ES2223195T3 - Colector para intercambiador de calor. - Google Patents
Colector para intercambiador de calor.Info
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Abstract
Producto de aluminio para unirse mediante soldadura fuerte o común a otro producto de aluminio, caracterizado porque una porción de las superficies externas del primer producto de aluminio que se conectará con el segundo producto de aluminio se provee con al menos un receso, en el cual se encierra una cantidad de material de soldadura.
Description
Colector para intercambiador de calor.
Esta invención se refiere a un producto de
aluminio que se une a otro producto de aluminio mediante soldadura
común o soldadura fuerte.
Dicho producto se presenta, en general, en el
documento W0-A-98/51983, y toda la
información técnica descrita en dicha solicitud de patente se
incorpora en la presente como referencia en esta descripción.
Es práctica común unir componentes de aluminio
mediante la colocación de una aleación de soldadura de aluminio
entre o adyacente a las superficies de los componentes que se desea
unir, y el calentamiento de la aleación de soldadura y las
superficies a unir en una forma adecuadamente ensamblada hasta una
temperatura (temperatura de soldadura) a la cual se funde la
aleación de soldadura, y se mantienen sin fundir los componentes. Al
enfriarse, la aleación de soldadura forma un retículo o unión que
liga las superficies a unir de los componentes. A fin de asegurar
la fusión selectiva de la aleación de soldadura sola, en la etapa de
calentamiento, se suele preferir que el punto de fusión de la
aleación de soldadura sea al menos 30ºC a 40ºC inferior al del metal
de los componentes. Un ejemplo de una aleación de soldadura típica
para aluminio es una composición eutéctica de
aluminio-silicio, que comienza a fundirse a
aproximadamente 577ºC.
Es bien conocido el uso de una lámina de
revestimiento de soldadura compuesta por aluminio para unir los
componentes de la aleación de aluminio, véase por ejemplo el
documento US-A-5.622.220. La lámina
de soldadura se utiliza para fabricar componentes de intercambio de
calor tales como tubos, rebabas, cabezales, tanques, divisores de
flujo, etc. Sin embargo, una de las limitaciones importantes es la
dificultad para fabricar perfiles complicados usando sólo láminas
arrolladas. Para perfiles complicados, tales como tubos de bocas
múltiples o microtubos, el proceso de extrusión puede ofrecer una
solución más eficiente en cuanto a costos y de mejor calidad. Una
desventaja del uso de perfiles extruidos es la provisión de
cubiertas de aleación de soldadura a las extrusiones.
El proceso CD es uno de los métodos desarrollados
para producir un perfil extruido "revestido" por soldadura. En
este proceso se recubre el perfil con partículas de AlSi, revestido
mediante flujo de Nocolok. Se logra la adhesión de la cubierta
mediante el uso de un aglutinante (polímero). El agregado de
partículas de AlSi provee metal de relleno para las junturas de
soldadura durante el proceso de soldadura.
En el proceso "Brazeliner" se recubre el
perfil con una mezcla de Nocolok y aleación de AlSi particulado. Se
logra la adhesión de la cubierta mediante el uso de un aglutinante
(polímero). Las partículas de AlSi se funden y fluyen durante la
soldadura.
El proceso Sil-Flux es un método
por el cual se recubre el perfil con una mezcla de Nocolok y finas
partículas de silicio. Se logra la adhesión de la cubierta mediante
el uso de un aglutinante (polímero). Durante la soldadura, el Si
difunde hacia el interior de la superficie y forma una aleación de
AlSi eutéctica, creando así metal de relleno para la soldadura de
juntas "in situ".
Una de las desventajas de todos los procesos
anteriores es el uso de un aglutinante. El aglutinante tiende a
"envenenar" la atmósfera del horno y también presenta un
problema de contaminación ambiental. A fin de superar estos
problemas, se han requerido costosas modificaciones del horno. Para
el proceso Sil-Flux, la erosión por silicio también
tiende a ser más pronunciada, debido a la presencia de silicio
particulado.
Otro método es la cubierta con aerosol de arco de
llama, en el cual el perfil se recubre mediante una aleación de
AlSi. Durante este proceso se introducen grandes cantidades de
óxidos no buscados en la operación de soldadura.
A pesar de todos los esfuerzos anteriores por
generar un producto extruido con un metal de relleno ubicado con
antelación, sigue siendo un problema en la industria.
En consecuencia, uno de los objetos de la
invención consiste en proporcionar un producto de aluminio en el
cual se evitan los problemas antes mencionados.
Este objeto se logra si se provee a la posición
de la superficie externa del primer producto de aluminio, que se va
a conectar con el segundo producto de aluminio, al menos un receso
en el cual se encierra una cantidad de material de soldadura.
Mediante este ensamblado "mecánico" es
posible proporcionar un producto de aluminio de forma integrada con
la cantidad de material de soldadura, sin la necesidad de utilizar
composiciones especiales, a fin de adherir el material de soldadura
al producto de aluminio. Incluso es posible utilizar materiales de
soldadura disponibles en el comercio que, después de estar
encerrados en el receso, permiten manejar el producto de aluminio de
la manera habitual, pues dicho material de soldadura permanece en su
lugar durante las posteriores operaciones de manipulación o de
fabricación, tales como embarque, procesamiento de máquinas,
formateado, estampado, corte, lavado o desgrasado.
En una realización preferida de la invención,
cada receso tiene la forma de una cavidad, y la cantidad de material
de soldadura tiene la forma de un alambre.
De esta manera, es posible utilizar alambre de
núcleo fluido comercial, lo que elimina la necesidad de fundición
adicional del producto de aluminio.
Otras ventajas y características de esta
invención se evidenciarán a partir de la siguiente descripción, con
referencias a los dibujos anejos, en los cuales
la Fig. 1 es un corte transversal de un tubo
múltiple como producto de aluminio de acuerdo con la invención,
la Fig. 2 es un corte transversal de un tubo
múltiple como producto de aluminio de acuerdo con la invención, que
muestra distintas formas de cavidades,
las Fig. 3A-3C son cortes
transversales esquemáticos de una realización modificada de un tubo
múltiple de acuerdo con la invención,
las Fig. 4A-4C son cortes
transversales esquemáticos de otra realización modificada de acuerdo
con la invención, y
la Fig. 5 es un corte transversal de una tercera
realización modificada de un tubo múltiple de acuerdo con la
invención.
En la Fig. 1 se muestra como ejemplo un tubo
múltiple 1, pero la invención no se restringe a este tipo de
productos, y se puede usar en cualquier producto de aluminio que se
deba soldar después de darle forma.
El tubo múltiple 1 está elaborado a partir de
tubos de aluminio con orificios (no mostrados) para colocar los
extremos de tubos de transferencia de calor. Tal como se muestra
además en la Fig. 1, el tubo múltiple consta de varios tubos
paralelos 3, con porciones de pared comunes 6, y con la forma de un
producto aplastado con dos paredes de mayor tamaño 4 y 5. En la
pared 4 y en paralelo con los conductos de flujo para el tubo 3 se
proveen varias cavidades 8, ubicadas por encima de cada sección de
pared intermedia 6 del tubo múltiple. En la forma de realización
mostrada, estas cavidades tiene un corte transversal más que
semicircular. El tubo múltiple que se muestra en la Fig. 1 puede
ser elaborado convenientemente mediante un proceso de extrusión.
Tal como se muestra en la porción del extremo
izquierdo de la Fig. 1, se puede insertar un alambre de soldadura en
la cavidad 8 de manera tal que se fija mediante un cierre por
configuración en la cavidad. Más tarde en la fabricación del
intercambiador de calor, cuando se deba conectar la boquilla
múltiple 1 con las porciones terminales de los tubos
intercambiadores de calor, se puede fundir el material de los
alambres 9 y usarlo como material de soldadura.
En la porción terminal derecha de la Fig. 2 se
muestra un tipo diferente de cavidad 8B, con un corte transversal en
forma de trapecio. Es posible tener un alambre de soldadura redondo
fijado en dicha cavidad, pero también se pueden fijar alambres de
soldadura con otras formas al corte transversal, por ejemplo un
cuadrado, un triángulo o un óvalo.
Las cavidades 8 y 8B se pueden diseñar de manera
que se pueda colocar el alambre de soldadura en la parte superior de
la cavidad, y luego insertarlo por medios mecánicos y encerrar en la
cavidad, por ejemplo, aplicando presión. Esto se puede realizar
inmediatamente después de la extrusión del tubo múltiple, pero
también más tarde en el proceso de fabricación del tubo múltiple, o
incluso justo antes de producir los intercambiadores de calor.
Las distintas etapas del proceso de preparación
de dichos tubos múltiples pueden ser:
- -
- corte del perfile extruido en piezas de una longitud definida;
- -
- fabricación de orificios en el perfil, por ejemplo por estampado, torneado, serruchado, etc.;
- -
- inserción de divisores de flujo en las piezas de los perfiles;
- -
- lavado y desgrasado de las piezas del perfil;
- -
- inserción de los alambres de soldadura;
- -
- inserción de los extremos de los tubos intercambiadores de calor en los orificios realizados en las piezas del perfil;
- -
- soldadura de los extremos del tubo al tubo múltiple o a las piezas del perfil.
Durante los procesos de soldadura fuerte o común,
el alambre de soldadura se funde y por capilaridad, o de ser
necesario con asistencia de un fluido, el alambre fundido se lleva a
la unión del tubo múltiple con el tubo. Durante el enfriamiento, el
metal líquido se solidifica y crea una unión sólida entre el tubo
múltiple y los tubos, y los demás componentes adheridos al tubo
múltiple, de manera que está en contacto o en las cercanías del
alambre de soldadura.
Por lo general, los perfiles tales como los tubos
múltiples para los intercambiadores de calor se fabrican por
extrusión o a partir de láminas soldadas compuestas. Es común
producir tubos múltiples de diversas aleaciones de aluminio, por
ejemplo AA 1000 o 3000, y más particularmente AA 1100, AA 1197, AA
3003 y AA 3102. También es común que el metal de relleno utilizado
para unir los tubos múltiples a los tubos y otros componentes se
seleccionen del grupo de aleaciones de aluminio de la serie AA 4000,
o más particularmente AA 4343, AA 4045, AA 4047, AA 4343 + 1% de
cinc y AA 4045 + 1% de cinc. AA son las designaciones de aleaciones
comunes de la Asociación del aluminio (AA). Los expertos en el arte
reconocerán que las enseñanzas de esta invención no se limitan a las
aleaciones de aluminio particulares utilizadas como ejemplo en la
siguiente descripción, y en cambio se pueden considerar como
incluyentes de una amplia variedad de aleaciones a base de
aluminio.
La forma de la cavidad es importante, por cuanto
se debe diseñar de manera tal que
- a.
- el alambre de relleno quede "encerrado" en su lugar,
- b.
- protege el alambre de relleno de ser arrancado o de otra manera alterado durante la manipulación del producto,
- c.
- la superficie transversal sea de tamaño suficiente para que la cavidad contenga el material de relleno adecuado para lograr una soldadura exitosa.
En las Fig. 3A-3C se muestra otra
forma de realización de un tubo de acuerdo con la invención. Tal
como se muestra en la Fig. 3A, el tubo múltiple 10 contiene una
cavidad 11 con forma de trapecio diseñada de manera tal que, cuando
se aplica presión a un alambre de metal de relleno 12 ubicado en la
cavidad (Fig. 3B), este alambre 12 es presionado hacia el interior
de la cavidad y encerrado mecánicamente en su lugar. De ser
necesario, este alambre 12 se puede presionar hasta ubicarlo en su
lugar mediante el paso del tubo múltiple 10 a través de unos rollos
de presión, con lo que se obtiene la forma final que se muestra en
la Fig. 3C.
La realización de las Figs. 4A-4C
es algo diferente de la mostrada en las Figs. 3A-3C,
pues el tubo múltiple 15 está provisto de una cavidad 18 con una
dimensión transversal superior mayor que el diámetro del alambre de
metal de relleno 17 que se va a colocar en dicha cavidad (Fig. 4B).
De esta manera, se puede colocar con facilidad el alambre 17 en la
cavidad 16, y luego pasar el tubo múltiple 15 por unos rollos de
presión, obteniendo así el producto como se muestra en la Fig.
4C.
En la Fig. 5 se muestra un tubo múltiple 20
modificado respecto de los tubos múltiples que se muestran en los
dibujos anteriores, por cuanto aquí es un tubo redondo que se usa
como tubo múltiple provisto de dos extensiones 21 y 26 que proveen
los canales 23 y 24, ubicados en los extremos de las aberturas 25
que deben hacerse en los tubos múltiples para ubicar los tubos de
intercambio de calor.
En cada caso, el tubo extruido tiene canales 23,
24 ubicados de manera que permitan que el compuesto de soldadura o
alambre 27 de relleno esté casi en contacto con el tubo que, por
último, se ajusta en la abertura o hendidura 25. Cuando el compuesto
de soldadura alcanza su punto de fusión, el metal líquido se puede
llevar con mayor facilidad hacia la unión, por capilaridad. Cuando
el diámetro de la tubería es relativamente pequeño, por ejemplo
10-40 mm, el radio de curvatura es tal que la
principal fuerza que impulsa el metal de relleno fundido hacia la
unión es la capilaridad. La clásica orientación de un
intercambiador de calor en un horno de bronce es con el eje
longitudinal de la tubería del tubo múltiple en sentido horizontal.
Las uniones reciben metal desde los canales superiores e
inferiores.
A medida que aumenta el diámetro, se incrementa
el efecto de la gravedad. En este caso, se puede modificar el diseño
de los tubos múltiples de manera que las aberturas o hendiduras 15
se efectúen en una superficie de curvatura mínima, a fin de impedir
que el metal de relleno empape el canal y caiga cuando se funde.
Los expertos en el arte sabrán que una cantidad
demasiado pequeña de metal de relleno dará como resultado bandas
demasiado pequeñas o no a prueba de filtraciones, y que una cantidad
excesiva puede dar por resultado una erosión del tubo que, en el
peor de los casos, también producirá filtraciones. La cantidad
requerida de metal de relleno para lograr una soldadura exitosa
depende de la falla o hendidura que se debe llenar. En el caso de un
tubo múltiple para unir los tubos de un intercambiador de calor, el
volumen de esta falla variará con las dimensiones externas del tubo,
las dimensiones internas de la hendidura del tubo múltiple (donde se
inserta el tubo), y el espesor de la pared del tubo múltiple. Para
calcular la cantidad total de metal de relleno requerida se debe
conocer la cantidad total de tubos unidos al tubo múltiple, y la
cantidad de tubos múltiples. Sobre la base del resultado de este
cálculo se calcula con facilidad el metal de relleno requerido para
dosificar en las cavidades.
Claims (9)
1. Producto de aluminio para unirse mediante
soldadura fuerte o común a otro producto de aluminio,
caracterizado porque una porción de las superficies externas
del primer producto de aluminio que se conectará con el segundo
producto de aluminio se provee con al menos un receso, en el cual se
encierra una cantidad de material de soldadura.
2. Producto de aluminio de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque cada receso tiene la
forma de una cavidad, y la cantidad de material de soldadura tiene
la forma de un alambre.
3. Producto de aluminio de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la
cantidad de material de soldadura se fija en el receso mediante
medios de transmisión de fuerzas y/o de cierre de formas.
4. Producto de aluminio de acuerdo con las
reivindicaciones 2 y 3, caracterizados porque la cavidad
tiene un diámetro transversal circular de más de un semicírculo.
5. Producto de aluminio de acuerdo con las
reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque la cavidad tiene
un corte transversal similar a un trapecio, con un tamaño menor en
la parte superior.
6. Producto de aluminio de acuerdo con las
reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque después de la
inserción del material de soldadura, la cavidad se deforma hasta
encerrar el alambre de soldadura.
7. Producto de aluminio de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque el producto se obtiene por extrusión, y está provisto de una
cavidad que se extiende en paralelo a la dirección de la
extrusión.
8. Producto de aluminio de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
producto es un tubo múltiple para el intercambiador de calor.
9. Un proceso de producción de un producto de
aluminio de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
1-8, que comprende la extrusión del producto,
provisto de al menos una cavidad que se extiende a lo largo de la
dirección de la extrusión del producto, caracterizado porque
inmediatamente después de la extrusión se inserta un alambre de
soldadura en línea en la cavidad.
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