Scambiatori di calore a circuito stampato a diffusione per ambienti gravosi

Gli scambiatori di calore compatti a circuito stampato superano le alternative in ambienti estremi.

Gli scambiatori di calore tradizionali a piastre o a fascio tubiero sono utilizzati da tempo nelle industrie di trasformazione. Oggi, tuttavia, con molte nuove applicazioni che comportano pressioni, temperature elevate ed esposizione ad ambienti corrosivi, sempre più produttori si rivolgono a scambiatori di calore a circuito stampato compatti (PCHE).

Un PCHE è uno scambiatore di calore multistrato costituito da piastre metalliche sottili e piatte in cui i microcanali di flusso del fluido sono incisi chimicamente in ogni strato per formare un modello di flusso complesso. Gli strati vengono quindi uniti insieme per diffusione per creare uno scambiatore di calore denso con proprietà di flusso d'aria e trasferimento di calore superiori.

Se progettato in questo modo, uno scambiatore di calore può essere fino all'85% più piccolo e leggero rispetto ai tradizionali modelli a piastre o fascio tubiero. Inoltre, i PCHE non richiedono tubazioni, telai o altri elementi strutturali associati eccessivi, riducendo ulteriormente i costi.

“Un PCHE legato per diffusione di alta qualità può resistere a pressioni molto elevate di centinaia di bar e temperature estreme superiori a 800°C. Di conseguenza, i PCHE sono adatti per un’ampia gamma di applicazioni impegnative, tra cui petrolio e gas, stazioni di rifornimento per veicoli a idrogeno e settore aerospaziale”, ha affermato il Dott. Udo Broich, amministratore delegato di PVA Industrial Vacuum Systems GmbH, Wettenberg, Germania.

Il Dr. Broich, che ha scritto la sua tesi di dottorato sulla tecnologia di giunzione, si concentra sulla brasatura sottovuoto e sull'incollaggio per diffusione da 25 anni. PVA TePla AG è un produttore globale di forni industriali e sistemi di nitrurazione PulsPlasma.

Per molti anni, la saldatura per diffusione è stata utilizzata per unire metalli ad alta resistenza e refrattari che sarebbero difficili o impossibili con altri mezzi. Il processo prevede l'applicazione di alta temperatura e pressione alla parte incollata in una pressa a caldo ad alto vuoto come quelle offerte da PVA TePla; questo fa sì che gli atomi sulle superfici metalliche solide si intersechino e si uniscano.

Il pezzo finale avrà poche o nessuna linea o striatura di interfaccia se i materiali sono simili; l'interfaccia di un materiale si fonde con l'altro e viceversa. Lo stesso risultato può essere ottenuto anche con materiali diversi con la giusta attrezzatura, preparazione del materiale e processo.

La chiave del processo è utilizzare la saldatura per diffusione per unire gli strati rispetto ad altre alternative, come la brasatura sotto vuoto. Sebbene la brasatura sia ampiamente utilizzata per unire i metalli in condizioni normali, può essere insufficiente in situazioni di alta temperatura, pressione o corrosione.

La brasatura è un processo di giunzione in cui due o più elementi metallici vengono uniti insieme fondendo e facendo scorrere un metallo d'apporto nel giunto. Il metallo d'apporto scorre nello spazio tra gli strati attraverso un'azione capillare.

Con una scelta adeguata del materiale di apporto e dei parametri di processo, la brasatura può anche creare giunti ad elevata resistenza e resistenti al calore. Tuttavia, poiché il metallo d'apporto ha sempre una composizione chimica diversa dai materiali delle parti incollate, le proprietà dei componenti brasati di solito non possono raggiungere quelle di una parte solida, secondo il Dr. Broich.

“Nel caso della brasatura di un PCHE, gli ingegneri devono considerare un altro problema: durante la brasatura, il metallo d’apporto fuso può penetrare nei microcanali e solidificarsi, bloccando i canali necessari per il flusso d’aria. Ciò può rendere il PCHE del tutto inefficace”, ha affermato il dott. Broich. “Poiché l’incollaggio per diffusione non richiede metallo d’apporto ed è un processo di giunzione a stato solido, i microcanali rimangono intatti”.

“Quando gli strati di un PCHE vengono uniti per diffusione, il prodotto finale conserva le proprietà meccaniche, chimiche e termiche del materiale principale. Data l’elevata resistenza e integrità del materiale, i PCHE possono resistere a condizioni operative molto severe”, ha spiegato il dott. Broich.

Un vantaggio significativo dei PCHE legati per diffusione è che riducono significativamente le dimensioni dello scambiatore di calore.

"I PCHE hanno circa l'85% in meno di massa e volume rispetto agli scambiatori di calore tradizionali, mentre i microcanali forniscono un'ampia superficie per lo scambio di calore", ha affermato il dott. Broich. “Per ottenere la stessa velocità di trasferimento del calore con un design standard [scambiatore di calore a piastre o a fascio tubiero] è necessaria una massa e un volume molto maggiori”.