ES2351281B1 - Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor para gases, en especial
de los gases de escape de un motor.
Comprende un núcleo (2) fabricado de un acero
inoxidable, destinado a la circulación de los gases con intercambio
de calor con un fluido de refrigeración, y al menos una brida (3) de
conexión con la línea de recirculación de gases fabricada de un
acero inoxidable ferrítico, estando dicha al menos una brida (3)
unida en contacto directo con el núcleo (2) mediante soldadura en
horno utilizando un material de soldadura (4) fabricado de una
aleación que comprende boro. Se caracteriza por el hecho de que el
acero inoxidable ferrítico de la brida (3) además comprende un
porcentaje de niobio capaz de reaccionar con el nitrógeno contenido
en el propio acero inoxidable ferrítico, formando nitruros de
niobio, y evitando así que el nitrógeno reaccione con el boro del
material de soldadura (4). Se consigue una soldadura en horno
optimizada.
Description
Intercambiador de calor para gases, en especial
de los gases de escape de un motor.
La presente invención se refiere a un
intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de
escape de un motor.
La invención se aplica especialmente en
intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor
(EGRC).
En algunos intercambiadores de calor para el
enfriamiento de gases, por ejemplo los utilizados en sistemas de
recirculación de los gases de escape hacia la admisión de un motor
de explosión, los dos medios que intercambian calor están separados
por una pared.
El intercambiador de calor propiamente dicho
puede tener distintas configuraciones: por ejemplo, puede consistir
en una carcasa en cuyo interior se disponen una serie de conductos
paralelos para el paso de los gases, circulando el refrigerante por
la carcasa, exteriormente a los conductos; en otra realización, el
intercambiador consta de una serie de placas paralelas que
constituyen las superficies de intercambio de calor, de manera que
los gases de escape y el refrigerante circulan entre dos placas, en
capas alternadas.
En el caso de intercambiadores de calor de haz
de conductos, la unión entre los conductos y la carcasa puede ser de
diferentes tipos. Generalmente, los conductos están fijados por sus
extremos entre dos placas de soporte acopladas en cada extremo de la
carcasa, presentando ambas placas de soporte una pluralidad de
orificios para la colocación de los respectivos conductos. Dichas
placas de soporte están fijadas a su vez a unos medios de conexión
con la línea de recirculación.
Dichos medios de conexión pueden consistir en
una conexión en V o bien en un reborde periférico de conexión o
brida, dependiendo del diseño de la línea de recirculación donde
está ensamblado el intercambiador. En algunos casos, la placa de
soporte está integrada en una única pieza con los medios de conexión
formando una única brida de conexión. Los medios de conexión también
pueden consistir en un depósito de gas dispuesto en uno o ambos
extremos de la carcasa.
En la actualidad, los intercambiadores de calor
EGR son metálicos, generalmente fabricados de acero inoxidable
austenítico, siendo en la mayoría de los casos AISI 304.
Tanto los intercambiadores de haz de conductos
como los de placas apiladas, presentan todos sus componentes
metálicos, de modo que están ensamblados mediante medios mecánicos y
luego soldados en horno para asegurar un nivel de estanqueidad
requerido para esta aplicación.
Son conocidas bridas de conexión fabricadas de
acero AISI 304 austenítico al igual que los otros componentes. Sin
embargo, dichas bridas suelen ser bastante gruesas, de 3 a 8 mm de
espesor, lo cual encarece notablemente su coste debido a que
incluyen níquel. También pueden ser fabricadas con un material menos
noble como aleaciones ferríticas que no contienen níquel para
abaratar su coste.
El uso de aleaciones de acero inoxidable
ferríticas es conocido en la industria del automóvil. Usualmente,
los componentes de la línea de gases de escape están fabricados de
alguna aleación de acero inoxidable ferrítica, tal como AISI 409,
AISI 430 o similar.
Es conocido un intercambiador cuyas bridas están
fabricadas de acero inoxidable ferrítico AISI 430. En este caso,
dichas bridas no están soldadas en horno con los otros componentes,
tales como un depósito de gas o un tubo de conexión, sino que están
soldadas por arco o con láser.
También es conocido otro intercambiador cuya
brida está fabricada de acero inoxidable ferrítico sinterizado, tal
como AISI 409, pero no está unida mediante ningún tipo de soldadura,
sino que está unida mecánicamente con una abrazadera al tubo de
conexión.
También es conocido otro intercambiador cuya
brida está fabricada de acero inoxidable ferrítico. Dicha brida está
soldada en horno al tubo de conexión usando cobre como material de
soldadura, pero en este caso la unión soldada en horno está ocultada
y no expuesta al gas de escape.
La patente JP 2004202547 describe un
intercambiador de calor fabricado con acero inoxidable ferrítico con
una capa de recubrimiento de níquel. Los componentes están unidos
mediante soldadura en horno a alta temperatura.
La patente WO 2007057099 describe un
intercambiador de calor fabricado mediante un acero ferrítico.
\newpage
Otras patentes tales como EP 0306578, US4461811
o US4261739 describen aceros inoxidables ferríticos con propiedades
mejoradas a alta temperatura o con una mejor soldadura en horno
cuando se suelda con cobre, y añadiendo titanio o niobio.
Para los intercambiadores EGR, un material de
soldadura muy común para la soldadura en horno es la aleación NI 102
que contiene boro (BNi2). Esta aleación es barata y es la más usada
para soldar en horno intercambiadores de acero inoxidable,
especialmente con soldadura en horno al vacío.
Después de varias pruebas usando aleaciones
comerciales, se ha comprobado que un acero inoxidable ferrítico, tal
como AISI 430 o AISI 409 contienen algo de nitrógeno, no demasiado
(alrededor de 0,05%) pero suficiente como para reaccionar con el
boro del material de soldadura, dificultando así la soldadura en
horno. De hecho, el nitrógeno está presente durante el refinado del
acero por lo que no es posible evitarlo completamente.
Además, el nitrógeno es difícil de analizar y
generalmente no está indicado en el material certificado. Después de
tests previos, el análisis de nitrógeno ha proporcionado diferentes
resultados dependiendo de la técnica de análisis: química,
combustión LECO o incluso SEM.
En tests usando acero AISI 430, se han
encontrado resultados negativos y desiguales en la soldadura en
horno con la aleación NI 102 como material de soldadura. Además, se
ha encontrado nitrógeno localmente mediante un microscopio SEM, con
el consiguiente problema de la formación de nitruros de boro,
afectando negativamente a la soldadura en horno.
El objetivo del intercambiador de calor para
gases de la presente invención es solventar los inconvenientes que
presentan los intercambiadores conocidos en la técnica,
proporcionando una buena resistencia a la oxidación y a la corrosión
del acero, y garantizando por tanto una correcta soldadura en
horno.
El intercambiador de calor para gases, en
especial de los gases de escape de un motor, objeto de la presente
invención, comprende un núcleo fabricado de un acero inoxidable,
destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con
un fluido de refrigeración, y al menos una brida de conexión con la
línea de recirculación de gases fabricada de un acero inoxidable
ferrítico, estando dicha al menos una brida unida en contacto
directo con el núcleo mediante soldadura en horno utilizando un
material de soldadura fabricado de una aleación que comprende boro,
y se caracteriza por el hecho de que el acero inoxidable ferrítico
de la brida además comprende un porcentaje de niobio capaz de
reaccionar con el nitrógeno contenido en el propio acero inoxidable
ferrítico, formando nitruros de niobio, y evitando así que el
nitrógeno reaccione con el boro del material de soldadura.
De este modo, el nitrógeno libre que estaba
contenido en el acero inoxidable ferrítico al reaccionar con el
niobio ya no puede reaccionar con el boro del material de soldadura
como ocurría en el estado de la técnica. En consecuencia, la adición
de niobio evita la formación de nitruros de boro del acero
inoxidable ferrítico. Se consigue así una buena resistencia a la
oxidación y a la corrosión del acero, y por tanto la soldadura en
horno se realiza correctamente.
Además, el niobio es bien conocido como elemento
de aleación que mejora la corrosión y la resistencia mecánica a
elevadas temperaturas (por ejemplo la aleación AISI 347), por lo que
es otra ventaja para la invención.
Otras ventajas de la invención en comparación
con el estado de la técnica, son las siguientes:
- -
- El acero inoxidable ferrítico es bastante barato comparado con los austeníticos.
- -
- Las bridas fabricadas con la citada aleación pueden ser soldadas en horno directamente a las partes del núcleo fabricadas de acero inoxidable austenítico, es decir haces de tubos, carcasa, placas, etc.
- -
- Las bridas de acero inoxidable ferrítico cumplen con los requisitos mecánicos y de corrosión de acuerdo con los tests.
- -
- No es necesario ningún cuidado especial para definir las partes, ajustes o tolerancias comparado con los actuales productos.
- -
- El procedimiento estándar de soldadura en horno y el material de soldadura estándar de soldadura en horno utilizado en el estado de la técnica puede seguir siendo usado sin mayores cambios.
\vskip1.000000\baselineskip
Ventajosamente, el acero inoxidable ferrítico de
la al menos una brida comprende en peso hasta un 1% de niobio.
Preferentemente, el acero inoxidable ferrítico
de la al menos una brida es la aleación de especificación 1.4511
(430Nb).
\newpage
También preferentemente, el material de
soldadura para la soldadura en horno es la aleación NI 102
(BNi2).
Preferiblemente, el núcleo está fabricado de un
acero inoxidable austenítico.
Con el fin de facilitar la descripción de cuanto
se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que,
esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se
representa un caso práctico de realización del intercambiador de
calor para gases de la invención, en los cuales la figura 1 es una
vista parcial en perspectiva de un núcleo metálico soldado en horno
con una brida de conexión según la invención.
Haciendo referencia a la figura 1, el
intercambiador de calor 1 para gases de escape de un motor comprende
un núcleo 2, destinado a la circulación de los gases con intercambio
de calor con un fluido de refrigeración, y al menos una brida de
conexión 3 con la línea de recirculación de gases.
Generalmente, el núcleo 2 está fabricado de un
acero inoxidable austenítico, mientras que la brida 3 está fabricada
de un acero inoxidable ferrítico, generalmente AISI 430 ó AISI
409.
El núcleo 2 puede incluir un haz de tubos
paralelos o una pluralidad de placas apiladas, pudiendo incluir
también un depósito de gas en al menos uno de sus extremos. El
núcleo 2 puede ser introducido dentro de una carcasa dentro de la
cual circula el fluido refrigerante. La carcasa puede unirse a la
brida de conexión mediante medios mecánicos o soldadura.
Dicha brida 3 está unida en contacto directo con
el núcleo 2 mediante soldadura en horno utilizando un material de
soldadura 4 fabricado de una aleación que comprende níquel y boro,
habitualmente NI 102.
Los aceros inoxidables ferríticos, tal como AISI
430 o AISI 409 contienen algo de nitrógeno, suficiente como para
reaccionar con el boro del material de soldadura 4, dificultando así
la soldadura en horno.
Para solventar este problema la presente
invención prevé que el acero inoxidable ferrítico de la brida 3
además comprenda un porcentaje de niobio capaz de reaccionar con el
nitrógeno contenido en el propio acero inoxidable ferrítico. El
niobio produce la formación de nitruros de niobio, de modo que el
nitrógeno al no encontrarse libre ya no puede reaccionar con el boro
del material de soldadura 4. De esta manera, se evita la formación
de nitruros de boro del acero inoxidable ferrítico.
Se consigue así una buena resistencia a la
oxidación y a la corrosión del acero, y por tanto la soldadura en
horno se realiza correctamente. Además, el niobio es bien conocido
como elemento de aleación que mejora la corrosión y la resistencia
mecánica a elevadas temperaturas. En este caso, el núcleo 2, la
brida 3 y el material de soldadura 4 pueden estar expuestos a los
gases de escape.
Para verificar la presencia de nitrógeno se
utiliza un test de mojabilidad del material de soldadura 4 de
soldadura en horno en una muestra para verificar la compatibilidad
del material base de la brida 3. Para ello, pequeñas gotas de pasta
de soldadura 4, de aproximadamente 2 mm, son colocadas sobre la
superficie de la muestra 3. A continuación, la muestra es colocada y
soldada en horno usando el ciclo estándar de soldadura en horno en
producción.
Cuando el material de soldadura 4 moja
adecuadamente, las gotas 4 se esparcen ampliamente sobre la
superficie de la muestra de material, tal como se puede apreciar en
la figura 2. Se deduce por tanto que la adición de niobio a la
aleación AISI 430 mejora la mojabilidad enormemente.
Sin embargo, si hay alguna contaminación con
nitrógeno en el material base 3, la pasta de soldadura en horno 4
solidifica permaneciendo en forma de esfera en el sitio donde se
colocó, por lo que queda detenido el proceso de soldadura en
horno.
Para verificar la presencia de nitrógeno se
lleva a cabo un análisis mediante microscopía electrónica SEM.
Según una realización de la invención, la brida
está fabricada con el acero inoxidable ferrítico AISI 430Nb, que
comprende en peso:
- -
- de un 10 a 18% de cromo,
- -
- hasta un 0,05% de carbono,
- -
- hasta un 1% de silicio,
- -
- hasta un 1% de manganeso,
- -
- hasta un 0,04% de fósforo,
- -
- hasta un 0,04% de sulfuro,
- -
- hasta un 0,05% de nitrógeno, y
- -
- hasta un 1% de niobio.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta composición se corresponde con la aleación
comercial 1.4511 (430Nb).
Por otra parte, el material de soldadura 4 para
la soldadura en horno está fabricado con la aleación de níquel,
cromo, boro, silicio y hierro, que comprende en peso:
- -
- de un 6 a 22% de cromo,
- -
- hasta un 3,5% de boro,
- -
- hasta un 5% de silicio,
- -
- hasta un 3,5% de hierro, y
- -
- el resto de níquel.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta composición incluye la aleación estándar NI
102 (BNi2).
Claims (5)
1. Intercambiador de calor (1) para gases, en
especial de los gases de escape de un motor, que comprende un núcleo
(2) fabricado de un acero inoxidable, destinado a la circulación de
los gases con intercambio de calor con un fluido de refrigeración, y
al menos una brida (3) de conexión con la línea de recirculación de
gases fabricada de un acero inoxidable ferrítico, estando dicha al
menos una brida (3) unida en contacto directo con el núcleo (2)
mediante soldadura en horno utilizando un material de soldadura (4)
fabricado de una aleación que comprende boro, caracterizado
por el hecho de que el acero inoxidable ferrítico de la brida (3)
además comprende un porcentaje de niobio capaz de reaccionar con el
nitrógeno contenido en el propio acero inoxidable ferrítico,
formando nitruros de niobio, y evitando así que el nitrógeno
reaccione con el boro del material de soldadura (4).
2. Intercambiador (1), según la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que el acero inoxidable
ferrítico de la al menos una brida (3) comprende en peso hasta un 1%
de niobio.
3. Intercambiador (1), según la reivindicación 1
o 2, caracterizado por el hecho de que el acero inoxidable
ferrítico de la al menos una brida (3) es la aleación de
especificación 1.4511 (430Nb).
4. Intercambiador (1), según la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que el material de soldadura
(4) para la soldadura en horno es la aleación NI 102 (BNi2).
5. Intercambiador (1), según la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que el núcleo (2) está
fabricado de un acero inoxidable austenítico.
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