.
Aplicación e innovación de metales de aportación
Tipos de metales de aporte
Los sistemas de metal de aporte más comunes utilizados en la soldadura fuerte por PHE son:
Aleaciones a base de níquel (serie BNi):
Estos electrodos se utilizan con mayor frecuencia en la soldadura fuerte de intercambiadores de calor de placas de acero inoxidable, especialmente en aplicaciones de agua potable y químicas. Ofrecen alta resistencia, buena resistencia a la corrosión y excelentes propiedades de humectación.
Aleaciones a base de cobre (serie BCu):
Estos materiales se utilizan en ciertos intercambiadores de calor industriales, pero son menos recomendables en aplicaciones de agua potable debido al riesgo de corrosión y lixiviación de iones.
Aleaciones de relleno de Al-Si:
Estas capas se integran en láminas de aluminio para soldadura fuerte en aplicaciones CAB.
Métodos de preselección
Para lograr una distribución uniforme de los metales de relleno en las grandes superficies de las placas corrugadas, se emplean los siguientes métodos avanzados:
Láminas amorfas (BNi-5b / MBF-51):
Entre las placas se colocan finas láminas metálicas, lo que permite un ensamblaje automatizado y proporciona uniones limpias y sin residuos. El grosor uniforme de estas láminas garantiza holguras de unión consistentes y una calidad de soldadura uniforme.
Serigrafía:
La pasta de polvo metálico de aportación se imprime sobre la superficie de la placa mediante una malla. Esta técnica permite un control preciso sobre la cantidad y la ubicación del metal de aportación.
Método de la cinta enrollable:
Los polvos metálicos de relleno se incorporan a las cintas adhesivas y se aplican a las zonas de unión, lo que facilita la manipulación y el posicionamiento durante el montaje.
Estas técnicas son fundamentales en la producción a gran escala, donde la calidad de las uniones tiene un impacto directo en la resistencia a la presión y la fiabilidad de las uniones ensambladas.
Áreas de aplicación principales de los intercambiadores de calor de placas soldadas
Refrigeración de gases de escape de automóviles
Una de las áreas de aplicación más extendidas para los intercambiadores de calor de placas soldados. Los encontrará en aplicaciones como:
- enfriadores EGR
- enfriadores de aceite del motor
- enfriadores de aceite de transmisión
- Sistemas de gestión térmica del filtro de partículas diésel (DPF)
Los conjuntos de intercambiadores de calor de placas, tanto de aluminio como de acero inoxidable, deben cumplir estrictos requisitos de estanqueidad. Están sometidos a altas tensiones térmicas, vibraciones y, en algunos casos, a la exposición a gases de escape corrosivos.
Sistemas de calefacción/refrigeración para uso civil y en el sector de la restauración.
Los intercambiadores de calor de placas soldados con acero inoxidable son el estándar de la industria en aplicaciones como:
- Sistemas de calefacción/refrigeración de agua caliente sanitaria con glicol
- Circuitos de calefacción/refrigeración central
- Sistemas de refrigeración/calefacción para el procesamiento de alimentos
Se prefieren los metales de relleno a base de níquel a los que contienen cobre cuando entran en contacto con agua potable oxigenada. Los ataques agresivos o la ruptura de la película pasiva pueden provocar picaduras localizadas o desintegración anódica de las juntas de cobre. Los intercambiadores de calor de placas de acero inoxidable, debidamente soldados y pasivados, presentan una resistencia a la corrosión y un rendimiento higiénico superiores. Cumplen fácilmente con las normas de salud y seguridad.
Sistemas energéticos y medioambientales
Cada vez más, los intercambiadores de calor de placas soldados se utilizan en sistemas de energía limpia de alta eficiencia, entre los que se incluyen:
- Bombas de calor
- Unidades térmicas de pila de combustible
- Sistemas de refrigeración de CO₂
- Sistemas de recuperación de calor residual
Es necesario contar con capas de aislamiento térmico entre las placas del intercambiador de calor de placas y la carcasa exterior. Los intercambiadores de calor de placas soldadas permiten obtener intercambiadores de calor de tamaño compacto que maximizan la resistencia a la presión y ofrecen una excelente eficiencia térmica.
Desafíos técnicos y simulación científica
Gestión de tensiones residuales durante la soldadura fuerte
Los intercambiadores de calor de placas ensambladas están compuestos por muchas láminas delgadas de metal unidas alrededor del perímetro. Este diseño es susceptible a la deformación y a la generación de tensiones residuales desiguales durante los ciclos térmicos. Las fallas comunes relacionadas con las tensiones incluyen:
- Deformación de toda la PHE
- Grietas en juntas soldadas
- Fallo prematuro por fatiga en servicio
El análisis de elementos finitos (FEA) se puede utilizar para modelar:
- Distribución de la temperatura durante el ciclo de soldadura fuerte
- Generación de tensiones residuales en uniones soldadas
- Efectos del espesor de la placa, la forma del perfil y el tamaño del espacio de soldadura fuerte sobre la tensión residual.
La aplicación de un diseño de ensamblaje adecuado y ciclos de calentamiento optimizados puede reducir considerablemente la deformación de la placa después de la soldadura fuerte.
Uniformidad de la temperatura en hornos de soldadura fuerte
Debido a la estructura de capas apiladas de los intercambiadores de calor de placas (PHE), lograr una temperatura uniforme en todo el ancho de la carga es fundamental para la consistencia del proceso. Temperaturas demasiado bajas provocan una fusión incompleta del metal de aportación. Temperaturas demasiado altas pueden deformar las placas o generar uniones débiles. Un método para modelar las distribuciones de temperatura durante el calentamiento transitorio se denomina modelado zonal equivalente o EZ.
Liberación de níquel de los electrodos de fósforo de acero inoxidable
Cuando se pasivan correctamente, no se libera cobre de los intercambiadores de calor de placas de acero inoxidable al agua potable. El níquel es un subproducto del uso de juntas de metal de relleno a base de níquel. Los investigadores han descubierto que cuando:
- El tamaño del espacio se controla adecuadamente durante el montaje.
- El metal de relleno de níquel se distribuye uniformemente a lo largo de las superficies de la junta.
- En las superficies de acero inoxidable se forma una capa de óxido pasivante estable.
Los niveles de iones de níquel se mantendrán muy por debajo del límite legal de la UE de 20 µg/L.
Conclusión
La tecnología de soldadura fuerte permite a los fabricantes crear conjuntos herméticos y resistentes a la presión de placas metálicas delgadas. Existen diversas formas de soldar intercambiadores de calor de placas, ya sea mediante soldadura fuerte al vacío a alta temperatura de acero inoxidable o mediante soldadura por arco sumergido (CAB) de núcleos de aluminio. La integridad de la unión determina la conductividad térmica, la presión nominal, la resistencia a la corrosión y la vida útil de los intercambiadores de calor de placas soldadas.
La ciencia de los materiales, el desarrollo de metales de aporte, el diseño de hornos y el control de procesos influyen en el rendimiento de un intercambiador de calor terminado. Los intercambiadores de calor de placas soldadas siguen encontrando aplicaciones en la gestión térmica automotriz, sistemas HVAC, tecnologías de energía limpia y aplicaciones de agua potable, ya que permiten transferir el calor de forma eficiente y segura de un medio a otro.
La soldadura fuerte es el adhesivo resistente que une todas las páginas. Mantiene las láminas unidas bajo presión y estrés térmico. Y lo que es más importante, la soldadura fuerte crea una capa protectora continua que permite el paso seguro de contaminantes dañinos, fluctuaciones de temperatura y agua potable.
Para los fabricantes que buscan soluciones de soldadura fuerte fiables y de alta precisión para intercambiadores de calor de placas, asociarse con un proveedor de tecnología con experiencia marca la diferencia. Dodo Machine ofrece equipos de soldadura fuerte y soluciones integrales para la fabricación de intercambiadores de calor de alta calidad. Sus soluciones están diseñadas para manejar geometrías de placas complejas y las exigencias de producción en grandes volúmenes propias de la fabricación de intercambiadores de calor de placas.
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