Trocadores de calor de circuito impresso ligado por difusão para ambientes severos

Os trocadores de calor compactos de circuito impresso superam as alternativas em ambientes extremos.

Os trocadores de calor tradicionais de placas ou casco e tubos têm sido usados ​​há muito tempo nas indústrias de processamento. Hoje, porém, com muitas novas aplicações envolvendo altas pressões, temperaturas e exposição a ambientes corrosivos, mais fabricantes estão recorrendo a trocadores de calor de circuito impresso compactos (PCHEs).

Um PCCHE é um trocador de calor multicamadas que consiste em placas metálicas finas e planas nas quais microcanais de fluxo de fluido são quimicamente gravados em cada camada para formar um padrão de fluxo complexo. As camadas são então unidas por difusão para criar um trocador de calor denso com fluxo de ar superior e propriedades de transferência de calor.

Quando projetado desta forma, um trocador de calor pode ser até 85% menor e mais leve do que os designs tradicionais de placas ou casco e tubos. Além disso, os PCHEs não requerem tubulações, estruturas ou outros elementos estruturais associados excessivos, reduzindo ainda mais os custos.

“Um PCCHE ligado por difusão de alta qualidade pode suportar pressões muito altas de centenas de bares e temperaturas extremas acima de 800°C. Como resultado, os PCHEs são adequados para uma ampla gama de aplicações exigentes, incluindo petróleo e gás, estações de abastecimento de veículos a hidrogênio e aeroespacial”, disse o Dr. Udo Broich, Diretor Geral da PVA Industrial Vacuum Systems GmbH, Wettenberg, Alemanha.

Dr. Broich, que escreveu sua tese de doutorado sobre tecnologia de união, tem se concentrado em brasagem a vácuo e ligação por difusão há 25 anos. PVA TePla AG é um fabricante global de fornos industriais e sistemas de nitretação PulsPlasma.

Por muitos anos, a ligação por difusão tem sido utilizada para unir metais refratários e de alta resistência que são difíceis ou impossíveis por outros meios. O processo envolve a aplicação de alta temperatura e pressão à peça de colagem em uma prensa quente de alto vácuo como as oferecidas pela PVA TePla; isso faz com que os átomos em superfícies metálicas sólidas se intercalem e se juntem.

A peça final terá poucas ou nenhuma linha de interface ou estrias se os materiais forem semelhantes; a interface de um material se mistura com o outro e vice-versa. O mesmo resultado também pode ser alcançado com materiais diferentes com o equipamento, preparação de material e processo corretos.

A chave do processo é utilizar a ligação por difusão para unir as camadas em vez de outras alternativas, como a brasagem a vácuo. Embora a brasagem seja amplamente utilizada para unir metais em condições normais, ela pode ser insuficiente em situações de alta temperatura, pressão ou corrosão.

Brasagem é um processo de união no qual dois ou mais itens metálicos são unidos por fusão e fluxo de um metal de adição na junta. O metal de adição flui para o espaço entre as camadas através de ação capilar.

Com uma escolha adequada do material de enchimento e dos parâmetros do processo, a brasagem também pode criar juntas de alta resistência e resistência térmica. No entanto, como o metal de adição sempre tem uma composição química diferente dos materiais das peças de ligação, as propriedades dos componentes soldados geralmente não conseguem atingir as de uma peça sólida, de acordo com o Dr.

“No caso da brasagem de uma PCHE, os engenheiros devem considerar outra questão: durante a brasagem, o metal de adição fundido pode penetrar nos microcanais e solidificar, bloqueando os canais necessários para o fluxo de ar. Isto pode tornar o PCHE bastante ineficaz”, disse o Dr. Broich. “Como a ligação por difusão não requer metal de adição e é um processo de união em estado sólido, os microcanais permanecem intactos.”

“Quando as camadas de um PCCHE são ligadas por difusão, o produto final retém as propriedades mecânicas, químicas e térmicas do material original. Dada a alta resistência e integridade do material, os PCHEs podem suportar condições operacionais muito severas”, explicou o Dr. Broich.

Uma vantagem significativa dos PCHEs ligados por difusão é que reduz significativamente o tamanho do trocador de calor.

“Os PCHEs têm cerca de 85% menos massa e volume dos trocadores de calor tradicionais, enquanto os microcanais fornecem uma grande área de superfície para troca de calor”, disse o Dr. “Alcançar a mesma taxa de transferência de calor com um projeto padrão [de placas ou trocador de calor de casco e tubo] requer muito mais massa e volume.”