MX2008015459A

MX2008015459A - Procedimiento para la elaboracion de un intercambiador de calor.

Info

Publication number: MX2008015459A
Application number: MX2008015459A
Authority: MX
Inventors: Michael Herbermann; Raimund Witte; Martin Carl; Eckhard Volkmer
Original assignee: Gea Energietechnik Gmbh
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-01-13
Also published as: AP2009004751A0; US20090307907A1; US8191256B2; AU2007308537A1; JP2010507772A; EP2081722B1; CA2657473A1; KR101044142B1; WO2008049383A1; ES2360374T3; JP4878389B2; IL196546A0; AR063360A1; TN2009000005A1; DE102006050681B3; KR20090032084A; CN101489709A; EP2081722A1; ATE496719T1; MA30909B1

Abstract

Procedimiento para la elaboración de un intercambiador de calor, que consta de siguientes pasos: a) afinado protector de una chapa de acero por inmersión en un baño de metal fundido para la formación de una capa protectora contra la corrosión (3) donde la capa protectora contra la corrosión (3) contiene zinc, y entre 0,5 % y 60 % de aluminio; b) eliminación de la capa protectora contra la corrosión (3) en una cara de la chapa de acero; c) confección de un tubo intercambiador de calor (2) a partir de una chapa de acero, donde la capa protectora contra la corrosión (3) está dispuesta externamente; d) provisión de aletas (6) de aluminio, o de una aleación de aluminio; e) provisión de un medio fundente; f) provisión de un material de soldadura (8) que contiene aluminio y silicio, en la zona de unión entre las aletas (6) y la cara externa del tubo intercambiador de calor (2); g) unión del tubo intercambiador de calor (2) con las aletas (6) en un proceso de soldadura fuerte.

Description

PROCEDIMIENTO PARA LA ELABORACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR MEMORIA DESCRIPITIVA El invento se refiere a un procedimiento para la elaboración de un intercambiador de calor con las características indicadas en la reivindicación 1 . En particular en la técnica de centrales de energía eléctrica, para el enfriamiento del vapor de agua se emplean desde hace muchos años intercambiadores de calor enfriados por agua. En estos intercambiadores de calor se trata de filas de haces de intercambiadores de calor dispuestos en forma de A, en los cuales el vapor de agua se condensa dentro de tubos. A través de las aletas unidas con los tubos se mejora el pasaje del calor al aire circundante. Al efecto de asegurar una capacidad de funcionamiento de en lo posible varias décadas, en estos intercambiadores de calor enfriados por aire, es esencial la resistencia a la corrosión. Por lo tanto, se emprendieron esfuerzos para configurar estos tubos intercambiadores de calor de manera resistente a la corrosión. Por ejemplo, de US-PS 5,042,574 se conoce el procedimiento de unir tubos chatos recubiertos con aluminio, con aletas de aluminio ondulado, en un horno de temperado, utilizando material de soldadura de aluminio-silicio. Esta forma de unión tiene la desventaja de que la soldadura so-lamente puede llevarse a cabo a través del rodeo que implica el uso de tubos recubiertos con aluminio, respectivamente con ayuda de aletas de aluminio. Junto con el comparativamente alto costo de adquisición de diversos materiales, existe además la desventaja de que los tubos chatos cerrados en su contorno por al me- nos una costura longitudinal de soldadura, no pueden estar recubiertos con aluminio en la zona de fusión, pues de otra manera no se puede asegurar una soldadura impecable. Lo problemático en la soldadura fuerte de tubos chatos de acero con bandas plegadas de aluminio, es que la soldadura debe tener lugar a temperatu-ras comparativamente altas, en un orden de magnitud de aproximadamente 600°C, es decir, cercanas a la temperatura de ablandamiento del aluminio. En general, el material de soldadura consiste en un eutéctico de aluminio-silicio que funde a una temperatura algo inferior a la de ablandamiento del aluminio. Dificultosa es la elección del fundente, el que debe eliminar las capas de óxido de las superfi-cies de unión antes de la fusión del material de soldadura, pero que también se torna líquido a temperaturas cercanas a la de ablandamiento. Por ello, al soldar, la correcta elección de la temperatura con frecuencia solamente puede determinarse en forma empírica. Debido a los distintos coeficientes de dilatación térmica del aluminio y del acero, a raíz de las altas temperaturas de soldadura y del posterior enfriamiento a la temperatura ambiente, pueden aparecer fuertes tensiones del material, de manera que las piezas unidas pueden retorcerse, pudiendo hasta quebrarse la unión soldada cuando no ha sido impecablemente aplicado el revestimiento de aluminio, o porque entre el tubo de acero y el revestimiento de aluminio se ha generado una capa de hierro-aluminio, condicionada por la fusión del aluminio durante la soldadura fuerte. Por lo señalado, mediante el empleo de aleaciones de zinc-aluminio y a través de la utilización de medios fundentes en forma de tetrafluoruro de cesio- aluminio, en EP 1 250 208 B1 se propuso reducir la temperatura de soldadura desde aproximadamente 600°C hasta un rango de entre 370°C y 470°C. A raíz de las menores temperaturas también son menores las tensiones en el material pero, debido a la proporción de metal pesado, el manipuleo del medio fundente exige previsiones especiales para evitar la polución del medio ambiente. Partiendo de lo señalado, al invento le corresponde la tarea de indicar un procedimiento para la elaboración de un intercambiador de calor, en el que se fijen aletas de aluminio, o de una aleación de aluminio, sobre un tubo intercambiador de calor de chapa de acero con una capa soldable externa, protectora contra la corrosión, en el que se pueda desistir del empleo de metales pesados, pero que al mismo tiempo quede asegurado que entre la capa protectora contra la corrosión y el tubo de acero no se formen uniones perturbadoras de hierro-aluminio-metal intermedio, o fases intermedias de esta unión, al efecto de asegurar una firme unión entre las aletas y el tubo intercambiador de calor también a altas temperaturas de soldadura. Esta tarea se soluciona con los procedimientos con las características indicadas en las reivindicaciones 1 y 4. Las subrreivindicaciones constituyen el objeto de ventajosos desarrollos de la idea del invento. En el procedimiento según el invento, se ha previsto que la chapa de acero empleada para la elaboración de los tubos intercambiadores de calor reciba una capa de afinado protector por inmersión en un baño de metal fundido. El proceso de afinado protector por inmersión en un baño de metal fundido conduce a que sobre los productos afinados se deposite una capa protectora contra la corrosión para proteger el substrato contra ataques corrosivos. Típicamente, antes de que tenga lugar el afinado protector por inmersión en un baño de metal fundido en sí, el objeto plano a ser sumergido se limpia, se re-cristaliza o se calienta en un horno de circulación, y se enfría a la temperatura del baño de afinado protector de metal fundido. Durante el paso a través del baño, ambas caras del substrato se recubren con una capa protectora contra la corrosión. Pero, en tubos intercambiadores de calor, la protección contra la corrosión se necesita solamente sobre la cara externa. Para recubrirlo con una capa protectora contra la corrosión, es conocido el procedimiento de sumergir el tubo intercambiador de calor, junto con las aletas, en un baño de metal fundido, tapando los extremos del tubo. Pero como la superficie de las aletas es mucho mayor que la del tubo intercambiador de calor, se requieren grandes cantidades de metal fundi-do, lo que en relación con el dimensionamiento de intercambiadores de calor para la condensación de vapor de agua en centrales de energía, impulsa los costos hacia las alturas. Típicamente, las longitudes de los tubos intercambiadores de calor se hallan entre los 6 y los 12 metros, lo que hace necesarias instalaciones de inmersión en baño fundido correspondientemente grandes. Además, la pieza se retuerce debido a las tensiones que se originarían por las altas temperaturas de un baño de inmersión en metal fundido. Por el contrario, en el procedimiento según el invento se ha previsto que la capa protectora contra la corrosión del procedimiento de inmersión en un baño de metal fundido se aplique con anterioridad, y se elimine de una de las caras de la chapa de acero, en particular mecánicamente. La cara liberada de esta manera de la capa protectora contra la corrosión constituye más tarde la cara interna del tubo intercambiador de calor elaborado con esta chapa de acero. Por lo tanto, la capa protectora contra la corrosión se encuentra solamente sobre la cara externa del tubo intercambiador de calor. Este procedimiento de fabricación de un tubo intercambiador de calor con una capa externa protectora contra la corrosión, en resumen es favorable en lo relacionado con los costos, y por ende es decididamente rentable aún bajo consideración del hecho de que se deben prever instalaciones de máquinas para eliminar la capa protectora contra la corrosión. El procedimiento según el invento se adecúa particularmente para la fabricación de intercambiadores de calor para la condensación de vapor de agua en centrales de energía, porque en general la química para el agua de alimentación establece que sobre aquellas superficies que entran en contacto con vapor de agua, no pueden hallarse presentes metales no ferrosos, como por ejemplo, aluminio o cobre. Además, durante el proceso de condensación se origina una capa de magnetita, la cual protege al tubo intercambiador de calor de la corrosión interna, de manera que en la parte interna no es necesaria una protección adicional contra la corrosión. Una ventaja esencial del invento es que las capas externas protectoras contra la corrosión que se deben aplicar, en cada caso contienen zinc, y entre 0,5% hasta 60% de aluminio, preferentemente entre 4% y 55%. La presencia de zinc impide o reduce la perturbadora formación de capas intermedias intermetálicas de hierro-aluminio, o de fases intermedias de la unión hierro-aluminio, que más tarde, durante la posterior soldadura fuerte, podrían conducir a reventones de los tubos de acero aluminizados. En razón de que ya no se debe prestar tanta atención como anteriormente a la formación de capas perturbadoras intermetálicas interme-dias de hierro-aluminio, el procedimiento de fabricación se simplifica claramente, dado que en el caso de tubos de acero plaqueados con aluminio, los rangos de parámetros referentes a la temperatura y al tiempo en la confección de la unión soldada, pueden elegirse más grandes que lo usual hasta ahora en uniones por soldadura fuerte. Otra ventaja es que se puede desistir del empleo de medios fundentes a base de cesio. En su lugar puede emplearse un medio fundente a base de tetra-fluoruro de potasio-aluminio junto con un material de soldadura que contiene aluminio y silicio. En una primera variante del procedimiento según el invento, se ha previsto que las aletas con el material de soldadura estén paqueadas por lo menos por zonas. En especial en aletas que son parte constitutiva de una banda ondulada, ambas caras de las aletas se realizan plaqueadas con material de soldadura al efecto de poder unir estas bandas al tubo intercambiador de calor a través de sus caras orientadas hacia el mismo. En este caso, la soldadura con las aletas tiene lugar en las zonas con forma de arco de la banda ondulada. El material de soldadura plaqueado es fundido durante el proceso de soldadura y fluye hacia el resquicio para la soldadura entre las piezas a unir. En una forma de realización alternativa se ha previsto que las aletas no es- tén plaqueadas, es decir que no estén provistas con una capa de medio de soldadura, donde el material de soldadura se aporta por separado introduciéndolo en el resquicio para la soldadura. Esta forma de procedimiento tiene la ventaja de que en relación con las aletas se pueden emplear materiales iniciales más favorables. Aún con la introducción por separado del material de soldadura en el resquicio, es posible efectuar una soldadura confiable. En la tercera variante de procedimiento es concebible desistir de la introducción del material de soldadura y del plaqueado de las aletas con material de soldadura, pero en la cual la capa protectora contra la corrosión está constituida por una aleación que contiene zinc y entre 0,5% y 60 % de aluminio, así como silicio, y donde el material de soldadura está constituido por la propia capa protectora contra la corrosión. También en esta forma de procedimiento, la chapa de acero no está plaqueada con una capa de aluminio, sino que en el proceso de inmersión en el baño de metal fundido se le aplica una capa protectora contra la corrosión que a la vez constituye el material de soldadura. Por supuesto, en esta variante también es posible introducir por separado el material de soldadura en la zona de unión. Asimismo, tampoco se excluye que también las aletas estén plaqueadas. Finalmente, todas las variantes pueden combinarse entre ellas, donde por razones de técnica de procedimiento y de economía, la solución más atractiva está consti-tuida por la variante en la que la capa protectora contra la corrosión es asimismo el material de soldadura necesario para el proceso de soldadura. Independientemente de cuál sea la variante que se utilice, se considera ventajoso que la capa protectora contra la corrosión se confeccione por afinado a través de una inmersión en un baño de metal fundido con 55 % de aluminio, 43,4 % de zinc y 1 ,6 % de silicio. En el procedimiento acorde con el invento se considera adecuado como límite superior un 60 % de aluminio en la capa protectora contra la corrosión. Pero, fundamentalmente, también es concebible utilizar capas protectoras contra la corrosión con proporciones de aluminio claramente menores. En particular, la proporción de aluminio puede ser menor que un 50 %. En otra forma de realización, la capa protectora contra la corrosión puede ser confeccionada a través de un afinado por inmersión en un baño de metal fundido de zinc con 5 % de aluminio, silicio y vestigios de tierras raras. En la soldadura de aluminio también juega un rol decisivo el fundente utilizado. Para soldar, la superficie de la zona a unir debe limpiarse de manera metálicamente brillante a través de la eliminación de las capas de óxido siempre presentes, y ser protegida durante la soldadura contra la renovada formación de óxido por medio del empleo de medios fundentes. Ha quedado demostrado que se des-tacan particularmente los medios fundentes a base de fluoruros de potasio y de aluminio (KAIF4). El procedimiento debería efectuarse especialmente bajo atmósfera controlada (CAB), en particular en una atmósfera de nitrógeno. En razón de que en el procedimiento acorde con el invento una de las capas protectoras contra la corrosión se debe eliminar mecánicamente, puede ser conveniente aplicar las capas protectoras contra la corrosión sobre la chapa de acero con espesores variables, donde la que se elimina es la más delgada. De esta manera, es menor la pérdida de materiales de plaqueado, más nobles que el acero, y además se disminuye el costo de eliminar la capa protectora contra la co- rrosión. La eliminación de la capa protectora contra la corrosión se efectúa de preferencia en forma mecánica, en particular por maquinado con desprendimiento de virutas. Esto puede tener lugar por medio de cepillos rotativos pues en razón de la geometría de los cepillos, al mismo tiempo es posible un labrado fino de la superficie. Fundamentalmente, las capas protectoras contra la corrosión aplicadas en el proceso de inmersión en un baño fundido tienen un espesor pequeño, de modo que las herramientas de cepillos rotativos se adecúan preferentemente para eliminar en forma económica estos delgados espesores. Indudablemente, para el caso de espesores mayores, también es posible efectuar previamente al cepillado un desbaste del material de la banda, por medio de una herramienta de raspado, para efectuar un labrado basto. Los ensayos han demostrado que los cabezales de cepillado equipados con diamantes conducen preferentemente a buenos resultados del procedimiento. Los cabezales de este tipo se pueden configurar de manera que presenten una larga duración y al mismo tiempo un elevado grado de eficiencia de eliminación. Naturalmente, en caso necesario, en el marco del invento no se excluye adicionar al proceso de eliminación por cepillado mediante cepillos rotativos otros pasos sucesivos de labrado fino. Es concebible que a continuación del labrado con cepillos la superficie sea sometida a un pulido, pero aún sin emplear un labrado fino, solamente por medio de cabezales de labrado por cepillado se pueden lograr superficies con un tamaño de grano de 240-1.000 micrones. A continuación, el invento se describe en mayor detalle en base los ejem- píos de realización de las figuras, las que muestran: Fig. 1 un corte longitudinal a través de la pared de un tubo de un intercambiador de calor con aletas en su contorno, Fig. 2 lo representado en la Fig. 1 , según otra forma de realización, y la Fig. 3 lo representado en la Fig. 1 , según una tercera forma de realización. En las Figuras 1 hasta 3 se ha designado con 1 la pared de un tubo intercambiador de calor 2, de acero al carbono, para un intercambiador de calor, no mayormente representado, bajo la forma de una instalación de condensación enfriada por aire para turbinas de vapor de agua. El tubo intercambiador de calor 2 puede presentar una longitud de entre 6 y 12 metros. Según la forma de realización de la Figura 1 , el tubo intercambiador de calor 2 está provisto con una capa protectora contra la corrosión 3, que contiene zinc (Zn) y aluminio (Al). La capa protectora contra la corrosión 3 está aplicada sobre la superficie externa 4 de la pared 1 a través de un procedimiento de inmersión en un baño de metal fundido. Además, la Fig. 1 muestra que en la pared 1 , representada, del tubo intercambiador de calor 2, se halla fijada una banda de aletas ondulada 5. La banda 5 se compone de varias aletas, dispuestas en forma paralela entre ellas, que están unidas entre sí a través de secciones arqueadas 7, formando una sola pieza. La banda de aletas 5 es de aluminio. Está plaqueada en ambas caras con un material de soldadura 8, que se funde durante el proceso de soldadura. El material de soldadura contiene entre 7,5 % y 12 % de silicio. En una atmósfera controlada del horno, al proceso de soldadura se le suministra continuamente como fundente KAIF4 (tetrafluoruro de potasio-aluminio). Durante el proceso de soldadura, el ma- terial de soldadura 8 desplaza al fundente, no representado en detalle, y conduce a una unión entre la capa protectora contra la corrosión 3 y la sección arqueada 7 de la banda de aletas 5. Durante el proceso de soldadura tiene lugar un intercambio de difusión entre los átomos dentro de una zona muy delgada en la zona de límite entre las piezas a unir. Puesto que la capa protectora contra la corrosión 3 contiene preferentemente 55 % de aluminio, 43,4 % de zinc y 1 ,6 % de silicio, la presencia del zinc conduce a una firme unión entre el tubo intercambiador de calor 2 de acero y la capa protectora contra la corrosión 3, por lo menos sin una importante formación de una capa intermedia de hierro-aluminio, que llevaría a afectar la resistencia. La forma de realización de la Fig. 2 se diferencia de la de la Fig. 1 por el hecho de que el material de soldadura 8 no está plaqueado sobre las aletas 6, sino que es introducido en forma separada en el resquicio de soldadura, y por supuesto utilizando un medio fundente de tetrafluoruro de potasio-aluminio. En la tercera forma de realización, como ha sido representada en la Frg. 3, se ha desistido de aportes de material de soldadura bajo la forma de aletas plaqueadas, como han sido representados en la Fig. 1 . Tampoco se ha aportado material de soldadura por separado como se ha representado en la Fig. 2. Antes bien, la capa protectora contra la corrosión consiste en una aleación elaborada con 55 % de aluminio, 43,4 % de zinc y 1 ,6 % de silicio, la que ha sido aplicada sobre el tubo intercambiador de calor 2 por medio de un procedimiento de afinado protector por inmersión en un baño de metal fundido, y que es fundida durante el proceso de soldadura, utilizando como medio fundente KAIF4, de manera que la capa protectora contra la corrosión 3 se encuentra por un lado en directo contacto con las aletas 6, y por el otro lado con el tubo intercambiador de calor 2. Por la proporción de zinc y de aluminio en la capa protectora contra la corrosión 3, puede efectuarse la unión entre las aletas de aluminio 6 y el tubo intercambiador de calor 2, de acero. Signos de referencia 1 - pared 2 - tubo intercambiador de calor 3 - capa protectora contra la corrosión 4 - superficie de 1 5 - banda de aletas 6 - aleta 7 - sección arqueada de 6 8 - material de soldadura

Claims

REIVINDICACIONES

1 . Procedimiento para la elaboración de un intercambiador de calor, que consta de los siguientes pasos: a) afinado protector de una chapa de acero por inmersión en un baño de metal fundido para la formación de una capa protectora contra la corrosión (3), donde la capa protectora contra la corrosión (3) contiene zinc y entre 0,5 % y 60 % de aluminio; b) eliminación de la capa protectora contra la corrosión (3) en una cara de la chapa de acero; c) confección de un tubo intercambiador de calor (2) a partir de esta chapa de acero, donde la capa protectora contra la corrosión (3) está dispuesta externamente; d) provisión de aletas (6) de aluminio, o de una aleación de aluminio; e) provisión de un medio fundente; f) provisión de un material de soldadura (6) que contiene aluminio y silicio en la zona de unión entre las aletas (6) y la cara externa del tubo intercambiador de calor (2); g) unión del tubo intercambiador de calor (2) con las aletas (6) en un proceso de soldadura fuerte.

2. Procedimiento según reivindicación 1 , caracterizado porque las aletas (6) se plaquean por lo menos por zonas con el material de soldadura (8).

3. Procedimiento según reivindicación 1 , caracterizado porque las ale- tas (6) no plaqueadas se sueldan con el tubo intercambiador de calor (2) bajo la introducción del material de soldadura (8) en el resquicio de soldadura entre las aletas (6) y el tubo intercambiador de calor (2).

4. Procedimiento para la elaboración de un intercambiador de calor que consta de los siguientes pasos: a) afinado protector de una chapa de acero por inmersión en un baño de metal fundido para la formación de una capa protectora contra la corrosión (3), donde la capa protectora contra la corrosión (3) contiene zinc y entre 0,5 % y 60 % de aluminio, así como silicio; b) eliminación de la capa protectora contra la corrosión (3) en una cara de la chapa de acero; c) confección de un tubo intercambiador de calor (2) a partir de esta chapa de acero, donde la capa protectora contra la corrosión (3) está dispuesta externamente; d) provisión de aletas (6) de aluminio, o de una aleación de aluminio; e) provisión de un medio fundente; f) provisión de un material de soldadura que contiene aluminio y zinc en la zona de unión entre las aletas (6) y la cara externa del tubo intercambiador de calor (2), bajo la forma de una capa protectora contra la corrosión; g) unión del tubo intercambiador de calor (2) con las aletas (6) en un proceso de soldadura fuerte.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 hasta 4, caracterizado porque la capa protectora contra la corrosión (3) es elaborada por afinado por inmersión en un baño metálico fundido con 55 % de aluminio, 43,4 % de zinc y 1 ,6 % de silicio.

6. Procedimiento según reivindicación 1 , caracterizado porque la capa protectora contra la corrosión (3) es elaborada por afinado por inmersión en un baño metálico de zinc fundido, con 5 % de aluminio, silicio y vestigios de tierras raras.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 hasta 6, caracterizado porque el medio fundente es una combinación de tetrafluoruro de potasio-aluminio.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 hasta 7, caracterizado porque las capas protectoras contra la corrosión (3) se aplican sobre la chapa de acero con espesores variables, donde la más delgada de las capas protectoras contra la corrosión es la que se elimina.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 hasta 7, caracte-rizado porque la eliminación de las capas protectoras contra la corrosión (3), se efectúa mecánicamente.