Los intercambiadores de calor son dispositivos que transfieren calor para lograr la calefacción o refrigeración deseada. 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 duraderos y térmicamente eficientes . En primer lugar, el cobre es un excelente conductor del 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. , aleación , facilidad de fabricación y facilidad de unión.
La combinación de estas propiedades permite que el cobre se especifique 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 en la parte inferior 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.
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 cobre para condensadores 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 60% Cu-40% Zn , se utilizaba para condensadores de refrigeración con agua de mar. El metal del Almirantazgo, una aleación de latón amarillo 70% Cu-30% Zn con un 1% de estaño agregado 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 mejorar la 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, evaporadores y condensadores están hechos de cobre y aleaciones de cobre. [3] Estos intercambiadores de calor se utilizan en sistemas de aire acondicionado y refrigeración , sistemas de calefacción y refrigeración 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 construcciones de tubo de cobre/aletas de aluminio, cuproníquel o totalmente de cobre. Se pueden aplicar varios recubrimientos para mejorar la resistencia a la corrosión de los tubos y aletas. [3] [4]
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 entre materiales de alta conductividad térmica se produce a un ritmo mayor que entre 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 Imperial de Medición (imperial británico o unidades 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 el de todos los demás metales excepto la plata, un metal precioso . El cobre tiene una conductividad térmica un 60% mejor que el aluminio y casi 30 veces más conductividad térmica que el acero inoxidable. [5]
Hay más información disponible sobre la conductividad térmica de metales seleccionados. [7]
La resistencia a la corrosión es esencial en aplicaciones de transferencia de calor en las que intervienen fluidos, como 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 veces mayor que la del cobre. Los tubos de aluminio no son adecuados para aplicaciones de agua potable o no tratada porque se corroe a un 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 y níquel. Esto permite el uso de las propiedades mecánicas y químicas beneficiosas 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 un interior de aluminio, latón o cobre-níquel y un exterior de acero inoxidable o dulce para enfriar en las industrias petroquímica y de refinación de petróleo. [11]
Las aleaciones de cobre y cobre-níquel tienen una alta resistencia natural a la bioincrustación en comparación con 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 bioincrustación, particularmente en estructuras marinas, se puede lograr durante largos períodos de tiempo con metales de cobre.
Las aleaciones de cobre y níquel se han probado durante muchos años en tuberías de agua de mar y otras aplicaciones marinas. Estas aleaciones resisten la bioincrustación en mares abiertos, donde no permiten que se acumule limo 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 retardadora de 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) separar capas que contienen productos corrosivos y larvas de organismos macroincrustantes. [14] Este último mecanismo impide el asentamiento de estadios larvarios pelágicos en la superficie del metal, en lugar de matar a los organismos.
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 fabricados con otros metales. Este beneficio ofrece una vida útil del intercambiador de calor enormemente ampliada y contribuye a mejorar la calidad del aire. Se ha evaluado la capacidad de los intercambiadores de calor fabricados por separado a partir 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 utilizados habitualmente desarrollaron biopelículas estables de bacterias y hongos a las cuatro semanas de funcionamiento. Durante el mismo período, 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 de hongos en un 99,74 %. [15] [16] [17]
Se han instalado aires acondicionados con aletas de cobre en autobuses de Shanghai para matar rápida y completamente bacterias, virus y hongos que antes prosperaban en aletas que no eran de cobre y a los que se les permitía circular por los sistemas. La decisión de sustituir el aluminio por cobre se produjo tras las pruebas antimicrobianas realizadas por el Centro Municipal para el Control y la Prevención de Enfermedades (SCDC) de Shanghai entre 2010 y 2012. El estudio encontró que los niveles microbianos en las superficies de las aletas de cobre eran significativamente más bajos que en las de aluminio, lo que ayudaba a proteger la salud de los pasajeros de autobuses. [17] [18]
Se encuentra disponible más información sobre los beneficios del cobre antimicrobiano en los sistemas HVAC. [19] [20] [21]
El tubo de cobre con ranuras internas de diámetros más pequeños es más eficiente térmicamente, materialmente eficiente y más fácil de doblar, abocardar y trabajar de otro modo. Generalmente es más fácil fabricar tubos interiores ranurados con cobre, un metal muy blando.
Las aleaciones de cobre se utilizan ampliamente como tubos intercambiadores de calor en plantas de energía eléctrica generadoras de vapor fósiles y nucleares , plantas químicas y petroquímicas , servicios marítimos y plantas de desalinización .
El mayor uso 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 refrigeradores, todos los cuales contienen tuberías de cobre. El condensador de superficie principal que acepta descargas de vapor de turbina utiliza la mayor cantidad de cobre. [2]
El cobre-níquel 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.
Las tuberías de condensadores e intercambiadores de calor de latón arsénico del almirantazgo (Cu-Zn-Sn-As) alguna vez dominaron el mercado de las instalaciones industriales. Posteriormente, el latón de aluminio ganó popularidad debido a su mayor resistencia a la corrosión. [22] Hoy en día, el aluminio-latón, 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 enfriados por líquido, especialmente adecuados para aplicaciones marinas y hostiles, se pueden ensamblar con carcasas de latón, tubos de cobre, deflectores de latón y cubos finales integrales 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 refrigeración limpia que contiene oxígeno. Mientras se forma la capa protectora, se pueden tomar 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 sobre las aleaciones de Cu-Ni en agua de mar aireada madura en unos 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 duras. Hay más detalles 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, es necesario realizar 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 sobre las aleaciones de Cu-Ni.
Más información sobre intercambiadores de calor de aleación de cobre para instalaciones industriales está disponible. [27] [28] [29] [30]
Los calentadores de agua solares pueden ser una forma rentable de generar agua caliente para los hogares en muchas regiones del mundo. Los intercambiadores de calor de cobre son importantes en los sistemas solares térmicos de calefacción y refrigeración debido a la alta conductividad térmica del cobre, su resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, su sellado y unión mediante soldadura y su resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para depósitos de agua) de sistemas solares térmicos de agua. [31]
Hay varios tipos de colectores solares para aplicaciones residenciales disponibles con circulación directa (es decir, calientan el agua y la llevan directamente al hogar para su uso) o con circulación indirecta (es decir, bombean un fluido de transferencia de calor a través de un intercambiador de calor, que luego calienta el agua que fluye hacia los sistemas del hogar). [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 al vacío tienen una doble capa. Dentro del tubo de vidrio se encuentra el tubo de calor de cobre. Es un tubo de cobre hueco sellado que contiene una pequeña cantidad de fluido de transferencia térmica (agua o mezcla de 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 solares térmicos de agua que contienen cobre incluyen tanques intercambiadores de calor solares y estaciones de bombeo solares, junto con bombas y controladores. [33] [34] [35] [36] [37]
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] Nuevos requisitos estrictos, incluidas 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 equipos de calefacción y aire acondicionado contra bacterias y moho . Además, las pruebas financiadas por el Departamento de Defensa de EE. UU. están demostrando 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]
El calentamiento de agua es el segundo mayor uso de energía en el hogar. Los intercambiadores de calor 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 calentamiento de agua y calderas de calefacción.
La demanda de sistemas compactos de calentamiento de agua energéticamente eficientes está aumentando. 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 recubrimientos duraderos u otros tratamientos de superficie. Los recubrimientos resistentes a los ácidos son capaces de soportar temperaturas de 1000 °C. [43] [44]
Las bombas de calor 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 utilizadas para los acondicionadores de aire. Los intercambiadores de calor de agua a aire con aletas se utilizan más comúnmente para sistemas de calefacción y refrigeración de aire forzado, como hornos, calderas y estufas de leña interiores y exteriores. También pueden ser adecuados para aplicaciones de refrigeración líquida. El cobre se especifica en colectores de suministro y retorno y en serpentines de tubos. [8]
La tecnología de bomba de calor geotérmica , conocida como "fuente terrestre", "acoplada a tierra" o "intercambio directo", se basa en la circulación de 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, dependen de la constancia de la temperatura del suelo por debajo de la zona de congelación para la transferencia de calor. Las bombas de calor geotérmicas más eficientes utilizan tubos de cobre ACR, tipo L o de tamaño especial enterrados en el suelo para transferir calor hacia o desde el espacio acondicionado. El tubo de cobre flexible (normalmente de 1/4 a 5/8 de pulgada) se puede enterrar en orificios verticales profundos, horizontalmente en un patrón de rejilla 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]
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 dispositivos semiconductores y optoelectrónicos disipando el calor en el aire circundante. Los disipadores de calor tienen temperaturas más altas que sus entornos circundantes, por lo que el calor puede transferirse al aire por convección , radiación y conducción .
El aluminio es el material de 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 totalmente 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 centrales de procesamiento (CPU) y de las unidades de procesamiento de gráficos (GPU) hacia los disipadores de calor, donde la energía térmica se disipa al medio ambiente. Los heatpipes 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 lugar a mayores demandas en los sistemas de refrigeración.
Un tubo de calor normalmente consta de 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 a distancias mayores 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 las temperaturas de las uniones por debajo de 125–150 °C, normalmente se utilizan caloductos de cobre/agua. Los caloductos de cobre/ metanol se utilizan si la aplicación requiere operaciones de caloducto por debajo de 0 °C. [49]
Los beneficios de los tubos de cobre con ranuras internas de menor diámetro para la transferencia de calor están bien documentados. [50] [51]
Los serpentines de menor diámetro tienen mejores tasas de transferencia de calor que los serpentines de tamaño convencional, por lo que pueden soportar presiones más altas requeridas por la nueva generación de refrigerantes más respetuosos con el medio ambiente. Los serpentines de menor diámetro también tienen costos de material más bajos porque requieren menos materiales de refrigerante, aletas y serpentines; y permiten el diseño de refrigeradores y acondicionadores de aire de alta eficiencia más pequeños y livianos porque los serpentines de los evaporadores y condensadores son más pequeños y livianos. 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. [52] [53] [54]
Una nueva tecnología para fabricar intercambiadores de calor es la Impresión 3D . Con la impresión 3D, puedes crear formas complejas y canales interiores. Esto da como resultado un alto rendimiento de los intercambiadores de calor. [55] El intercambiador de calor impreso es principalmente para la industria. Los intercambiadores de calor pueden imprimirse en aleación de cobre puro, CuCrZr y CuNi2SiCr.
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