Come molti progettisti e ingegneri hanno appreso nei corsi di ingegneria o di fisica all'università, il calore fluisce naturalmente dalle zone a temperatura più elevata a quelle a temperatura più bassa. Un trasferimento di calore efficiente diventa possibile quando disponiamo i materiali e progettiamo i dispositivi in modo da consentire o migliorare questo flusso di calore.
Gli scambiatori di calore sono dispositivi che consentono il trasferimento controllato di calore tra due fluidi a temperature diverse. Utilizzano superfici termoconduttrici per trasferire il calore da un mezzo più caldo a uno più freddo, senza che i fluidi si mescolino tra loro.
Gli scambiatori di calore a piastre sono un tipo di scambiatore di calore molto comune e probabilmente l'applicazione più rilevante della tecnologia di brasatura. Le applicazioni spaziano dalle automobili e dagli impianti HVAC alla tecnologia energetica e ai raccordi per l'acqua potabile. I vantaggi e le caratteristiche prestazionali degli scambiatori di calore a piastre brasati prodotti non può essere disgiunto dalla qualità della brasatura.
Struttura e principio di funzionamento dello scambiatore di calore a piastre.
Struttura di base
Uno scambiatore di calore a piastre è costituito da una serie di sottili piastre metalliche profilate, impilate in modo alternato. Ogni piastra presenta delle nervature o delle scanalature che, una volta impilate, creano un percorso di flusso a serpentina. I fluidi caldo e freddo vengono quindi convogliati attraverso percorsi di flusso paralleli, separati solo dalle sottili pareti delle piastre, garantendo un trasferimento di calore estremamente efficiente.
Dal punto di vista produttivo, questo materiale laminato ha le proprietà di un "libro di metallo". Le lastre rappresentano le pagine e le aree brasate rappresentano l'adesivo invisibile ma molto resistente che tiene unite tutte le pagine a formare un blocco solido.
Senza la brasatura, sarebbe impossibile mantenere l'integrità strutturale in condizioni operative.
Scelta dei materiali
La scelta dei materiali per gli scambiatori di calore a piastre brasate varia notevolmente a seconda degli ambienti di applicazione:
Applicazioni degli scambiatori di calore a piastre in acciaio inossidabile:
Raccordi idraulici per uso civile, tecnologia alimentare, ingegneria chimica. Gli acciai inossidabili austenitici come il 1.4401 (AISI 316) o il 1.4301 (AISI 304) sono i più comuni. Queste leghe offrono resistenza alla corrosione e robustezza meccanica, buona saldabilità e caratteristiche sanitarie. Sulla superficie si forma una pellicola di ossido stabile che previene la corrosione localizzata per vaiolatura, la tensocorrosione o la corrosione interstiziale.
Applicazioni per scambiatori di calore a piastre in alluminio
Radiatori e intercooler per autoveicoli, radiatori dell'olio, unità HVAC compatte. Le lamiere di alluminio per brasatura, realizzate con anime in lega AA3003 rivestite con strati di riempimento Al-Si, sono ampiamente utilizzate. La bassa densità e la conduttività termica dell'alluminio consentono la realizzazione di scambiatori di calore leggeri e compatti.
Processi di brasatura utilizzati negli scambiatori di calore a piastre
Saldatura sottovuoto di PHE in acciaio inossidabile
Nella produzione di scambiatori di calore a piastre in acciaio inossidabile, la brasatura viene tipicamente eseguita a 1050–1150 °C in forni industriali sottovuoto. In questa fase consolidata avvengono simultaneamente due processi:
Brasatura pura: Fusione del metallo d'apporto (tipicamente leghe a base di nichel o rame) per formare saldature capillari tra le piastre.
Ricottura di solubilizzazione dell'acciaio inossidabile: Riscaldando l'acciaio inossidabile alle tipiche temperature di brasatura (1050–1150 °C), ben al di sopra dell'intervallo di ricottura di solubilizzazione, si ottiene la dissoluzione dei carburi di cromo formatisi durante il riscaldamento, ripristinando così la piena resistenza alla corrosione del materiale dopo un rapido raffreddamento.
Vantaggi della brasatura sottovuoto degli scambiatori di calore a piastre in acciaio inossidabile:
- Superfici senza flusso e prive di ossido
- Giunti visibilmente puliti, adatti per applicazioni con acqua potabile e alimenti.
- Massima resistenza delle giunzioni e resistenza alla corrosione.
La tecnologia dei forni industriali per gli scambiatori di calore a piastre in acciaio inossidabile si concentra sulla stabilità e uniformità della temperatura e sulla generazione/consumo preciso dell'atmosfera. La brasatura simultanea di numerose pile di piastre metalliche sottili crea notevoli difficoltà nella distribuzione del calore sul carico.
Apparecchiature con cui l'autore ha familiarità e che potrebbero essere di diretto interesse per i lettori i cui fornitori includono forni industriali per brasatura sottovuoto per la produzione di scambiatori di calore. Vi preghiamo di segnalarci eventuali esempi, in modo da poterli aggiungere all'elenco.
Saldatura in atmosfera controllata di scambiatori di calore a piastre in alluminio
La brasatura in atmosfera controllata, o CAB, è oggi il metodo di giunzione predominante per gli scambiatori di calore a piastre in alluminio. Essa prevede:
- Partite da piastre di alluminio con uno strato di riempimento Al-Si già applicato sulla loro superficie.
- Riscaldare il gruppo a circa 600 °C in un forno riempito di azoto gassoso.
- Fusione e scorrimento dello strato di rivestimento per formare giunti brasati, mentre il materiale del nucleo rimane solido.
I vantaggi del CAB includono:
- Elevata capacità produttiva
- Giunti costantemente ripetibili
- Adatto per configurazioni di forni a nastro continui
La sfida con il CAB è mantenere una temperatura uniforme in tutto il nucleo dello scambiatore di calore a piastre. Qualsiasi punto freddo o caldo provocherà dei difetti.
Applicazione e innovazione dei materiali d'apporto
Tipi di metalli d'apporto
I sistemi di metallo d'apporto più comuni utilizzati nella brasatura PHE sono:
Leghe a base di nichel (serie BNi):
Questi materiali sono comunemente utilizzati nella brasatura di scambiatori di calore a piastre in acciaio inossidabile, in particolare nelle applicazioni per l'acqua potabile e l'industria chimica. Offrono elevata resistenza, buona resistenza alla corrosione ed eccellenti proprietà di bagnabilità.
Leghe a base di rame (serie BCu):
Questi materiali vengono utilizzati in alcuni scambiatori di calore industriali, ma sono meno indicati per le applicazioni con acqua potabile a causa del rischio di corrosione e rilascio di ioni.
Leghe di riempimento Al-Si:
Questi vengono integrati come strati di rivestimento in lamiere di alluminio per brasatura, destinate ad applicazioni CAB.
Metodi di pre-posizionamento
Per garantire una distribuzione uniforme dei materiali d'apporto sulle ampie superfici ondulate delle lamiere, vengono impiegati i seguenti metodi avanzati:
Fogli amorfi (BNi-5b / MBF-51):
Sottili lamine metalliche vengono inserite tra le piastre, consentendo l'assemblaggio automatizzato e garantendo giunzioni pulite e prive di residui. Lo spessore uniforme di queste lamine assicura spazi di giunzione costanti e una qualità di brasatura uniforme.
Serigrafia:
La pasta di polvere metallica d'apporto viene stampata sulle superfici delle piastre utilizzando una rete. Questa tecnica consente un controllo preciso sulla quantità e sulla posizione del materiale d'apporto.
Metodo del nastro adesivo arrotolato:
Le polveri metalliche di riempimento vengono incorporate nei nastri adesivi e applicate sulle zone di giunzione, facilitando la manipolazione e il posizionamento durante l'assemblaggio.
Queste tecniche sono fondamentali nella produzione su larga scala, dove la qualità delle giunzioni ha un impatto diretto sulla resistenza alla pressione e sull'affidabilità delle giunzioni assemblate.
Principali aree di applicazione degli scambiatori di calore a piastre brasate
Raffreddamento dei gas di scarico automobilistici
Una delle aree di applicazione più diffuse per gli scambiatori di calore a piastre brasati. Li troverete in applicazioni quali:
- Radiatori EGR
- Radiatori dell'olio motore
- Radiatori dell'olio della trasmissione
- Sistemi di gestione termica DPF
Sia gli scambiatori di calore a piastre in alluminio che quelli in acciaio inossidabile devono soddisfare severi requisiti di tenuta stagna. Sono soggetti a elevate sollecitazioni termiche, vibrazioni e, in alcuni casi, all'esposizione a gas di scarico corrosivi.
Impianti di riscaldamento/raffreddamento per uso civile e per la ristorazione
Gli scambiatori di calore a piastre brasati in acciaio inossidabile sono lo standard del settore in applicazioni quali:
- Sistemi domestici di riscaldamento/raffreddamento ad acqua calda sanitaria con glicole
- Circuiti centralizzati di riscaldamento/raffreddamento
- Sistemi di raffreddamento/riscaldamento per la lavorazione degli alimenti
Quando si entra in contatto con acqua potabile ossigenata, i materiali d'apporto a base di nichel sono preferibili a quelli contenenti rame. Attacchi aggressivi o la rottura del film passivante possono causare vaiolatura localizzata o disintegrazione anodica delle giunzioni in rame. Gli scambiatori di calore a piastre in acciaio inossidabile, opportunamente brasati e passivati, presentano una resistenza alla corrosione e prestazioni igieniche superiori. Soddisfano facilmente gli standard di salute e sicurezza.
Sistemi energetici e ambientali
I sistemi di scambio termico a piastre brasate sono sempre più utilizzati in sistemi di energia pulita ad alta efficienza, tra cui:
- Pompe di calore
- unità termiche a celle a combustibile
- sistemi di refrigerazione a CO₂
- Sistemi di recupero del calore di scarto
Tra le piastre dello scambiatore di calore a piastre e l'involucro esterno sono necessari strati di isolamento termico. Gli scambiatori di calore a piastre brasate consentono di realizzare scambiatori di calore di dimensioni compatte che massimizzano la resistenza alla pressione e offrono un'eccellente efficienza termica.
Sfide tecniche e simulazione scientifica
Gestione delle tensioni residue durante la brasatura
Gli scambiatori di calore a piastre assemblate sono costituiti da numerose lamiere sottili unite lungo il perimetro. Questa configurazione è soggetta a deformazioni e alla generazione di tensioni residue non uniformi durante i cicli termici. I guasti più comuni correlati alle tensioni includono:
- Deformazione dell'intero PHE
- Crepe nelle giunzioni brasate
- Cedimento prematuro per fatica in esercizio
L'analisi agli elementi finiti (FEA) può essere utilizzata per modellare:
- Distribuzione della temperatura durante il ciclo di brasatura
- Generazione di tensioni residue nelle giunzioni brasate
- Effetti dello spessore della piastra, della forma del profilo e della dimensione dell'intercapedine di brasatura sulle tensioni residue
L'applicazione di una corretta progettazione dell'assemblaggio e di cicli di riscaldamento ottimizzati può ridurre notevolmente la deformazione della piastra dopo la brasatura.
Uniformità della temperatura nei forni di brasatura
A causa della struttura a strati sovrapposti degli scambiatori di calore a piastre (PHE), il raggiungimento di una temperatura uniforme su tutta la larghezza del carico è fondamentale per la coerenza del processo. Temperature troppo basse comportano una fusione incompleta del materiale d'apporto. Temperature troppo elevate possono causare la deformazione delle piastre o la formazione di giunzioni deboli. Un metodo per modellare la distribuzione della temperatura durante il riscaldamento transitorio è chiamato modellazione zonale equivalente o modellazione EZ.
Rilascio di nichel da scambiatori di calore a piastre in acciaio inossidabile
Se passivati correttamente, gli scambiatori di calore a piastre in acciaio inossidabile non rilasciano rame nell'acqua potabile. Il nichel è un sottoprodotto dell'utilizzo di giunti metallici di riempimento a base di nichel. I ricercatori hanno scoperto che quando:
- La dimensione dello spazio vuoto è ben controllata durante l'assemblaggio.
- Il materiale d'apporto al nichel è distribuito uniformemente sulle superfici di giunzione.
- Sulle superfici dell'acciaio inossidabile si forma uno strato di ossido passivante stabile.
I livelli di ioni di nichel rimarranno ben al di sotto del limite legale UE di 20 µg/L.
Conclusione
La tecnologia di brasatura è ciò che consente ai produttori di creare assemblaggi di piastre metalliche sottili a tenuta stagna e resistenti alla pressione. Esistono molti metodi diversi per brasare gli scambiatori di calore a piastre, dalla brasatura sottovuoto ad alta temperatura dell'acciaio inossidabile alla brasatura CAB dei nuclei in alluminio. L'integrità della giunzione determina la conduttività termica, la pressione nominale, la resistenza alla corrosione e la durata degli scambiatori di calore a piastre brasate.
La scienza dei materiali, lo sviluppo dei materiali d'apporto, la progettazione dei forni e il controllo del processo sono tutti fattori che influenzano le prestazioni di uno scambiatore di calore finito. Gli scambiatori di calore a piastre brasate continuano a trovare applicazione nella gestione termica del settore automobilistico, nei sistemi HVAC, nelle tecnologie per le energie pulite e negli impianti di trattamento dell'acqua potabile, poiché consentono un trasferimento di calore efficiente e sicuro da un fluido all'altro.
La brasatura è la colla forte che tiene unite tutte le pagine. Mantiene unite le pagine della lastra sotto pressione e stress termico. Ancora più importante, la brasatura crea uno strato protettivo continuo che permette il passaggio innocuo di agenti inquinanti nocivi, sbalzi di temperatura o acqua potabile.
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