Los intercambiadores de calor son dispositivos que transfieren calor para lograr el calentamiento o enfriamiento deseado. Un aspecto importante del diseño de la tecnología de intercambiadores de calor es la selección de materiales apropiados para conducir y transferir calor de manera rápida y eficiente.
El cobre tiene muchas propiedades deseables para intercambiadores de calor térmicamente eficientes y duraderos . En primer lugar, el cobre es un excelente conductor de calor. Esto significa que la alta conductividad térmica del cobre permite que el calor lo atraviese rápidamente. Otras propiedades deseables del cobre en los intercambiadores de calor incluyen su resistencia a la corrosión , resistencia a la bioincrustación , tensión y presión interna máximas permitidas, resistencia a la rotura por fluencia, resistencia a la fatiga , dureza , expansión térmica , calor específico , propiedades antimicrobianas , resistencia a la tracción , límite elástico., alto punto de fusión , aleabilidad , facilidad de fabricación y facilidad de unión.
La combinación de estas propiedades permite especificar el cobre para intercambiadores de calor en instalaciones industriales, sistemas HVAC, refrigeradores y radiadores de vehículos, y como disipadores de calor para enfriar computadoras, unidades de disco , televisores, monitores de computadora y otros equipos electrónicos. [1] El cobre también se incorpora a la base de los utensilios de cocina de alta calidad porque el metal conduce el calor rápidamente y lo distribuye uniformemente.
También se encuentran disponibles intercambiadores de calor sin cobre. Algunos materiales alternativos incluyen aluminio, acero al carbono , acero inoxidable , aleaciones de níquel y titanio .
Este artículo se centra en las propiedades beneficiosas y las aplicaciones comunes del cobre en los intercambiadores de calor. También se introducen nuevas tecnologías de intercambiadores de calor de cobre para aplicaciones específicas.
Historia
Los intercambiadores de calor que utilizan cobre y sus aleaciones han evolucionado junto con las tecnologías de transferencia de calor durante los últimos cientos de años. Los tubos de condensador de cobre se utilizaron por primera vez en 1769 para máquinas de vapor . Inicialmente, los tubos estaban hechos de cobre sin alear. En 1870, el metal Muntz , una aleación de latón al 60% Cu-40% Zn , se usaba para condensadores en el enfriamiento de agua de mar. Admiralty metal, una aleación de latón amarillo al 70% Cu-30% Zn con un 1% de estaño añadido para mejorar la resistencia a la corrosión, se introdujo en 1890 para el servicio de agua de mar. [2] En la década de 1920, se desarrolló una aleación de 70% Cu-30% Ni para condensadores navales. Poco después, se introdujo una aleación de 2% de manganeso y 2% de hierro y cobre para una mejor resistencia a la erosión. Una aleación de 90% Cu-10% Ni estuvo disponible por primera vez en la década de 1950, inicialmente para tuberías de agua de mar. Esta aleación es ahora la aleación de cobre-níquel más utilizada en intercambiadores de calor marinos.
Hoy en día, los serpentines de vapor, evaporador y condensador están hechos de cobre y aleaciones de cobre. [3] Estos intercambiadores de calor se utilizan en sistemas de aire acondicionado y refrigeración , sistemas de refrigeración y calefacción industriales y centrales, radiadores , tanques de agua caliente y sistemas de calefacción por suelo radiante.
Los intercambiadores de calor a base de cobre se pueden fabricar con tubos de cobre / aletas de aluminio, cuproníquel o construcciones totalmente de cobre. Se pueden aplicar varios revestimientos para mejorar la resistencia a la corrosión de los tubos y las aletas. [3] [4]
Propiedades beneficiosas de los intercambiadores de calor de cobre.
Conductividad térmica
La conductividad térmica (k, también denominada λ o κ) es una medida de la capacidad de un material para conducir calor . La transferencia de calor a través de materiales de alta conductividad térmica ocurre a una tasa más alta que a través de materiales de baja conductividad térmica. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la conductividad térmica se mide en vatios por metro Kelvin (W / (m • K)). En el sistema de medición imperial (unidades imperiales británicas o imperiales ), la conductividad térmica se mide en Btu / (hr • ft⋅F).
El cobre tiene una conductividad térmica de 231 Btu / (hr-ft-F). Esto es más alto que todos los demás metales excepto la plata, un metal precioso . El cobre tiene un índice de conductividad térmica un 60% mejor que el aluminio y un 3.000% mejor que el acero inoxidable. [5]
Metal | Conductividad térmica | |
---|---|---|
(BTU / (hr-pies-F)) | (W / (m • K)) | |
Plata | 247,87 | 429 |
Cobre | 231 | 399 |
Oro | 183 | 316 |
Aluminio | 136 | 235 |
Latón amarillo | 69,33 | 120 |
Hierro fundido | 46,33 | 80,1 |
Acero inoxidable | 8.1 | 14.0 |
Se encuentra disponible más información sobre la conductividad térmica de metales seleccionados. [7]
Resistencia a la corrosión
La resistencia a la corrosión es esencial en aplicaciones de transferencia de calor donde intervienen fluidos, como en tanques de agua caliente, radiadores, etc. El único material asequible que tiene una resistencia a la corrosión similar al cobre es el acero inoxidable. Sin embargo, la conductividad térmica del acero inoxidable es 1/30 de la del cobre. Los tubos de aluminio no son adecuados para aplicaciones de agua potable o no tratada porque se corroe a pH <7.0 y libera gas hidrógeno. [8] [9] [10]
Se pueden aplicar películas protectoras a la superficie interior de los tubos de aleación de cobre para aumentar la resistencia a la corrosión. Para determinadas aplicaciones, la película está compuesta de hierro. En los condensadores de las centrales eléctricas, se emplean tubos dúplex que constan de una capa interior de titanio con aleaciones exteriores de cobre-níquel. Esto permite el uso de las beneficiosas propiedades mecánicas y químicas del cobre (por ejemplo, agrietamiento por corrosión bajo tensión, ataque de amoníaco) junto con la excelente resistencia a la corrosión del titanio. Se puede utilizar un tubo dúplex con interior de latón de aluminio o cobre-níquel y exterior de acero inoxidable o dulce para la refrigeración en las industrias petroquímica y de refinación de petróleo. [11]
Resistencia a la bioincrustación
Las aleaciones de cobre y cobre-níquel tienen una alta resistencia natural a la bioincrustación en comparación con los materiales alternativos. Otros metales utilizados en los intercambiadores de calor, como el acero, el titanio y el aluminio, se ensucian fácilmente. La protección contra la contaminación biológica, particularmente en estructuras marinas, se puede lograr durante largos períodos de tiempo con metales de cobre.
Las aleaciones de cobre-níquel se han probado durante muchos años en tuberías de agua de mar y otras aplicaciones marinas. Estas aleaciones resisten la bioincrustación en mar abierto, donde no permiten que se acumule lodo microbiano y favorecen la macroincrustación. [12]
Los investigadores atribuyen la resistencia del cobre a la bioincrustación, incluso en aguas templadas, a dos posibles mecanismos: 1) una secuencia retardada de la colonización a través de la liberación lenta de iones de cobre durante el proceso de corrosión, inhibiendo así la adhesión de capas microbianas a las superficies marinas; [13] y / o, 2) capas de separación que contienen productos corrosivos y las larvas de organismos macroincrustantes. [14] Este último mecanismo disuade el asentamiento de estadios larvarios pelágicos en la superficie del metal, en lugar de matar a los organismos.
Propiedades antimicrobianas
Debido a las fuertes propiedades antimicrobianas del cobre, las aletas de cobre pueden inhibir el crecimiento de bacterias, hongos y virus que comúnmente se acumulan en los sistemas de aire acondicionado. Por lo tanto, las superficies de los intercambiadores de calor a base de cobre están más limpias durante períodos de tiempo más largos que los intercambiadores de calor hechos de otros metales. Este beneficio ofrece una vida útil mucho mayor del intercambiador de calor y contribuye a mejorar la calidad del aire. Se ha evaluado la capacidad de los intercambiadores de calor fabricados por separado de cobre y aluminio antimicrobianos en un sistema HVAC a gran escala para limitar el crecimiento microbiano en condiciones de caudales normales utilizando aire exterior de un solo paso. Los componentes de aluminio de uso común desarrollaron biopelículas estables de bacterias y hongos dentro de las cuatro semanas de operación. Durante el mismo período de tiempo, el cobre antimicrobiano pudo limitar las cargas bacterianas asociadas con las aletas del intercambiador de calor de cobre en un 99,99% y las cargas fúngicas en un 99,74%. [15] [16] [17]
Se han instalado acondicionadores de aire con aletas de cobre en autobuses en Shanghai para matar rápida y completamente bacterias, virus y hongos que anteriormente prosperaban en aletas sin cobre y se les permitía circular por los sistemas. La decisión de reemplazar el aluminio por cobre siguió a las pruebas antimicrobianas realizadas por el Centro Municipal de Shanghai para el Control y la Prevención de Enfermedades (SCDC) de 2010 a 2012. El estudio encontró que los niveles microbianos en las superficies de las aletas de cobre eran significativamente más bajos que en el aluminio, lo que ayudaba a proteger el salud de los pasajeros del autobús. [17] [18]
Hay más información disponible sobre los beneficios del cobre antimicrobiano en los sistemas HVAC. [19] [20] [21]
Facilidad de ranurado interior
El tubo de cobre con ranuras internas de diámetros más pequeños es más eficiente térmicamente, materialmente eficiente y más fácil de doblar y abocinar y trabajar con otros. Por lo general, es más fácil fabricar tubos con ranuras internas de cobre, un metal muy blando.
Aplicaciones comunes para intercambiadores de calor de cobre
Instalaciones industriales y centrales eléctricas
Las aleaciones de cobre se utilizan ampliamente como tubos de intercambiadores de calor en plantas de energía eléctrica generadoras de vapor fósil y nuclear , plantas químicas y petroquímicas , servicios marinos y plantas de desalinización .
El uso más grande de tubos intercambiadores de calor de aleación de cobre por unidad es en plantas de energía de servicios públicos. Estas plantas contienen condensadores de superficie, calentadores y enfriadores, todos los cuales contienen tubería de cobre. El condensador de superficie principal que acepta descargas de vapor de turbina utiliza la mayor cantidad de cobre. [2]
El níquel de cobre es el grupo de aleaciones que se especifican comúnmente en intercambiadores de calor o tubos de condensadores en evaporadores de plantas desalinizadoras, plantas de la industria de procesos, zonas de enfriamiento de aire de plantas de energía térmica, calentadores de agua de alimentación de alta presión y tuberías de agua de mar en barcos. [11] La composición de las aleaciones puede variar desde 90% Cu – 10% Ni hasta 70% Cu – 30% Ni.
Los tubos de condensadores e intercambiadores de calor de latón de almirantazgo arsenical (Cu-Zn-Sn-As) dominaron una vez el mercado de las instalaciones industriales. Posteriormente, el latón de aluminio ganó popularidad debido a su mayor resistencia a la corrosión. [22] En la actualidad, el latón-aluminio, el 90% Cu-10% Ni y otras aleaciones de cobre se utilizan ampliamente en intercambiadores de calor tubulares y sistemas de tuberías en agua de mar , agua salobre y agua dulce . Las aleaciones de aluminio-latón, 90% Cu-10% Ni y 70% Cu-30% Ni muestran una buena resistencia a la corrosión en agua de mar desaireada en caliente y en salmueras en plantas de desalinización instantánea de múltiples etapas. [23] [24]
Los intercambiadores de calor de tubo fijo refrigerados por líquido, especialmente adecuados para aplicaciones marinas y duras, se pueden ensamblar con carcasas de latón, tubos de cobre, deflectores de latón y cubos de extremo integral de latón forjado. [25]
Los tubos de aleación de cobre se pueden suministrar con una superficie metálica brillante (CuNiO) o con una fina capa de óxido firmemente adherida (latón de aluminio). Estos tipos de acabado permiten la formación de una capa protectora. [24] La superficie protectora de óxido se logra mejor cuando el sistema se opera durante varias semanas con agua de enfriamiento limpia que contiene oxígeno. Mientras se forma la capa protectora, se pueden llevar a cabo medidas de apoyo para mejorar el proceso, como la adición de sulfato de hierro o la limpieza intermitente de los tubos. La película protectora que se forma en las aleaciones de Cu-Ni en el agua de mar aireada madura en aproximadamente tres meses a 60 ° F y se vuelve cada vez más protectora con el tiempo. La película es resistente a aguas contaminadas, velocidades irregulares y otras condiciones adversas. Más detalles están disponibles. [26]
La resistencia a la bioincrustación de las aleaciones de Cu-Ni permite que las unidades de intercambio de calor funcionen durante varios meses entre limpiezas mecánicas. No obstante, se necesitan limpiezas para restaurar las capacidades originales de transferencia de calor. La inyección de cloro puede extender los intervalos de limpieza mecánica a un año o más sin efectos perjudiciales en las aleaciones de Cu-Ni.
Se dispone de más información sobre intercambiadores de calor de aleación de cobre para instalaciones industriales. [27] [28] [29] [30]
Sistemas de agua termosolar
Los calentadores de agua solares pueden ser una forma rentable de generar agua caliente para hogares en muchas regiones del mundo. Los intercambiadores de calor de cobre son importantes en los sistemas de calefacción y refrigeración solar térmica debido a la alta conductividad térmica del cobre, su resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, el sellado y la unión por soldadura y la resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para tanques de agua) de los sistemas solares térmicos de agua. [31]
Hay varios tipos de colectores solares para aplicaciones residenciales disponibles con circulación directa (es decir, calienta el agua y la lleva directamente a la casa para su uso) o con circulación indirecta (es decir, bombea un fluido de transferencia de calor a través de un intercambiador de calor, que luego calienta el agua que fluye hacia los sistemas domésticos). [32] En un calentador de agua solar de tubo de vacío con un sistema de circulación indirecta, los tubos de vacío contienen un tubo exterior de vidrio y un tubo absorbente de metal unido a una aleta. La energía solar térmica se absorbe dentro de los tubos de vacío y se convierte en calor concentrado utilizable. Los tubos de vidrio evacuados tienen una doble capa. Dentro del tubo de vidrio está el tubo de calor de cobre. Es un tubo de cobre hueco sellado que contiene una pequeña cantidad de fluido de transferencia térmica (mezcla de agua o glicol) que a baja presión hierve a muy baja temperatura. El tubo de calor de cobre transfiere energía térmica desde el interior del tubo solar a un cabezal de cobre. A medida que la solución circula a través del cabezal de cobre, la temperatura aumenta.
Otros componentes de los sistemas de agua termosolar que contienen cobre incluyen tanques de intercambiadores de calor solares y estaciones de bombeo solar, junto con bombas y controladores. [33] [34] [35] [36] [37]
Sistemas de climatización
El aire acondicionado y la calefacción en edificios y vehículos de motor son dos de las aplicaciones más importantes de los intercambiadores de calor . Si bien el tubo de cobre se usa en la mayoría de los sistemas de aire acondicionado y refrigeración, las unidades de aire acondicionado típicas actualmente usan aletas de aluminio. Estos sistemas pueden albergar bacterias y moho y desarrollar olores e incrustaciones que pueden hacer que funcionen mal. [38] Los nuevos y estrictos requisitos, incluidas las demandas de mayor eficiencia operativa y la reducción o eliminación de emisiones nocivas, están mejorando el papel del cobre en los sistemas HVAC modernos. [39]
Las propiedades antimicrobianas del cobre pueden mejorar el rendimiento de los sistemas HVAC y la calidad del aire interior asociada . Después de extensas pruebas, el cobre se convirtió en un material registrado en los EE. UU. Para proteger las superficies de los equipos de calefacción y aire acondicionado contra bacterias, moho y hongos . Además, las pruebas financiadas por el Departamento de Defensa de los EE. UU. Demuestran que los acondicionadores de aire totalmente de cobre suprimen el crecimiento de bacterias, moho y hongos que causan olores y reducen la eficiencia energética del sistema. Las unidades fabricadas con aluminio no han demostrado este beneficio. [40] [41]
El cobre puede provocar una reacción galvánica en presencia de otras aleaciones, provocando corrosión. [42]
Calentadores de agua a gas
El calentamiento de agua es el segundo mayor uso de energía en el hogar. Los intercambiadores de calor de gas-agua que transfieren calor de combustibles gaseosos al agua entre 3 y 300 kilovatios térmicos (kWth) tienen un uso residencial y comercial generalizado en aplicaciones de aparatos de calefacción y calefacción de agua.
Está aumentando la demanda de sistemas de calentamiento de agua compactos energéticamente eficientes. Los calentadores de agua a gas sin tanque producen agua caliente cuando es necesario. Los intercambiadores de calor de cobre son el material preferido en estas unidades debido a su alta conductividad térmica y facilidad de fabricación. Para proteger estas unidades en ambientes ácidos , se encuentran disponibles revestimientos duraderos u otros tratamientos superficiales. Los recubrimientos resistentes a los ácidos son capaces de soportar temperaturas de 1000 ° C. [43] [44]
Calentamiento y enfriamiento de aire forzado
Las bombas de calor de fuente de aire se han utilizado para calefacción y refrigeración residencial y comercial durante muchos años. Estas unidades dependen del intercambio de calor aire-aire a través de unidades evaporadoras similares a las que se utilizan para los acondicionadores de aire. Los intercambiadores de calor de agua a aire con aletas se utilizan con mayor frecuencia para sistemas de enfriamiento y calefacción de aire forzado, como en hornos, calderas y estufas de leña de interior y exterior. También pueden ser adecuados para aplicaciones de refrigeración líquida. El cobre se especifica en los colectores de suministro y retorno y en las bobinas de tubos. [8]
Calefacción / Enfriamiento Geotérmico de Intercambio Directo (DX)
La tecnología de bomba de calor geotérmica , conocida como "fuente de tierra", "acoplada a tierra" o "intercambio directo", se basa en hacer circular un refrigerante a través de tuberías de cobre enterradas para el intercambio de calor. Estas unidades, que son considerablemente más eficientes que sus contrapartes de fuente de aire, se basan en la constancia de las temperaturas del suelo por debajo de la zona de congelación para la transferencia de calor. Las bombas de calor de fuente terrestre más eficientes utilizan ACR, Tipo L o tubería de cobre de tamaño especial enterrada en el suelo para transferir calor hacia o desde el espacio acondicionado. El tubo de cobre flexible (típicamente de 1/4 de pulgada a 5/8 de pulgada) se puede enterrar en orificios verticales profundos, horizontalmente en un patrón de cuadrícula relativamente poco profundo, en una disposición vertical similar a una cerca en zanjas de profundidad media o como configuraciones personalizadas . Hay más información disponible. [45]
Sistemas electronicos
El cobre y el aluminio se utilizan como disipadores de calor y tubos de calor en aplicaciones de refrigeración electrónica . Un disipador de calor es un componente pasivo que enfría los dispositivos optoelectrónicos y semiconductores al disipar el calor en el aire circundante. Los disipadores de calor tienen temperaturas más altas que sus entornos circundantes, por lo que el calor se puede transferir al aire por convección , radiación y conducción .
El aluminio es el material disipador de calor más utilizado debido a su menor costo. [46] Los disipadores de calor de cobre son una necesidad cuando se necesitan niveles más altos de conductividad térmica. Una alternativa a los disipadores de calor de cobre o aluminio es la unión de aletas de aluminio a una base de cobre. [47]
Los disipadores de calor de cobre están fundidos a presión y unidos en placas. Difunden el calor rápidamente desde la fuente de calor a las aletas de cobre o aluminio y al aire circundante.
Los tubos de calor se utilizan para alejar el calor de las unidades de procesamiento central (CPU) y las unidades de procesamiento de gráficos (GPU) y hacia los disipadores de calor, donde la energía térmica se disipa en el medio ambiente. Los tubos de calor de cobre y aluminio se utilizan ampliamente en los sistemas informáticos modernos donde los mayores requisitos de energía y las emisiones de calor asociadas dan como resultado mayores demandas en los sistemas de enfriamiento.
Una tubería de calor generalmente consiste en una tubería o tubo sellado en los extremos frío y caliente. Los tubos de calor utilizan enfriamiento por evaporación para transferir energía térmica de un punto a otro mediante la evaporación y condensación de un fluido de trabajo o refrigerante. Son fundamentalmente mejores en la conducción de calor en distancias más grandes que los disipadores de calor porque su conductividad térmica efectiva es varios órdenes de magnitud mayor que la del conductor sólido equivalente. [48]
Cuando es deseable mantener la temperatura de la unión por debajo de 125–150 ° C, se suelen utilizar tuberías de calor de cobre / agua. Se utilizan tubos de calor de cobre / metanol si la aplicación requiere operaciones con tubos de calor por debajo de 0 ° C. [49]
Nuevas tecnologías
CuproBraze
CuproBraze es una tecnología de intercambiador de calor de aleación de cobre desarrollada para aplicaciones que necesitan soportar condiciones adversas. La tecnología es particularmente adecuada para entornos de alta temperatura y presión requeridos en motores diesel más limpios que están siendo exigidos por las regulaciones ambientales globales . [50] [51]
Las aplicaciones de CuproBraze incluyen enfriadores de aire de carga , radiadores , enfriadores de aceite , sistemas de control de clima y núcleos de transferencia de calor. [51] [52] CuproBraze es particularmente adecuado para enfriadores de aire de carga y radiadores en industrias intensivas en capital donde la maquinaria debe operar durante largos períodos de tiempo en condiciones difíciles sin fallas prematuras. Por estas razones, CuproBraze es especialmente adecuado para los mercados de vehículos todoterreno , camiones, autobuses, motores industriales, generadores , locomotoras y equipos militares . La tecnología también es adecuada para camiones ligeros, SUV y automóviles de pasajeros. [52] [53] [54]
CuproBraze es una alternativa a la aleta de placa de cobre / latón soldada, la aleta serpentina de latón de cobre soldado y la aleta serpentina de aluminio soldado. [51] La tecnología permite utilizar aletas serpentinas de cobre soldado en diseños de intercambiadores de calor de cobre y latón. Estos son menos costosos de fabricar que los diseños de aletas serpentinas soldadas. También son más fuertes, más livianos, más duraderos y tienen uniones más resistentes. [51]
Ranurado internamente
Los beneficios del tubo de cobre con ranuras internas de diámetro más pequeño para la transferencia de calor están bien documentados. [55] [56]
Las bobinas de diámetro más pequeño tienen mejores tasas de transferencia de calor que las bobinas de tamaño convencional y pueden soportar presiones más altas requeridas por la nueva generación de refrigerantes más amigables con el medio ambiente. Las bobinas de diámetro más pequeño también tienen menores costos de material porque requieren menos refrigerante, aletas y materiales de bobina; y permiten el diseño de aires acondicionados y refrigeradores de alta eficiencia más pequeños y livianos porque las bobinas de los evaporadores y condensadores son más pequeñas y livianas. MicroGroove utiliza una superficie interior ranurada del tubo para aumentar la relación superficie / volumen y aumentar la turbulencia para mezclar el refrigerante y homogeneizar las temperaturas en todo el tubo. [57] [58] [59]
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