Desde la recuperación de calor hasta los serpentines de aire y desde la refrigeración hasta las plantas de energía, la elección del material adecuado para los intercambiadores de calor, en particular con referencia a las cualidades térmicas, la resistencia al pandeo durante la soldadura fuerte y la resistencia a la corrosión, es clave.
¿Sabías que el mejor ejemplo de intercambio de calor en el mundo natural es tan obvio como la nariz de tu cara? Bueno, técnicamente es la nariz de la cara la que calienta el aire inhalado y enfría el aire exhalado. Pero el diseño del intercambiador de calor depende de mucho más que una comprensión intuitiva de la biología.
Requiere una consideración cuidadosa del entorno operativo, la aplicación y, fundamentalmente, las propiedades de los materiales utilizados.
Afortunadamente, la elección de los materiales se vuelve más fácil una vez que se ha evaluado el entorno y la aplicación. Si el intercambiador de calor funcionará al aire libre o en una planta de procesamiento con medios corrosivos, entonces alta resistencia a la corrosión será una necesidad.
¿Cómo funciona un intercambiador de calor de carcasa y tubos?
Asimismo, los ingenieros de diseño deben considerar qué fluido se transportará a través del intercambiador y especificar los materiales en consecuencia.
Por ejemplo, podría ser fundamental que una sustancia permanezca pura mientras se pasa a través de un intercambiador de calor de tubo y carcasa estándar en una aplicación de procesamiento farmacéutico. En tal entorno, los tubos deben estar hechos de un material inerte, tal vez incluso uno no convencional que no sea metálico, como el vidrio.
Generalmente, los dos materiales más comúnmente seleccionados para intercambiadores de calor son aluminio y cobre. Ambos metales tienen las propiedades térmicas y la resistencia a la corrosión óptimas para convertirlos en opciones ideales, y la mayoría de las diferencias son específicas de la aplicación.
Cobre para intercambiadores de calor
La conductividad térmica típica del cobre puro genérico es 386,00 W / (m · K) a 20 ° C. Esto hace que el cobre sea el metal común de mayor conductividad térmica, lo que, junto con su calor específico relativamente bajo (de aproximadamente 0,385 J / (g · ° C), respalda su popularidad en los intercambiadores de calor.
Estas características traen consigo un precio ligeramente elevado. La mayoría de los ingenieros de diseño y diseñadores de productos consideran que este es uno de los factores decisivos más importantes entre el cobre y el aluminio para proyectos más pequeños.
Sin embargo, hay algunas consideraciones prácticas a considerar cuando se usa cobre. los densidad del material, por ejemplo, podría significar que no es adecuado para ciertas aplicaciones que requieren un intercambiador de calor ligero.
Tubos de cobre para intercambiadores de calor.
Es más, el cobre tiene menor flexibilidad que el aluminio, lo que dificulta la formación de determinadas formas. Debido a esto, los ingenieros de diseño que trabajan en un intercambiador de placas de aletas, que es un tipo de intercambiador de calor que usa placas y cámaras con aletas para transferir calor entre fluidos, podrían encontrar que el aluminio se adapta mejor a las aletas.
Además, es importante que los tubos de cobre se unan mediante soldadura fuerte en lugar de soldadura, ya que se sabe que esta última crea una acumulación de sustancias en las juntas. Esto significa que los ingenieros de diseño también debe obtener cobre con una buena resistencia al pandeo para reducir la deformación durante la soldadura fuerte.
El intercambiador de calor de placas soldadas SWEP (BPHE) es una de las formas más eficientes de transferir calor de un medio a otro.
También existen algunas consideraciones sobre la corrosión a largo plazo con el cobre. A medida que el material envejece, puede desarrollar verdín, una fina capa de pátina, formada por oxidación con el tiempo, que le da al material un tono verde.
Es la misma reacción química que ha convertido a la estatua de la libertad en el icónico color verde que es hoy. Este proceso suele tardar 15 años o más, dependiendo de cómo se mantenga el material y su entorno.
Por supuesto, no hay garantía de que el cambio en el color externo de un intercambiador de calor sea tan bien recibido como el verdín de la estatua de la libertad, por lo que los diseñadores de productos pueden elegir una alternativa al cobre para ofrecer una estética diferente. En cualquier caso, la pátina es dieléctrica y puede reducir la conductividad térmica a medida que se acumula.
De hecho, aunque la resistencia a la corrosión no es una propiedad natural del cobre, Lebronze Alloys, un fabricante francés líder de materiales de alto rendimiento, ha trabajado en composiciones de aleaciones que proporcionan cobre con buena resistencia a la oxidación, incluso cuando se expone al agua de mar.
A pesar de estos factores, la conductividad térmica de cobre podría decirse que compensa las consideraciones de mantenimiento con su eficiente transferencia de calor. En algunos casos, la alta conductividad térmica comparativa del cobre significa que un tubo de cobre puede conducir el calor con la misma eficacia que dos tubos de aluminio.
Aluminio para intercambiadores de calor
Para los ingenieros de diseño que requieren un material más ligero y térmicamente eficiente, o que trabajan con un presupuesto de diseño más ajustado, el aluminio es el principal candidato.
Con una conductividad térmica de 237 W / (m · K) para el aluminio puro o ~ 160 W / (m · K) para la mayoría de las aleaciones, el aluminio es el tercer material más conductor térmico y posiblemente el más rentable. El aluminio también ofrece un calor específico de 0,44 J / (g · ° C), lo que lo hace casi tan eficiente en la difusión de calor como el cobre.
El aluminio también es mucho más ligero y flexible que el cobre, abordando muchos de los problemas prácticos que los ingenieros pueden encontrar con el cobre. Es mucho más maleable, por lo que los ingenieros que diseñan un intercambiador de placas y aletas para un horno de gas encontrarán que se adapta mejor a las complejidades de las aletas.
Placa metálica en una máquina de intercambio de calor y una bomba en la planta industrial de alimentos.
Sin embargo, el aluminio típicamente tiene menor resistencia al pandeo que el cobre, lo que lo hace más propenso a deformarse durante el proceso de soldadura fuerte y después de repetidos ciclos de calor.
Afortunadamente, esto se puede contrarrestar optando por especificar una aleación de aluminio que haya sido formulada específicamente para acercar las propiedades del metal a las del cobre, sin aumentar significativamente el precio.
Por ejemplo, el proveedor de metales Gränges ofrece la aleación de aluminio FA6825 H14SR que es adecuada para intercambiadores de calor en aplicaciones energéticas. Esta aleación está reforzada con elementos como zinc y manganeso para darle a la aleación una mayor resistencia a la tracción después de la soldadura fuerte. El metal forma granos grandes durante el proceso, que mejoran su comportamiento de pandeo.
Las características del aluminio y el cobre están muy estrechamente relacionadas en términos de idoneidad para los intercambiadores de calor, siendo el factor decisivo clave, en última instancia, los requisitos prácticos de la aplicación.
Si bien la decisión puede no ser tan obvia como la nariz en su cara, los ingenieros de diseño pueden facilitarla al comprender las propiedades de sus materiales.
¿Sabías? Puede explorar cientos de materiales diferentes adecuados para su uso en intercambiadores de calor en Matmatch. También puede encontrar materiales adecuados específicamente para intercambiadores de calor en energía.
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