Investigación sobre la ligereza de los radiadores de plumas de placa

En medio de una competencia de mercado cada vez más intensa, los márgenes de beneficio de los radiadores de aletas planas están disminuyendo. Algunos tipos de radiadores convencionales incluso se cotizan según el peso. Para mejorar la rentabilidad, las empresas están empleando todos los métodos posibles para reducir el peso del producto como medio de reducción de costos. El núcleo de un radiador es su estructura central, como se muestra en la Figura 1, que representa hasta el 80% del peso total. Por lo tanto, la reducción de peso del núcleo se convierte en una parte crucial del proceso de diseño para aligerar. ¿Cómo, entonces, se puede hacer más ligero el núcleo?

                                           Figura 1: Diagrama de la estructura del radiador

El núcleo, que sirve como corazón del intercambiador de calor, está compuesto por aletas, láminas revestidas y barras de sellado. Una unidad básica se forma colocando una aleta sobre una lámina revestida, cubriéndola con otra lámina revestida y sellando los lados con barras de sellado, como se ilustra en la Figura 2. El núcleo de un intercambiador de calor de aletas planas se ensambla a partir de muchas de estas unidades básicas. Basándose en esta estructura central, lograr la reducción de peso requiere el diseño ligero de sus componentes constituyentes: barras de sellado, placas separadoras y aletas.

                                         Figura 2: Unidad básica de la estructura del núcleo

Las barras de sellado se encuentran a ambos lados de cada conducto de flujo en un intercambiador de calor de aletas planas. Vienen en varias formas estructurales, con anchos comunes que van de 6 a 10 mm. Un ancho menor resulta en un menor peso, pero también puede afectar la tasa de éxito de la soldadura. Actualmente, se utilizan comúnmente barras de sellado huecas para reducir el peso manteniendo un área de soldadura adecuada.

Las láminas revestidas son las placas metálicas planas situadas entre dos capas de aletas, también conocidas como láminas revestidas de doble cara. Consisten en una aleación base (típicamente aleación de aluminio-manganeso) recubierta por uno o ambos lados con una aleación de aporte para soldadura fuerte. Durante el proceso de soldadura fuerte, esta aleación de aporte se derrite, uniendo las aletas y las placas planas en un todo integrado. La aleación de aporte es generalmente una aleación de aluminio-silicio que contiene 5~12% de silicio, con un punto de fusión típicamente unos 40°C más bajo que el del material base. Actualmente, el grosor de las láminas revestidas se ha reducido de 0.8 mm a 0.5 mm. Una mayor reducción está limitada por los requisitos de resistencia a la presión y las capacidades de proceso actuales. En aplicaciones exigentes como la aeroespacial y la economía de baja altitud, el grosor de las láminas revestidas se ha reducido a 0.45 mm o incluso 0.4 mm, aunque esto impone demandas extremadamente altas en el proceso de soldadura fuerte.

Las aletas son el elemento más fundamental de un intercambiador de calor de aletas planas, principalmente responsables de la transferencia de calor. Típicamente se fabrican mediante métodos de estampado o conformado por rodillos. En la producción, las aletas con alturas más bajas y pasos más grandes generalmente se producen por conformado por rodillos (utilizando una máquina de conformado por rodillos), mientras que las aletas con alturas mayores y pasos más pequeños se producen típicamente por estampado (utilizando una máquina corrugadora). El estampado ofrece una menor eficiencia de producción en comparación con la mayor eficiencia del conformado por rodillos. Los espesores comunes de lámina de aluminio utilizados son 0.15 mm, 0.17 mm y 0.2 mm.

Actualmente, los radiadores han logrado en gran medida una construcción totalmente de aluminio. La lámina de aluminio utilizada para las aletas se está volviendo progresivamente más delgada, con un grosor predominante de 0.17 mm en la actualidad, a veces alcanzando 0.15 mm. En ensamblajes de núcleo más pequeños, el grosor de la lámina puede incluso reducirse a 0.12 mm. A medida que disminuye el grosor de la lámina de las aletas, su resistencia a la deformación se debilita. La soldadura fuerte al vacío implica temperaturas muy cercanas al punto de fusión del material, lo que hace que el material sea propenso a ablandarse y deformarse. El colapso del núcleo y la deformación que conducen a desechos pueden ocurrir durante el proceso de soldadura fuerte a alta temperatura, que es una causa importante de ablandamiento de las aletas. Basándose en las capacidades actuales de soldadura fuerte al vacío, el grosor estándar de la industria es de 0.17 mm, y se pueden lograr 0.15 mm para núcleos más pequeños. Se están realizando esfuerzos experimentales para reducir aún más el grosor de las aletas a 0.12 mm, pero esto se aplica actualmente solo en aplicaciones aeroespaciales críticas en peso y aún no ha visto una adopción industrial generalizada.

Los procesos de fabricación avanzados son cruciales para permitir diseños ligeros.

Tecnología de soldadura fuerte al vacío: Este es un proceso clave para la fabricación de radiadores de aletas planas de aluminio. Permite la unión metalúrgica entre las aletas y las placas separadoras en un entorno de vacío sin necesidad de fundente, lo que resulta en una estructura integrada fuerte, limpia y sin fugas.

Soldadura fuerte continua Noclock: Se está explorando el cambio de la soldadura fuerte al vacío a la soldadura fuerte continua Noclock como medio para reducir costos.

La selección de diferentes tipos de aletas (como lisas, dentadas u onduladas) permite equilibrar la disipación de calor, la velocidad del flujo y la caída de presión. Por ejemplo, las aletas dentadas mejoran la transferencia de calor al interrumpir la capa límite térmica. Algunos radiadores ultradelgados totalmente de aluminio líderes en la industria emplean estructuras patentadas que promueven la turbulencia en tubos planos y configuraciones de aletas densificadas para mejorar el rendimiento del intercambio de calor.

El desarrollo tecnológico continúa centrándose en una mayor reducción de peso. Por ejemplo, algunas patentes proponen el diseño de ranuras en forma de V y protuberancias en barras de sellado cortas para reducir el peso de la pieza manteniendo la resistencia, promoviendo así el aligeramiento del radiador.