Como muitos projetistas e engenheiros aprenderam em cursos de engenharia ou aulas de física na faculdade, o calor flui naturalmente de áreas de alta temperatura para áreas de baixa temperatura. A transferência eficiente de calor torna-se possível quando organizamos os materiais e projetamos dispositivos de forma a permitir ou aprimorar esse fluxo de calor.
Os trocadores de calor são dispositivos que permitem a transferência controlada de calor entre dois fluidos a temperaturas diferentes. Eles utilizam superfícies condutoras de calor para transferir calor de um meio mais quente para um meio mais frio. Isso ocorre sem que os fluidos se misturem.
Os trocadores de calor de placas são um tipo muito comum de trocador de calor e, sem dúvida, a aplicação mais relevante da tecnologia de brasagem. As aplicações variam de automóveis e equipamentos de climatização a tecnologias de energia e acessórios para água potável. As vantagens e características de desempenho dos trocadores de calor de placas brasados são apresentadas a seguir. produtos não pode ser dissociado da qualidade da brasagem.
Estrutura e princípio do trocador de calor de placas
Estrutura básica
Um trocador de calor de placas consiste em uma série de placas metálicas finas e perfiladas, empilhadas de forma alternada. Cada placa possui ondulações ou chevrons que criam um caminho de fluxo serpentino quando empilhadas. Os fluidos quente e frio são então direcionados por caminhos de fluxo paralelos, separados apenas pelas paredes finas das placas, proporcionando uma transferência de calor altamente eficiente.
Do ponto de vista da fabricação, esse material laminado possui as propriedades de um "livro de metal". As placas representam as páginas, e as áreas soldadas representam o adesivo invisível, porém muito forte, que mantém todas as páginas unidas para formar um bloco sólido.
Sem a brasagem, seria impossível manter a integridade estrutural em condições de funcionamento.
Escolha de materiais
A escolha dos materiais para trocadores de calor de placas brasadas varia bastante de acordo com o ambiente de aplicação:
Aplicações para trocadores de calor de aço inoxidável:
Aplicações: Instalações hidráulicas civis, tecnologia de alimentos, engenharia química. Os aços inoxidáveis austeníticos, como o 1.4401 (AISI 316) ou o 1.4301 (AISI 304), são os mais comuns. Essas ligas oferecem resistência à corrosão e resistência mecânica, boa soldabilidade e características sanitárias. Uma película de óxido estável se forma na superfície para evitar corrosão por pite localizada, fissuração por corrosão sob tensão ou corrosão em frestas.
Aplicações para trocadores de calor de alumínio
Radiadores automotivos e intercoolers, resfriadores de óleo, unidades compactas de HVAC. Chapas de alumínio brasado, feitas com núcleos de liga AA3003 revestidos com camadas de enchimento de Al-Si, são amplamente utilizadas. A baixa densidade e a condutividade térmica do alumínio permitem projetos de trocadores de calor leves e compactos.
Processos de brasagem utilizados em trocadores de calor de placas
Brasagem a vácuo de PHEs de aço inoxidável
Na produção de PHE de aço inoxidável, a brasagem é normalmente realizada a 1050–1150 °C em fornos industriais a vácuo. Dois processos ocorrem simultaneamente nesta etapa consolidada:
Brasagem pura: Fundir um metal de adição (normalmente ligas à base de níquel ou cobre) para formar soldas capilares entre placas.
Recozimento de solubilização do aço inoxidável: O aquecimento do aço inoxidável a temperaturas típicas de brasagem (1050–1150 °C), que estão bem acima da faixa de recozimento de solubilização, permite a dissolução dos carbonetos de cromo formados durante o aquecimento, restaurando assim a resistência total à corrosão do material após o resfriamento rápido.
Benefícios da brasagem a vácuo de trocadores de calor de aço inoxidável:
- Superfícies sem fluxo e isentas de óxido
- Juntas visivelmente limpas, adequadas para aplicações em água potável e alimentos.
- Máxima resistência das juntas e resistência à corrosão
A tecnologia de fornos industriais para trocadores de calor de aço inoxidável concentra-se na uniformidade estável da temperatura e na geração/consumo preciso de atmosfera. A brasagem simultânea de várias camadas de chapas metálicas finas cria desafios significativos na distribuição de calor na carga.
Equipamentos com os quais o autor está familiarizado e que seriam diretamente relevantes para leitores cujos fornecedores incluem fornos industriais de brasagem a vácuo para a produção de trocadores de calor. Por favor, nos informe caso conheça algum, e o adicionaremos à lista.
Brasagem em atmosfera controlada de PHEs de alumínio
A brasagem em atmosfera controlada, ou CAB, é o método de união predominante para trocadores de calor de placas de alumínio atualmente. Ela envolve:
- Comece com placas de núcleo de alumínio com uma camada de enchimento de Al-Si já aplicada em sua superfície.
- Aquecimento do conjunto a aproximadamente 600 °C em um forno preenchido com gás nitrogênio.
- Fusão e escoamento da camada de revestimento para formar juntas brasadas, enquanto o material do núcleo permanece sólido.
As vantagens do CAB incluem:
- Alto rendimento de produção
- Juntas consistentemente repetíveis
- Adequado para configurações de fornos de esteira contínua.
O desafio com o CAB é manter uma temperatura uniforme em todo o núcleo do trocador de calor de placas. Quaisquer pontos frios ou quentes resultarão em defeitos.
Aplicação e Inovação de Metais de Adição
Tipos de metais de adição
Os sistemas de metal de adição mais comuns usados na brasagem PHE são:
Ligas à base de níquel (série BNi):
Esses materiais são mais comumente usados na brasagem de trocadores de calor de aço inoxidável, principalmente em aplicações de água potável e químicas. Eles proporcionam alta resistência mecânica, boa resistência à corrosão e excelentes propriedades de molhagem.
Ligas à base de cobre (série BCu):
Esses materiais são utilizados em certos trocadores de calor industriais, mas são menos recomendados para aplicações em água potável devido ao risco de corrosão e lixiviação de íons.
Ligas de enchimento Al-Si:
Essas camadas são integradas como revestimento em chapas de alumínio para brasagem em placas CAB (Brasagem Assistida por Computador).
Métodos de pré-colocação
Para garantir uma distribuição uniforme de metais de enchimento nas grandes superfícies de chapas onduladas, são empregados os seguintes métodos avançados:
Folhas amorfas (BNi-5b / MBF-51):
Folhas metálicas finas são colocadas entre as placas, permitindo a montagem automatizada e proporcionando juntas limpas e sem resíduos. A espessura uniforme dessas folhas garante folgas consistentes nas juntas e uma qualidade de brasagem adequada.
Serigrafia:
A pasta de pó metálico de enchimento é impressa nas superfícies das placas usando uma malha. Essa técnica permite um controle preciso da quantidade e da localização do metal de enchimento.
Método da fita deslizante:
Pós metálicos de enchimento são incorporados em fitas adesivas e aplicados nas áreas de junção, facilitando o manuseio e o posicionamento durante a montagem.
Essas técnicas são cruciais na produção em larga escala, onde a qualidade das juntas tem um impacto direto na resistência à pressão e na confiabilidade das juntas montadas.
Principais áreas de aplicação de trocadores de calor de placas brasadas
Resfriamento de gases de escape automotivos
Uma das áreas de aplicação mais comuns para trocadores de calor de placas brasados. Você os encontrará em aplicações como:
- Resfriadores EGR
- Resfriadores de óleo do motor
- Resfriadores de óleo de transmissão
- sistemas de gerenciamento térmico DPF
Tanto os conjuntos de trocadores de calor de alumínio quanto os de aço inoxidável devem atender a requisitos rigorosos de estanqueidade. Eles são submetidos a altas tensões térmicas, vibração e, em alguns casos, exposição a gases de escape corrosivos.
Sistemas de aquecimento/resfriamento para uso civil e em serviços de alimentação
Trocadores de calor de placas brasados em aço inoxidável são o padrão da indústria em aplicações como:
- Sistemas de aquecimento/resfriamento de água quente sanitária com glicol
- Circuitos centrais de aquecimento/arrefecimento
- Sistemas de aquecimento/resfriamento para processamento de alimentos
Metais de enchimento à base de níquel são preferíveis a metais de enchimento contendo cobre quando em contato com água potável oxigenada. Ataques agressivos ou ruptura da película passiva podem levar à corrosão por pite localizada ou desintegração anódica das juntas de cobre. Trocadores de calor de placas de aço inoxidável, devidamente brasados e passivados, apresentam resistência à corrosão e desempenho higiênico superiores. Eles atendem facilmente aos padrões de saúde e segurança.
Sistemas de Energia e Meio Ambiente
Cada vez mais, os trocadores de calor de placas brasadas são utilizados em sistemas de energia limpa de alta eficiência, incluindo:
- bombas de calor
- unidades térmicas de células de combustível
- sistemas de refrigeração de CO₂
- sistemas de recuperação de calor residual
Camadas de isolamento térmico são necessárias entre as placas do trocador de calor de placas e a carcaça externa. Trocadores de calor de placas brasadas permitem dimensões compactas, maximizando a resistência à pressão e oferecendo excelente eficiência térmica.
Desafios técnicos e simulação científica
Gerenciamento de tensões residuais durante a brasagem
Os trocadores de calor de placas montados são compostos por muitas chapas metálicas finas unidas ao redor do perímetro. Esse projeto é suscetível a distorções e à geração de tensões residuais desiguais durante os ciclos térmicos. Falhas comuns relacionadas a tensões incluem:
- Deformação de todo o PHE
- Rachaduras em juntas brasadas
- Falha prematura por fadiga em serviço
A análise de elementos finitos (FEA) pode ser usada para modelar:
- Distribuição de temperatura durante o ciclo de brasagem
- Geração de tensões residuais em juntas brasadas
- Efeitos da espessura da placa, formato do perfil e tamanho da folga de brasagem na tensão residual
A aplicação de um projeto de montagem adequado e ciclos de aquecimento otimizados pode reduzir significativamente a deformação da placa após a brasagem.
Uniformidade de temperatura em fornos de brasagem
Devido à estrutura em camadas sobrepostas dos trocadores de calor de placas (PHEs), alcançar uma temperatura uniforme em toda a largura da carga é crucial para a consistência do processo. Temperaturas muito baixas resultam em fusão incompleta do metal de adição. Temperaturas muito altas podem causar deformação das placas ou criar juntas frágeis. Um método para modelar a distribuição de temperatura durante o aquecimento transiente é chamado de modelagem Zonal Equivalente ou modelagem EZ.
Liberação de níquel de trocadores de calor de aço inoxidável
Quando devidamente passivados, os trocadores de calor de aço inoxidável não liberam cobre na água potável. O níquel é um subproduto do uso de juntas metálicas de enchimento à base de níquel. Pesquisadores descobriram que, quando:
- O tamanho da folga é bem controlado durante a montagem.
- O metal de enchimento de níquel é distribuído uniformemente pelas superfícies de junção.
- Uma camada de óxido passivante estável se forma nas superfícies de aço inoxidável.
Os níveis de íons de níquel permanecerão bem abaixo do limite legal da UE de 20 µg/L.
Conclusão
A tecnologia de brasagem permite aos fabricantes criar conjuntos de placas metálicas finas à prova de vazamentos e resistentes à pressão. Existem muitas maneiras diferentes de brasar trocadores de calor de placas, seja por brasagem a vácuo em alta temperatura de aço inoxidável ou por brasagem a vácuo com eletrodo revestido (CAB) de núcleos de alumínio. A integridade da junta determina a condutividade térmica, a capacidade de pressão, a durabilidade contra corrosão e a vida útil dos trocadores de calor de placas brasadas.
A ciência dos materiais, o desenvolvimento de metais de adição, o projeto do forno e o controle do processo desempenham um papel fundamental no desempenho final de um trocador de calor. Os trocadores de calor de placas brasadas continuam a ser utilizados em sistemas de gerenciamento térmico automotivo, sistemas de climatização (HVAC), tecnologias de energia limpa e tratamento de água potável, pois permitem a transferência de calor de forma eficiente e segura entre diferentes meios.
A brasagem é a cola forte que une todas as páginas. Ela mantém as folhas de impressão juntas sob pressão e estresse térmico. Mais importante ainda, a brasagem cria uma camada protetora contínua que permite a passagem inofensiva de poluentes nocivos, flutuações de temperatura ou água potável limpa.
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