Independientemente de cómo se convierta el metal en bruto en un tubo o tubería, el proceso de fabricación deja una cantidad significativa de material residual en la superficie.Formar y soldar en un laminador, estirar en una mesa de dibujo o usar un apilador o extrusor seguido de un proceso de corte a medida puede hacer que la tubería o la superficie de la tubería se recubra con grasa y se obstruya con desechos.Los contaminantes comunes que deben eliminarse de las superficies internas y externas incluyen lubricantes a base de aceite y agua provenientes del trefilado y corte, desechos metálicos de las operaciones de corte y polvo y desechos de fábrica.
Los métodos típicos para limpiar tuberías interiores y conductos de aire, ya sea con soluciones acuosas o solventes, son similares a los utilizados para limpiar superficies exteriores.Estos incluyen lavado, obstrucción y cavitación ultrasónica.Todos estos métodos son eficaces y se han utilizado durante décadas.
Por supuesto, cada proceso tiene limitaciones y estos métodos de limpieza no son una excepción.El lavado generalmente requiere un colector manual y pierde su efectividad a medida que la velocidad del fluido de lavado disminuye a medida que el fluido se acerca a la superficie de la tubería (efecto de capa límite) (consulte la Figura 1).El empaquetamiento funciona bien, pero es muy laborioso y poco práctico para diámetros muy pequeños como los utilizados en aplicaciones médicas (tubos subcutáneos o luminales).La energía ultrasónica es eficaz para limpiar superficies externas, pero no puede penetrar superficies duras y tiene dificultades para llegar al interior de la tubería, especialmente cuando el producto está agrupado.Otra desventaja es que la energía ultrasónica puede dañar la superficie.Las burbujas sonoras se eliminan por cavitación, liberando una gran cantidad de energía cerca de la superficie.
Una alternativa a estos procesos es la nucleación cíclica al vacío (VCN), que hace que las burbujas de gas crezcan y colapsen para mover el líquido.Básicamente, a diferencia del proceso ultrasónico, no existe riesgo de dañar las superficies metálicas.
VCN utiliza burbujas de aire para agitar y eliminar el líquido del interior de la tubería.Este es un proceso de inmersión que opera al vacío y se puede usar con fluidos tanto a base de agua como de solvente.
Funciona según el mismo principio que se forman burbujas cuando el agua comienza a hervir en una olla.Las primeras burbujas se forman en determinados lugares, especialmente en macetas muy usadas.Una inspección cuidadosa de estas áreas a menudo revela asperezas u otras imperfecciones superficiales en estas áreas.Es en estas zonas donde la superficie de la sartén está en mayor contacto con un volumen determinado de líquido.Además, dado que estas áreas no están sujetas al enfriamiento convectivo natural, se pueden formar fácilmente burbujas de aire.
En la transferencia de calor por ebullición, el calor se transfiere a un líquido para elevar su temperatura hasta su punto de ebullición.Cuando se alcanza el punto de ebullición, la temperatura deja de subir;agregar más calor produce vapor, inicialmente en forma de burbujas de vapor.Cuando se calienta rápidamente, todo el líquido de la superficie se convierte en vapor, lo que se conoce como ebullición de película.
Esto es lo que sucede cuando hierve una olla con agua: primero, se forman burbujas de aire en ciertos puntos de la superficie de la olla y luego, a medida que el agua se agita y revuelve, el agua se evapora rápidamente de la superficie.Cerca de la superficie es un vapor invisible;cuando el vapor se enfría por el contacto con el aire circundante, se condensa en vapor de agua, que es claramente visible a medida que se forma sobre la olla.
Todo el mundo sabe que esto sucederá a 212 grados Fahrenheit (100 grados Celsius), pero eso no es todo.Esto sucede a esta temperatura y presión atmosférica estándar, que es de 14,7 libras por pulgada cuadrada (PSI [1 bar]).En otras palabras, en un día en que la presión del aire al nivel del mar es de 14,7 psi, el punto de ebullición del agua al nivel del mar es de 212 grados Fahrenheit;el mismo día en las montañas a 5.000 pies de esta región, la presión atmosférica es de 12,2 libras por pulgada cuadrada, donde el agua tendría un punto de ebullición de 203 grados Fahrenheit.
En lugar de elevar la temperatura del líquido hasta su punto de ebullición, el proceso VCN reduce la presión en la cámara hasta el punto de ebullición del líquido a temperatura ambiente.De manera similar a la transferencia de calor en ebullición, cuando la presión alcanza el punto de ebullición, la temperatura y la presión permanecen constantes.Esta presión se llama presión de vapor.Cuando la superficie interior del tubo o tubería se llena de vapor, la superficie exterior repone el vapor necesario para mantener la presión de vapor en la cámara.
Aunque la transferencia de calor por ebullición ejemplifica el principio de VCN, el proceso VCN funciona de manera inversa a la ebullición.
Proceso de limpieza selectiva.La generación de burbujas es un proceso selectivo destinado a despejar determinadas zonas.Eliminar todo el aire reduce la presión atmosférica a 0 psi, que es la presión de vapor, lo que provoca que se forme vapor en la superficie.Las burbujas de aire en crecimiento desplazan el líquido de la superficie del tubo o boquilla.Cuando se libera el vacío, la cámara vuelve a la presión atmosférica y se purga, llenando el tubo con líquido fresco para el siguiente ciclo de vacío.Los ciclos de vacío/presión generalmente se configuran entre 1 y 3 segundos y se pueden configurar en cualquier número de ciclos dependiendo del tamaño y la contaminación de la pieza de trabajo.
La ventaja de este proceso es que limpia la superficie de la tubería empezando por la zona contaminada.A medida que el vapor crece, el líquido es empujado hacia la superficie del tubo y se acelera, creando una fuerte ondulación en las paredes del tubo.La mayor excitación se produce en las paredes, donde crece el vapor.Básicamente, este proceso rompe la capa límite, manteniendo el líquido cerca de la superficie de alto potencial químico.En la fig.2 muestra dos pasos del proceso usando una solución tensioactiva acuosa al 0,1%.
Para que se forme vapor, se deben formar burbujas sobre una superficie sólida.Esto significa que el proceso de limpieza va de la superficie al líquido.Igualmente importante es el hecho de que la nucleación de las burbujas comienza con pequeñas burbujas que se fusionan en la superficie y eventualmente forman burbujas estables.Por lo tanto, la nucleación favorece las regiones con una gran superficie sobre el volumen de líquido, como tuberías y diámetros interiores de tuberías.
Debido a la curvatura cóncava de la tubería, es más probable que se forme vapor dentro de la tubería.Debido a que las burbujas de aire se forman fácilmente en el diámetro interior, el vapor se forma allí primero y con la suficiente rapidez como para desplazar normalmente entre el 70% y el 80% del líquido.El líquido en la superficie en el pico de la fase de vacío es casi 100% vapor, lo que imita la ebullición de película en la transferencia de calor en ebullición.
El proceso de nucleación es aplicable a productos rectos, curvos o torcidos de casi cualquier longitud o configuración.
Encuentre ahorros ocultos.Los sistemas de agua que utilizan VCN pueden reducir significativamente los costos.Debido a que el proceso mantiene altas concentraciones de químicos debido a una mezcla más fuerte cerca de la superficie del tubo (ver Figura 1), no se requieren altas concentraciones de químicos para facilitar la difusión química.Un procesamiento y una limpieza más rápidos también dan como resultado una mayor productividad para una máquina determinada, lo que aumenta el costo del equipo.
Finalmente, tanto los procesos VCN a base de agua como los de base solvente pueden aumentar la productividad mediante el secado al vacío.Esto no requiere ningún equipo adicional, es sólo parte del proceso.
Debido al diseño de cámara cerrada y la flexibilidad térmica, el sistema VCN se puede configurar de diversas formas.
El proceso de nucleación por ciclo de vacío se utiliza para limpiar componentes tubulares de diversos tamaños y aplicaciones, como dispositivos médicos de pequeño diámetro (izquierda) y guías de ondas de radio de gran diámetro (derecha).
Para sistemas a base de solventes, se pueden usar otros métodos de limpieza, como vapor y rociador, además de VCN.En algunas aplicaciones únicas, se puede agregar un sistema de ultrasonido para mejorar la VCN.Cuando se utilizan solventes, el proceso VCN está respaldado por un proceso de vacío a vacío (o sin aire), patentado por primera vez en 1991. El proceso limita las emisiones y el uso de solventes al 97 % o más.El proceso ha sido reconocido por la Agencia de Protección Ambiental y el Distrito de Gestión de la Calidad del Aire de la Costa Sur de California por su eficacia para limitar la exposición y el uso.
Los sistemas de disolventes que utilizan VCN son rentables porque cada sistema es capaz de realizar destilación al vacío, maximizando la recuperación de disolventes.Esto reduce las compras de disolventes y la eliminación de residuos.Este proceso en sí prolonga la vida del disolvente;la velocidad de descomposición del disolvente disminuye a medida que disminuye la temperatura de funcionamiento.
Estos sistemas son adecuados para tratamientos posteriores como pasivación con soluciones ácidas o esterilización con peróxido de hidrógeno u otros productos químicos si es necesario.La actividad superficial del proceso VCN hace que estos tratamientos sean rápidos y rentables, y pueden combinarse en el mismo diseño de equipo.
Hasta la fecha, las máquinas VCN han estado procesando tubos de hasta 0,25 mm de diámetro y tubos con relaciones de diámetro a espesor de pared superiores a 1000:1 en el campo.En estudios de laboratorio, VCN fue eficaz para eliminar bobinas contaminantes internas de hasta 1 metro de largo y 0,08 mm de diámetro;en la práctica, pudo limpiar agujeros pasantes de hasta 0,15 mm de diámetro.
Dr. Donald Gray is President of Vacuum Processing Systems and JP Schuttert oversees sales, PO Box 822, East Greenwich, RI 02818, 401-397-8578, contact@vacuumprocessingsystems.com.
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Hora de publicación: 13 de enero de 2023