Gli scambiatori di calore a piastre sono presenti in numerose applicazioni industriali e utilizzano principalmente piastre metalliche per trasferire calore tra due fluidi.
Il loro utilizzo sta crescendo rapidamente perché superano le prestazioni degli scambiatori di calore tradizionali (solitamente un tubo a spirale contenente un fluido che passa attraverso una camera contenente un altro fluido) poiché il fluido da raffreddare ha una maggiore superficie di contatto, il che ottimizza il trasferimento di calore e aumenta notevolmente la velocità di variazione della temperatura.
Invece di serpentine che attraversano le camere, in uno scambiatore di calore a piastre ci sono due camere alternate, solitamente di spessore ridotto, separate da piastre metalliche ondulate sulla loro superficie maggiore. La camera è sottile perché ciò garantisce che la maggior parte del volume di liquido sia a contatto con la piastra, favorendo lo scambio termico.
Tradizionalmente, le piastre di scambio termico venivano fabbricate mediante stampaggio o lavorazioni meccaniche convenzionali come l'imbutitura profonda, ma recentemente la fotoincisione chimica (PCE) si è dimostrata la tecnica di fabbricazione più efficiente ed economica per questa applicazione rigorosa. La lavorazione elettrochimica (ECM) è un'altra tecnologia alternativa che consente di produrre pezzi molto precisi in serie, ma questo processo richiede un investimento iniziale molto elevato, è limitato ai materiali conduttivi, consuma molta energia, la progettazione e la produzione degli utensili sono complesse e la corrosione delle macchine utensili e delle attrezzature da parte del pezzo in lavorazione è sempre stata un problema.
Spesso, entrambi i lati di uno scambiatore di calore a piastre presentano caratteristiche estremamente complesse che a volte vanno oltre le capacità di stampaggio e lavorazione meccanica, ma che possono essere facilmente realizzate con la PCE. Inoltre, la PCE consente di generare caratteristiche su entrambi i lati della piastra simultaneamente, con un notevole risparmio di tempo, e il processo può essere applicato a una vasta gamma di metalli diversi, tra cui acciaio inossidabile, Inconel 617, alluminio e titanio.
Grazie ad alcune caratteristiche intrinseche del processo, la PCE offre un'alternativa interessante per la stampatura e la lavorazione di lamiere. Utilizzando fotoresist e un agente di incisione per processare chimicamente con precisione aree selezionate, il processo preserva le proprietà del materiale, producendo pezzi privi di bave e tensioni, con contorni netti e senza zone termicamente alterate. Inoltre, il fluido di incisione crea una struttura ottimale per il fluido di raffreddamento utilizzato nella piastra. Queste strutture non presentano angoli e bordi soggetti a corrosione.
Grazie all'utilizzo di utensili digitali o in vetro facilmente ripetibili e a basso costo, la tecnologia PCE offre un'alternativa economica, precisa e veloce alle tradizionali tecniche di lavorazione meccanica e stampaggio. Ciò si traduce in un notevole risparmio sui costi di produzione dei prototipi e, a differenza dello stampaggio e della lavorazione meccanica, non comporta usura degli utensili né costi di rilavorazione dell'acciaio.
La lavorazione meccanica e la stampatura possono produrre risultati non perfetti sul metallo in corrispondenza della linea di taglio, spesso deformando il materiale lavorato e lasciando bave, zone termicamente alterate e strati rifusi. Inoltre, questi processi si sforzano di raggiungere la risoluzione dei dettagli richiesta per parti metalliche più piccole, complesse e precise, come le piastre di scambio termico.
Un altro fattore da considerare nella scelta del processo è lo spessore del materiale da lavorare. I processi tradizionali spesso incontrano difficoltà quando applicati alla lavorazione di metalli sottili: la stampatura e la tranciatura sono in molti casi inadatte, mentre il taglio laser e il taglio ad acqua portano rispettivamente a livelli sproporzionati e inaccettabili di deformazione termica e frammentazione del materiale. Sebbene la PCE possa essere utilizzata su una varietà di spessori metallici, una caratteristica fondamentale è la sua capacità di lavorare su lamiere metalliche più sottili, come quelle utilizzate negli scambiatori di calore a piastre, senza compromettere la planarità, aspetto critico per l'integrità dell'assemblaggio.
Un settore chiave in cui vengono utilizzate le piastre è quello delle celle a combustibile, realizzate in acciaio inossidabile, alluminio, nichel, titanio, rame e una vasta gamma di leghe speciali.
Le piastre metalliche utilizzate nelle celle a combustibile presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri materiali. Sono infatti molto resistenti, offrono un'eccellente conduttività elettrica per un migliore raffreddamento, possono essere realizzate con spessori estremamente ridotti tramite incisione, consentendo la realizzazione di pile più corte, e non presentano una finitura superficiale direzionale all'interno del canale. Le piastre possono essere formate e i canali creati contemporaneamente e, come già accennato, non si generano tensioni termiche nel metallo, garantendo una planarità assoluta.
Il processo PCE garantisce tolleranze ripetibili su tutte le dimensioni chiave della scheda, inclusa la profondità del condotto dell'aria e la geometria del collettore, e consente di produrre componenti con specifiche di caduta di pressione ristrette.
Altri settori che utilizzano lamiere incise chimicamente includono i motori lineari, l'industria aerospaziale, petrolchimica e chimica. Dopo la fabbricazione, le lamiere vengono impilate e saldate per diffusione o brasate insieme per formare il nucleo dello scambiatore di calore. Gli scambiatori di calore finiti possono essere fino a sei volte più piccoli dei tradizionali scambiatori di calore a fascio tubiero, offrendo eccellenti vantaggi in termini di spazio e peso.
Gli scambiatori di calore realizzati con PCE sono inoltre molto robusti ed efficienti, in grado di resistere a una pressione di 600 bar e di adattarsi a un intervallo di temperature che va da quelle criogeniche a 900 gradi Celsius. È possibile combinare più di due flussi di processo in un'unica unità, riducendo notevolmente i requisiti relativi a tubazioni e valvole. Anche le reazioni e la miscelazione possono essere integrate nella progettazione dello scambiatore di calore a piastre, aggiungendo funzionalità in modo economicamente vantaggioso in un'unica unità.
Le attuali esigenze di dissipazione del calore efficiente e salvaspazio rappresentano enormi sfide per molti ingegneri di sviluppo. La miniaturizzazione di molti componenti nella tecnologia elettrica e dei microsistemi crea i cosiddetti punti caldi termici, che richiedono una dissipazione del calore ottimale per garantire una lunga durata.
Grazie all'utilizzo di tecniche PCE 2D e 3D, è possibile realizzare microcanali con larghezze e profondità definite negli scambiatori di calore, consentendo la selezione di fluidi di dissipazione del calore nella più piccola area possibile. Non vi sono praticamente limiti alle configurazioni possibili dei canali.
Inoltre, poiché il processo di incisione stimola l'innovazione progettuale e la libertà geometrica, è possibile favorire un flusso turbolento, anziché laminare, attraverso l'utilizzo di bordi e profondità dei canali ondulati. Il flusso turbolento nel fluido di raffreddamento implica che il refrigerante a contatto con la fonte di calore cambi costantemente, rendendo lo scambio termico più efficiente. Tali ondulazioni e irregolarità nei microcanali degli scambiatori di calore sono facilmente realizzabili con il processo PCE, ma risultano impossibili o eccessivamente costose da produrre con processi di fabbricazione alternativi.
L'azienda specializzata in PCE micrometal GmbH utilizza strumenti optoelettronici a prezzi competitivi per produrre pezzi di alta qualità con un elevato grado di precisione ripetibile.
Le singole piastre a microcanali possono essere fissate (ad esempio, mediante saldatura per diffusione) a varie geometrie 3D. Micrometal si avvale di una rete di partner esperti che offre ai clienti la possibilità di acquistare singole piastre a microcanali o blocchi di scambiatori di calore a microcanali integrati.
Una sostanza avente proprietà metalliche e composta da due o più elementi chimici, di cui almeno uno è un metallo.
Riduce l'aumento della temperatura del fluido all'interfaccia utensile/pezzo durante la lavorazione. Solitamente in forma liquida, come miscele solubili o chimiche (semisintetiche, sintetiche), ma può anche essere aria compressa o altri gas. Grazie alla sua capacità di assorbire grandi quantità di calore, l'acqua è ampiamente utilizzata come refrigerante e vettore per vari composti da taglio, e il rapporto acqua/composto varia a seconda dell'operazione di lavorazione. Vedi fluido da taglio; fluido da taglio semisintetico; fluido da taglio a base di olio solubile; fluido da taglio sintetico.
1. La distribuzione di un componente in un gas, liquido o solido che tende a rendere la composizione uniforme in tutte le parti. 2. Un atomo o una molecola si sposta spontaneamente in una nuova posizione all'interno del materiale.
Un'operazione in cui la corrente elettrica fluisce tra un pezzo in lavorazione e un utensile conduttivo attraverso un elettrolita. Avvia una reazione chimica che dissolve il metallo dal pezzo in lavorazione a una velocità controllata. A differenza dei metodi di taglio convenzionali, la durezza del pezzo in lavorazione non è un fattore determinante, rendendo l'ECM adatta a materiali difficili da lavorare. Si manifesta nelle forme di rettifica elettrochimica, lappatura elettrochimica e tornitura elettrochimica.
Analogamente a un motore rotativo in una macchina utensile, un motore lineare può essere considerato come un normale motore rotativo a magneti permanenti, tagliato assialmente al centro, quindi spogliato e rifinito in piano. Il principale vantaggio dell'utilizzo di motori lineari per azionare il movimento degli assi è che elimina le inefficienze e le differenze meccaniche causate dai sistemi di viti a ricircolo di sfere utilizzati nella maggior parte delle macchine utensili a controllo numerico.
Componenti più distanziate nella tessitura superficiale. Includere tutte le irregolarità distanziate maggiormente rispetto all'impostazione di cutoff dello strumento. Vedere Flusso; Stesa; Rugosità.
Il dottor Michael J. Hicks è direttore del Center for Business and Economic Research e titolare della cattedra George and Francis Ball di Economia presso la Miller School of Business della Ball State University. Hicks ha conseguito il dottorato di ricerca e il master in Economia presso l'Università del Tennessee e la laurea in Economia presso il Virginia Military Institute. È autore di due libri e di oltre 60 pubblicazioni accademiche incentrate sulle politiche pubbliche statali e locali, tra cui le politiche fiscali e di spesa e l'impatto di Walmart sulle economie locali.