Los intercambiadores de calor de placas se utilizan en numerosas aplicaciones industriales y emplean principalmente placas metálicas para transferir calor entre dos fluidos.
Su uso está creciendo rápidamente porque supera a los intercambiadores de calor tradicionales (generalmente un tubo en espiral que contiene un fluido que pasa a través de una cámara que contiene otro fluido) porque el fluido que se enfría tiene una mayor superficie de contacto, lo que optimiza la transferencia de calor y aumenta considerablemente la velocidad de cambio de temperatura.
En lugar de serpentines que atraviesan las cámaras, en un intercambiador de calor de placas hay dos cámaras alternas, generalmente de poca profundidad, separadas por placas metálicas corrugadas en sus superficies más grandes. La cámara es delgada, ya que esto garantiza que la mayor parte del volumen de líquido esté en contacto con la placa, lo que facilita el intercambio de calor.
Estas placas de intercambio de calor se han fabricado tradicionalmente mediante estampado o mecanizado convencional como el embutido profundo, pero recientemente el grabado fotoquímico (PCE) ha demostrado ser la técnica de fabricación más eficiente y rentable disponible para esta rigurosa aplicación. El mecanizado electroquímico (ECM) es otra tecnología alternativa que puede fabricar piezas muy precisas en lotes, pero este proceso requiere un nivel muy alto de inversión inicial, está limitado a materiales conductores, consume mucha energía, el diseño y la fabricación de herramientas son difíciles y la pieza de trabajo La corrosión de las máquinas herramienta y los accesorios siempre ha sido un dolor de cabeza.
Con frecuencia, ambas caras de un intercambiador de calor de placas presentan características extremadamente complejas que a veces superan las capacidades del estampado y el mecanizado, pero que se logran fácilmente mediante PCE. Además, PCE puede generar características en ambas caras de la placa simultáneamente, lo que ahorra mucho tiempo, y el proceso se puede aplicar a una variedad de metales diferentes, incluidos el acero inoxidable, el Inconel 617, el aluminio y el titanio.
Debido a algunas características inherentes al proceso, el PCE ofrece una alternativa atractiva para el estampado y mecanizado de chapa metálica. Mediante el uso de fotorresina y un agente de grabado para procesar químicamente áreas seleccionadas con precisión, el proceso conserva las propiedades del material, produce piezas sin rebabas ni tensiones, con contornos limpios y sin zonas afectadas por el calor. Además, el medio de grabado fluido crea una estructura óptima para el fluido refrigerante utilizado en la placa. Estas estructuras no presentan esquinas ni bordes susceptibles a la corrosión.
Si a esto se suma el hecho de que PCE utiliza herramientas digitales o de vidrio de bajo costo y fácilmente repetibles, ofrece una alternativa de fabricación rentable, de alta precisión y rápida a las técnicas de mecanizado y estampado tradicionales. Esto se traduce en un ahorro significativo de costos al producir prototipos de herramientas y, a diferencia de las técnicas de estampado y mecanizado, no hay desgaste de herramientas ni costos asociados con el re-corte del acero.
El mecanizado y el estampado pueden producir resultados imperfectos en el metal en la línea de corte, deformando a menudo el material mecanizado y dejando rebabas, zonas afectadas por el calor y capas refundidas. Además, se esfuerzan por alcanzar la resolución de detalle requerida para piezas metálicas más pequeñas, complejas y precisas, como las placas de intercambio de calor.
Otro factor a considerar en la selección del proceso es el espesor del material a mecanizar. Los procesos tradicionales a menudo encuentran dificultades cuando se aplican al procesamiento de metales delgados, el estampado y el troquelado son en muchos casos inadecuados, mientras que el corte por láser y por agua conducen a niveles desproporcionados e inaceptables de deformación térmica y fragmentación del material, respectivamente. Si bien el PCE se puede utilizar en una variedad de espesores de metal, un atributo clave es que puede trabajar en láminas de metal más delgadas, como las que se utilizan en intercambiadores de calor de placas, sin comprometer la planitud, que es fundamental para la integridad del conjunto.
Un área clave donde se utilizan placas es en aplicaciones de pilas de combustible, fabricadas con acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, cobre y una variedad de aleaciones especiales.
Se ha comprobado que las placas metálicas en las pilas de combustible presentan muchas ventajas sobre otros materiales. Al mismo tiempo, son muy resistentes, ofrecen una excelente conductividad para una mejor refrigeración, se pueden fabricar extremadamente delgadas mediante grabado, lo que da como resultado pilas más cortas, y no presentan un acabado superficial direccional dentro del canal. Las placas se pueden formar y los canales se pueden crear simultáneamente, y como se mencionó anteriormente, no se genera ninguna tensión térmica en el metal, lo que garantiza una planitud absoluta.
El proceso PCE garantiza tolerancias repetibles en todas las dimensiones clave de la placa, incluyendo la profundidad del conducto de aire y la geometría del colector, y puede fabricar piezas con especificaciones estrictas de caída de presión.
Otras industrias que utilizan láminas grabadas químicamente incluyen la de motores lineales, la aeroespacial, la petroquímica y la química. Tras su fabricación, las placas se apilan y se unen mediante difusión o soldadura fuerte para formar el núcleo del intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor terminados pueden ser hasta seis veces más pequeños que los intercambiadores de calor tradicionales de carcasa y tubos, lo que proporciona excelentes ventajas en cuanto a espacio y peso.
Los intercambiadores de calor fabricados con PCE son muy robustos y eficientes, capaces de soportar una presión de 600 bar y adaptarse a un rango de temperaturas desde criogénicas hasta 900 grados Celsius. Es posible combinar más de dos corrientes de proceso en una sola unidad, reduciendo considerablemente los requisitos de tuberías y válvulas. La reacción y la mezcla también pueden integrarse en el diseño del intercambiador de calor de placas, añadiendo funcionalidad de forma rentable en una sola unidad.
Los requisitos actuales para una disipación de calor eficiente y que ahorre espacio plantean enormes desafíos para muchos ingenieros de desarrollo. La miniaturización de muchos componentes en la tecnología eléctrica y de microsistemas crea los llamados puntos calientes térmicos, que requieren una disipación de calor óptima para garantizar una larga vida útil.
Mediante la tecnología PCE 2D y 3D, se pueden fabricar microcanales con anchos y profundidades definidos en intercambiadores de calor para seleccionar el medio de disipación de calor en la menor superficie posible. Prácticamente no hay límite para los posibles diseños de canales.
Además, dado que el proceso de grabado inspira innovación en el diseño y libertad geométrica, se puede promover el flujo turbulento en contraposición al flujo laminar mediante el uso de bordes y profundidades de canal ondulados. El flujo turbulento en el medio de enfriamiento implica que el refrigerante en contacto con la fuente de calor cambia constantemente, lo que hace que el intercambio de calor sea más eficiente. Tales ondulaciones e irregularidades en los microcanales de los intercambiadores de calor se producen fácilmente mediante PCE, pero no son posibles o resultan prohibitivas en términos de costos utilizando procesos de fabricación alternativos.
La empresa micrometal GmbH, especialista en PCE, utiliza herramientas optoelectrónicas a precios competitivos para producir piezas de alta calidad con un alto grado de precisión repetible.
Las placas de microcanales individuales se pueden fijar (por ejemplo, mediante soldadura por difusión) a diversas geometrías 3D. Micrometal utiliza una red de socios experimentados que ofrece a los clientes la opción de comprar placas de microcanales individuales o bloques intercambiadores de calor de microcanales integrales.
Sustancia que posee propiedades metálicas y que consta de dos o más elementos químicos, al menos uno de los cuales es un metal.
Reduce el aumento de temperatura del fluido en la interfaz herramienta/pieza durante el mecanizado. Generalmente en forma líquida, como mezclas solubles o químicas (semisintéticas, sintéticas), pero también puede ser aire comprimido u otros gases. Debido a su capacidad para absorber grandes cantidades de calor, el agua se utiliza ampliamente como refrigerante y vehículo para diversos compuestos de corte, y la proporción de agua a compuesto varía según la tarea de mecanizado. Véase fluido de corte; fluido de corte semisintético; fluido de corte de aceite soluble; fluido de corte sintético.
1. Difusión de un componente en un gas, líquido o sólido que tiende a uniformizar los componentes. 2. Un átomo o molécula se mueve espontáneamente a una nueva ubicación dentro del material.
Operación en la que fluye corriente eléctrica entre una pieza de trabajo y una herramienta conductora a través de un electrolito. Inicia una reacción química que disuelve el metal de la pieza de trabajo a un ritmo controlado. A diferencia de los métodos de corte convencionales, la dureza de la pieza de trabajo no es un factor determinante, lo que hace que el mecanizado electroquímico (ECM) sea adecuado para materiales difíciles de mecanizar. Se presenta en forma de rectificado electroquímico, bruñido electroquímico y torneado electroquímico.
Funcionalmente igual que un motor rotativo en una máquina herramienta, un motor lineal puede considerarse como un motor rotativo de imán permanente estándar, cortado axialmente por la mitad, despojado de sus fibras y colocado en posición horizontal. La principal ventaja de utilizar motores lineales para accionar el movimiento de los ejes es que elimina las ineficiencias y las diferencias mecánicas causadas por los sistemas de husillo de bolas utilizados en la mayoría de las máquinas herramienta CNC.
Componentes más espaciados en la textura de la superficie. Incluye todas las irregularidades espaciadas más allá del ajuste de corte del instrumento. Ver Flujo; Asentamiento; Rugosidad.
El Dr. Michael J. Hicks es Director del Centro de Investigación Empresarial y Económica y Profesor Distinguido George y Francis Ball de Economía en la Escuela de Negocios Miller de la Universidad Estatal de Ball. Hicks obtuvo su doctorado y maestría en Economía de la Universidad de Tennessee y una licenciatura en Economía del Instituto Militar de Virginia. Es autor de dos libros y más de 60 publicaciones académicas centradas en políticas públicas estatales y locales, incluyendo políticas fiscales y de gasto y el impacto de Walmart en las economías locales.