Intercambiadores de calor de circuito impreso unidos por difusión para entornos severos

Los intercambiadores de calor de circuito impreso compactos superan a las alternativas en entornos extremos.

Los intercambiadores de calor tradicionales de placas o de carcasa y tubos se utilizan desde hace mucho tiempo en las industrias de procesamiento. Sin embargo, hoy en día, con muchas aplicaciones nuevas que implican altas presiones, temperaturas y exposición a ambientes corrosivos, cada vez más fabricantes están recurriendo a intercambiadores de calor de circuito impreso compactos (PCHE).

Un PCHE es un intercambiador de calor multicapa que consta de placas metálicas planas y delgadas en las que se graban químicamente microcanales de flujo de fluido en cada capa para formar un patrón de flujo complejo. Luego, las capas se unen por difusión para crear un intercambiador de calor denso con propiedades superiores de flujo de aire y transferencia de calor.

Cuando se diseña de esta manera, un intercambiador de calor puede ser hasta un 85% más pequeño y liviano que los diseños tradicionales de placas o carcasa y tubos. Además, los PCHE no requieren tuberías, marcos u otros elementos estructurales asociados excesivos, lo que reduce aún más los costos.

“Un PCHE unido por difusión de alta calidad puede soportar presiones muy altas de cientos de bares y temperaturas extremas superiores a los 800 °C. Como resultado, los PCHE son muy adecuados para una amplia gama de aplicaciones exigentes, incluidas las de petróleo y gas, estaciones de servicio de hidrógeno para vehículos y la industria aeroespacial”, afirmó el Dr. Udo Broich, director general de PVA Industrial Vacuum Systems GmbH, Wettenberg, Alemania.

El Dr. Broich, que escribió su tesis doctoral sobre tecnología de unión, se ha centrado en la soldadura fuerte al vacío y la unión por difusión durante 25 años. PVA TePla AG es un fabricante mundial de hornos industriales y sistemas de nitruración PulsPlasma.

Durante muchos años, la unión por difusión se ha utilizado para unir metales refractarios y de alta resistencia que son difíciles o imposibles por otros medios. El proceso implica aplicar alta temperatura y presión a la pieza de unión en una prensa caliente de alto vacío como las que ofrece PVA TePla; esto hace que los átomos de las superficies metálicas sólidas se entremezclen y se unan.

La pieza final tendrá pocas o ninguna línea o estría de interfaz si los materiales son similares; la interfaz de un material se mezcla con el otro y viceversa. También se puede lograr el mismo resultado con materiales diferentes con el equipo, la preparación del material y el proceso adecuados.

La clave del proceso es utilizar unión por difusión para unir las capas en lugar de otras alternativas, como la soldadura fuerte al vacío. Aunque la soldadura fuerte se utiliza ampliamente para unir metales en condiciones normales, puede resultar insuficiente en situaciones de alta temperatura, presión o corrosión.

La soldadura fuerte es un proceso de unión en el que dos o más elementos metálicos se unen fundiendo y haciendo fluir un metal de aportación hacia la unión. El metal de aportación fluye hacia el espacio entre las capas mediante acción capilar.

Con una elección adecuada del material de relleno y los parámetros del proceso, la soldadura fuerte también puede crear uniones de alta resistencia térmica y alta resistencia. Sin embargo, como el metal de aportación siempre tiene una composición química diferente a la de los materiales de unión, las propiedades de los componentes soldados normalmente no pueden igualar las de una pieza sólida, según el Dr. Broich.

“En el caso de soldar un PCHE, los ingenieros deben considerar otra cuestión: durante la soldadura, el metal de relleno fundido puede penetrar los microcanales y solidificarse, bloqueando los canales necesarios para el flujo de aire. Esto puede hacer que el PCHE sea bastante ineficaz”, afirmó el Dr. Broich. "Dado que la unión por difusión no requiere metal de aportación y es un proceso de unión de estado sólido, los microcanales permanecen intactos".

“Cuando las capas de un PCHE se unen por difusión, el producto final conserva las propiedades mecánicas, químicas y térmicas del material original. Dada la alta resistencia e integridad del material, los PCHE pueden soportar condiciones operativas muy severas”, explicó el Dr. Broich.

Una ventaja significativa de los PCHE unidos por difusión es que reducen significativamente el tamaño del intercambiador de calor.

"Los PCHE tienen aproximadamente un 85% menos de masa y volumen que los intercambiadores de calor tradicionales, mientras que los microcanales proporcionan una gran superficie para el intercambio de calor", dijo el Dr. Broich. "Para lograr la misma tasa de transferencia de calor con un diseño estándar [de intercambiador de calor de placas o de carcasa y tubos] se requiere mucha más masa y volumen".

Debido a las ventajas inherentes de los PCHE unidos por difusión, muchas industrias están adoptando esta tecnología en evolución para mejorar la transferencia de calor en diversas aplicaciones.

Las capacidades compactas y eficientes de transferencia de calor de los PCHE son ideales para muchas aplicaciones de petróleo y gas, incluidos precalentadores, sobrecalentadores, refrigeradores por compresión de gas, recuperadores de alta temperatura e intercambiadores de gas natural licuado (GNL).

Por ejemplo, en la producción de GNL en alta mar, el gas natural se convierte en líquido para su transporte o almacenamiento seguro cuando no hay gasoductos disponibles. El GNL ocupa sólo una fracción del espacio en su forma líquida, pero el gas natural debe enfriarse a aproximadamente -260 °F como parte del proceso, generando calor.

Un PCHE es una solución práctica y compacta para áreas pequeñas como a bordo de barcos.

Los PCHE son un requisito en las estaciones de servicio de hidrógeno para vehículos. El hidrógeno almacenado debe enfriarse previamente a aproximadamente -40 °C antes de transferirlo al tanque del vehículo. Este proceso de enfriamiento evita posibles daños por temperatura excesiva que puede dañar los tanques durante el llenado.

“Para llenar un tanque, se dispensa hidrógeno presurizado a aproximadamente 1.000 bares; este proceso genera un calor excesivo”, dijo el Dr. Broich. “Dado que es fundamental que la temperatura no supere los límites críticos del tanque, el hidrógeno se preenfría a unos -40°C. El PCHE en el circuito de refrigeración de la estación de servicio debe soportar 1.000 o más bares de presión y temperaturas tan bajas como -50°C. El diseño compacto de los PCHE también facilita la integración con la carcasa del dispensador de hidrógeno”.

Los disipadores de calor de aluminio son populares para la gestión térmica de muchos dispositivos críticos donde el peso es un factor, incluidos los de automoción y aeroespacial. Los disipadores de calor de aluminio también se utilizan habitualmente con baterías eléctricas.

Las aleaciones de aluminio más comunes utilizadas en disipadores e intercambiadores de calor son las aleaciones de la serie 6000. Sin embargo, el magnesio y el silicio son los principales elementos de aleación y son difíciles de unir con métodos como la soldadura fuerte.

“En muchas aplicaciones de disipadores de calor, el fundente para soldadura fuerte suele estar prohibido. Por lo tanto, la soldadura fuerte al vacío sigue siendo una tecnología de unión que utiliza metales de aportación basados ​​en una aleación eutéctica de aluminio y silicio. Sin embargo, estas aleaciones tienen un punto de fusión de 580 °C, muy cercano al punto de fusión del material base, por lo que solo proporcionan una pequeña ventana de proceso para lograr uniones de alta calidad”, dijo el Dr. Broich.

Señala que PVA TePla ha desarrollado un proceso de unión por difusión para unir con éxito materiales de aluminio de alta aleación como el 6061 a lo largo de los años.

Existen varios enfoques para el diseño de hornos y la implementación de procesos para la unión por difusión de PCHE. Los avances en las prensas calientes en hornos de alto vacío permiten un control superior de la presión y sistemas de enfriamiento rápido que mejoran la unión, aumentan el rendimiento y reducen significativamente el tiempo del ciclo.

Fabricantes como PVA TePla ofrecen sistemas multicilindros con grandes placas de presión que acomodan varias piezas. El más grande, el MOV 843 HP de la empresa, puede procesar sustratos de hasta 950 mm (37,4”) x 1300 mm (51,18”), que es un área bastante grande para la unión por difusión.

La fuerza de presión es de 8.000 kN. También se están realizando investigaciones para aumentar esta limitación geométrica.

La prensa integrada proporciona una presión notablemente consistente en toda la superficie al controlar y sincronizar cada cilindro. El MOV también viene con transductores de presión incorporados en la parte inferior de la placa de presión.

Los cilindros hidráulicos individuales se pueden ajustar en el software para lograr uniformidad incluso en áreas grandes basándose en la retroalimentación del sensor.

El Dr. Broich señala que una alta fuerza de unión es fundamental para aplicaciones que involucran PCHE en entornos extremos.

"Se requiere un diseño de alta resistencia [cuando se necesita una prensa en caliente de alto vacío] de la unidad de prensado [arietes y platos de prensado) para transferir 800 o 1000 toneladas a 1000°C o incluso temperaturas más altas", dijo el Dr. Broich.

Además, la unidad de prensado debe tener un diseño que minimice la masa dentro de la zona caliente y al mismo tiempo lograr una distribución uniforme de la fuerza en todo el espacio de trabajo y la placa de prensado, según el Dr. Broich.

“El diseño de una máquina de unión por difusión debería permitir tiempos de ciclo más cortos posibles y al mismo tiempo ahorrar energía al reducir su masa térmica; esto es muy importante para la productividad y la rentabilidad”, señaló.

Para producir un PCHE unido por difusión de alta calidad, trabajar con un socio experto como PVA TePla puede ser esencial para los fabricantes que requieren soporte tecnológico y de procesos.

“La mayoría de nuestros clientes no están familiarizados con esta tecnología. Les apoyamos con conocimientos técnicos básicos de procesos para que puedan utilizar correctamente la máquina para producir un PCHE adherido por difusión de alta calidad”, dijo el Dr. Broich.

Debido a la rápida expansión de la necesidad de esta tecnología de precisión en los EE. UU., PVA TePla está abriendo un centro de tecnología de unión por difusión en Corona, California. Este verano estará disponible un horno industrial a gran escala que iguala las capacidades ofrecidas en Alemania.

PVA TePla podrá demostrar las capacidades de unión de la máquina, ejecutar muestras de I+D y proporcionar servicios de procesamiento.

“Tanto en EE.UU. como en Alemania podemos demostrar la calidad de los bonos antes de que un cliente decida invertir en una máquina. Manejamos la mayoría de los elementos del desarrollo de procesos para probar la tecnología y ayudar a ampliar los volúmenes de producción. Alternativamente, podemos proporcionar procesamiento de contratos a gran escala para los clientes si subcontratan la producción”, dijo el Dr. Broich.

pvateplaamerica.com