Présentation – Ensemble de tubes de refroidisseur d'air comme noyau de transfert de chaleur
Un faisceau de tubes de refroidisseur d'air est l'ensemble central de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur refroidi par air (ACHE). Il est constitué de rangées de tubes nus ou à ailettes, fixés à chaque extrémité par des plaques tubulaires, et reliés à des boîtiers collecteurs d'entrée et de sortie. Le faisceau est installé dans une baie structurelle, où des ventilateurs axiaux ou centrifuges forcent ou aspirent l'air ambiant à travers la surface externe du tube pour refroidir le fluide de traitement circulant à l'intérieur des tubes.
Ce produit est conçu et fabriqué conformément à la norme API 661 (échangeurs de chaleur refroidis par air pour le service général de raffinerie), ISO 13706 et TEMA classe R ou B, le cas échéant. Il est fourni sous forme d'ensemble de remplacement, d'ensemble de rechange ou d'assemblage complet pour une nouvelle baie ACHE.
Types de refroidisseurs d'air - Orientation du faisceau et configuration du ventilateur
Le faisceau de tubes est le même ensemble central pour tous les types ACHE ; l'orientation, la structure de support et la direction du flux d'air varient selon la configuration.
Tirage forcé
Ventilateurs situés sous le faisceau, poussant l'air vers le haut à travers les rangées de tubes
La distribution de l'air est uniforme grâce au plénum de ventilation situé en dessous
Les composants du ventilateur et de l'entraînement sont accessibles au niveau du sol ou de la plate-forme
Orientation du paquet : Horizontale
Application typique : Refroidissement général des processus de raffinerie, refroidisseurs intermédiaires pour compresseurs
Tirage induit
Ventilateurs situés au-dessus du faisceau, tirant l'air vers le haut à travers les rangées de tubes
La chambre de répartition au-dessus du faisceau assure une aspiration uniforme
Les composants du ventilateur et du variateur nécessitent une plate-forme d'accès surélevée
Orientation du paquet : Horizontale
Application typique : condenseurs de vapeur, services à haute température, grandes unités de raffinage
Avantage : meilleure répartition de l'air, moins de recirculation, faisceau protégé des précipitations
Cadre en A
Deux faisceaux de tubes plats disposés en forme de V inversé (sommet en haut)
Ventilateurs situés sous le sommet, soufflant de l'air vers le haut à travers les deux faisceaux inclinés
Orientation du paquet : incliné, généralement de 30 ° à 60 ° par rapport à l'horizontale
Application typique : Condenseurs de vapeur refroidis par air (ACC) dans les centrales électriques
Avantage : réduit la superficie du terrain pour les grandes baies ; les condensats s'écoulent par gravité le long de tubes inclinés
Cadre en V
Deux faisceaux de tubes plats disposés en forme de V (sommet en bas)
Ventilateurs situés au-dessus du sommet, tirant l'air vers le haut à travers les deux faisceaux inclinés
Orientation du paquet : incliné, généralement de 30 ° à 60 ° par rapport à l'horizontale
Application typique : Condenseurs de vapeur où le tirage induit est préféré pour la protection contre le gel
Avantage : réduction de l'empreinte similaire à celle du cadre en A ; les condensats s'écoulent vers un collecteur inférieur
Paquet unique horizontal
Faisceau de tubes plats unique installé horizontalement
Ventilateurs en dessous (tirage forcé) ou au dessus (tirage induit)
Orientation du faisceau : horizontale, inclinaison 0°
Application typique : refroidissement de processus général, refroidissement de gaz, condensation d'hydrocarbures
Avantage : Construction la plus simple ; Accès au remplacement et à la maintenance du bundle le plus simple
Construction du bundle – Composants de base
Tubes
| Paramètre | Gamme | Note |
|---|---|---|
| Diamètre extérieur du tube (base) | 15,88 mm – 50,8 mm | Un diamètre extérieur plus petit pour une pression plus élevée ; diamètre extérieur plus grand pour le service d'encrassement |
| Épaisseur de paroi du tube | 1,2 mm – 5,0 mm | Sans soudure ou soudé |
| Longueur du tube (entre les plaques tubulaires) | 2,0 m – 12,0 m | Selon la norme API 661 |
| Pas transversal du tube | 1,5 × – 2,5 × diamètre extérieur du tube | Dans le sens du flux d’air |
| Pas de tube longitudinal | 1,5 × – 2,5 × diamètre extérieur du tube | Dans le sens du flux d'air |
| Disposition des tubes | En quinconce (triangulaire) ou en ligne (carré) | L'échelonnement permet un transfert de chaleur plus élevé côté air ; en ligne permet un nettoyage plus facile |
Feuilles tubulaires
| Paramètre | Plage / Valeur | Note |
|---|---|---|
| Épaisseur | 15mm – 80mm | Selon ASME VIII-1 / TEMA RCB-4.3 |
| Tolérance du diamètre du trou | H11 selon ISO 286 | Exemple : Ø25,2 mm +0,13/0 |
| Finition du trou | Ra ≤ 1,6 μm (expansé) / Ra ≤ 3,2 μm (soudé) | Finition plus fine requise pour l'expansion |
| Matériel | CS / SS / Plaqué | Adapté à la corrosivité et à la pression du fluide côté tube |
| Rétention du tube | Développé / Soudé / Combiné | Sélection du type de joint |
Boîtes de collecteur (collecteurs d'entrée/sortie)
| Type d'en-tête | Accès aux tubes | Capacité de pression | Service typique |
|---|---|---|---|
| Embase (filetée) | Retrait limité et individuel du bouchon | Jusqu'à 2,0 MPa | Service de nettoyage basse pression |
| Embase (boulonnée) | Retrait facile et boulonné du bouchon | Jusqu'à 5,0 MPa | Service à moyenne pression légèrement encrassant |
| En-tête de plaque de recouvrement | Accès complet, couvercle entièrement retiré | Jusqu'à 5,0 MPa | Service d’encrassement nécessitant un nettoyage mécanique |
| Collecteur de tuyaux | Aucun accès au tube, construction soudée | Jusqu'à 10,0 MPa | Gaz ou liquide à haute pression, aucun nettoyage requis |
Construction du boîtier collecteur :
Section rectangulaire ou ronde
Connexions à brides selon ASME B16.5 ou B16.47
Cloisons de passage pour passages simples, deux ou quatre côté tube
Raccordements de vidange et d'aération aux points bas et hauts
Cadres latéraux et oreilles de levage
Cadre structurel : Canal en acier ou poutre en I
Anneaux de levage : soudés aux cadres latéraux ou aux plaques tubulaires, évalués à 2 fois le poids du paquet
Points de support situés pour minimiser l'affaissement du tube et maintenir la planéité à ± 3 mm sur la longueur du faisceau
Types d'ailerons – Sélection par température et environnement
| Type d'aileron | Méthode de pièce jointe | Température de fonctionnement maximale | Matériau des ailerons | Application typique |
|---|---|---|---|---|
| Pied L (plaie de tension) | Pied en forme de L enroulé sous tension | ≤ 150°C | Aluminium 1100 | Refroidissement des gaz à basse température, refroidisseurs intermédiaires |
| Pied KL (moleté L) | Surface du tube moletée avec pied verrouillé mécaniquement | ≤ 320°C | Aluminium 1100 | Gaz de procédé à moyenne température, post-refroidisseurs |
| Pied LL (L superposé) | Le pied superposé recouvre entièrement le diamètre extérieur du tube | ≤ 177°C | Aluminium 1100, Cuivre C1100 | Ambiance côtière et marine |
| Extrudé (bimétallique) | Manchon extérieur en aluminium extrudé en ailettes | ≤ 230°C | Aluminium 1100 (extérieur) | Environnements offshore, marins et à forte corrosion |
| Soudé à haute fréquence | Bande d'ailettes soudée par résistance au tube | ≤ 450°C | Acier au carbone, acier inoxydable | Refroidissement des gaz à haute température, récupération de chaleur résiduelle |
| Nu (pas de nageoire) | Sans objet | Jusqu'à 600°C | Comme matériau de tube | Gaz propre à haute température, vapeur, faible encrassement |
Géométrie des ailerons (typique)
| Paramètre | Pied L / KL / LL | Extrudé | Soudé à haute fréquence |
|---|---|---|---|
| Hauteur des ailerons | 8mm – 16mm | 8mm – 16mm | 8mm – 19mm |
| Pas des ailerons (FPI) | 7 – 11,5 | 7 – 11 | 2 – 7 |
| Épaisseur des ailettes | 0,25 mm – 0,5 mm | Intégral | 0,8 mm – 3,2 mm |
| Rapport surface (étendue / nue) | 10 – 23 | 10 – 20 | 6 – 15 |
Résistance de liaison des ailerons
Pour les types d'ailettes enroulées sous tension (pied L, pied KL, pied LL), la liaison mécanique entre l'ailette et le tube introduit une résistance de contact thermique :
Pour des températures côté tube supérieures à 120 °C, une valeur de conductance de liaison de 2 000 à 5 000 W/m²·K est généralement appliquée aux nouveaux faisceaux.
Les faisceaux en service peuvent avoir une conductance de liaison réduite en raison du cycle thermique. Une surface supplémentaire de 3 à 30 % est souvent incluse dans la conception en fonction de la température de fonctionnement et du type de liaison.
Les ailettes extrudées et soudées à haute fréquence n'ont aucune résistance de liaison, car l'ailette est intégrale ou liée métallurgiquement.
Paramètres thermiques et hydrauliques côté air
| Paramètre | Gamme typique | Note |
|---|---|---|
| Vitesse de l'air (approche) | 1,5 à 4,0 m/s | Sélectionné en fonction de la puissance du ventilateur et des limites de bruit |
| Vitesse de la masse d'air (à travers le faisceau) | 2 – 6 kg/m²·s | Basé sur la zone libre entre les tubes et les ailettes |
| HTC convectif côté air (équivalent tube nu) | 30 – 120 W/m²·K | Dépend de la géométrie des ailettes, de la vitesse et du matériau |
| Efficacité des ailerons | 40% – 90% | Calculé selon les méthodes standard |
| HTC global (air-tube, référence zone nue) | 15 – 60 W/m²·K | Typique pour les faisceaux à ailettes ACHE |
| Chute de pression côté air (à travers le faisceau) | 100 – 300 Pa | Selon la limite de conception API 661 |
| Température ambiante de conception | -40°C à +55°C | Basé sur les données météorologiques du site |
| Surface du visage du paquet par unité | 10 – 200 m² | Baie unique ; les tâches plus importantes utilisent plusieurs baies |
Sélection des matériaux – Tubes, plaques tubulaires et collecteurs
Matériaux des tubes
| Matériel | Spécification | Plage de température | Limite de chlorure | Application |
|---|---|---|---|---|
| Acier au carbone | SA-179 / SA-106 Gr.B | -20°C à +425°C | Sans objet | Eau, huile, hydrocarbures propres, vapeur |
| Inox 304L / 316L | ASTMA213 | -196°C à +600°C | ≤ 200 ppm | Fluides corrosifs, vapeur propre, alimentaire et pharmaceutique |
| Duplex 2205 | ASTMA789 | -40°C à +280°C | ≤ 300 ppm à 80°C | Hydrocarbures contenant des chlorures, offshore |
| Titane Gr.2 | ASTMB338 | -40°C à +230°C | Jusqu'à 20 000 ppm | Eau de mer, saumure, refroidissement à haute teneur en chlorure |
| Cuivre-nickel C70600 | ASTM B111 | -40°C à +200°C | < 500 ppm | Refroidissement marin, eau saumâtre |
Matériaux des plaques tubulaires et des collecteurs
Acier au carbone SA-516 Gr.70 pour service côté tube non corrosif
Revêtement en acier inoxydable sur acier au carbone pour service corrosif à haute pression ; épaisseur du revêtement minimum 3 mm selon ASME VIII-1 UW-13
Acier inoxydable massif 304L / 316L pour un service entièrement corrosif
Duplex solide ou titane pour service sévère au chlorure ou service offshore
Le matériau du boîtier collecteur est généralement adapté au matériau de la plaque tubulaire pour éviter la corrosion galvanique au niveau des joints boulonnés ou soudés. Pour les collecteurs en acier au carbone en service corrosif, un revêtement interne (époxy ou phénolique) est appliqué conformément à la norme API 661.
Processus de fabrication – Contrôles clés
Forage de tôles tubulaires
Taille du foret contrôlée selon la tolérance H11 selon la norme ISO 286
Finition du trou : Ra ≤ 1,6 μm pour joints expansés ; Ra ≤ 3,2 μm pour les joints soudés
Déviation ligamentaire ≤ ±0,2 mm par rapport au dessin
Tous les trous sont ébavurés et nettoyés avant l'insertion du tube
Expansion des tubes
Pression d'expansion hydraulique : 160 – 220 MPa ; temps de maintien 5 à 8 secondes
Profondeur d'expansion : minimum 1,5 × diamètre extérieur du tube ou 2 × épaisseur de paroi du tube dans la plaque tubulaire
Contrôle de jauge après expansion : 100 % des tubes acceptent une bille de jauge 0,5 mm plus petite que le diamètre intérieur du tube
Vérification de la résistance à l'arrachement : essai premier article par faisceau, cible ≥ 20 MPa pour l'acier au carbone et ≥ 25 MPa pour l'acier inoxydable
Soudage tube à plaque tubulaire (si spécifié)
Procédé GTAW (TIG), automatique ou manuel
Hauteur de jambe de congé 1,5 – 2,0 mm pour soudure d'étanchéité
Pénétration totale de la racine de soudure ≥ 0,5 mm dans la paroi du tube
Test de ressuage 100 % selon ASME VIII-1 UW-51
Procédure de soudage qualifiée selon ASME Section IX
Fabrication de boîtes d'en-tête
Construction en acier soudé avec raccords à brides ASME B16.5 ou B16.47
Dimensions du collecteur adaptées au modèle de trou de la plaque tubulaire
Cloisons de passage soudées à l'intérieur du linteau, matériau et procédure de soudage adaptés au matériau du linteau
Raccordements de vidange et d'aération : raccords filetés NPT ou à souder
Assemblage et levage de paquets
Tubes insérés et expansés ou soudés dans des plaques tubulaires
Déflecteurs ou supports de tubes installés à un espacement spécifié
Cadres latéraux et anneaux de levage fixés
Test de levage effectué à 1,1 × poids du paquet si spécifié
Inspection et tests par paquet
Contrôle dimensionnel
| Article | Tolérance | Méthode |
|---|---|---|
| Diamètre extérieur du tube | ±0,11 mm | Micromètre (échantillon) |
| Hauteur des ailerons | ±0,5mm | Pied à coulisse ou gabarit |
| Pas d'aileron | ±0,2 mm par 100 mm de longueur | Gabarit ou optique |
| Longueur totale du paquet | ±1,5 mm | Ruban à mesurer ou laser |
| Modèle de trou de la plaque tubulaire | Par dessin | MMT ou comparateur optique |
| Orientation de la bride de collecteur | Selon ASME B16.5 | Gabarit ou rapporteur |
Contrôle non destructif
| Examen | Méthode | Portée | Acceptation |
|---|---|---|---|
| Soudures tube-plaque tubulaire | PT (ressuage) | 100% si soudé | Pas de fissures, porosité ≤ 0,8 mm |
| Soudures à ailettes (soudées à haute fréquence) | Visuel et PT (échantillon) | 100% visuel ; 5% TP | Pas de fissures, pas d'ailerons desserrés |
| Soudures de collecteur | RT ou UT | Selon ASME VIII-1 UW-51 ou UW-52 | Par code |
| État interne du tube | Endoscope | 5% de tubes (aléatoire) | Pas de rayures > 0,1 mm, pas de blocages |
Test hydrostatique (côté tube)
Pression d'essai : 1,3 × pression de conception selon ASME VIII-1 UG-99
Milieu d'essai : Eau propre avec inhibiteur de corrosion ; chlorure ≤ 50 ppm pour l'acier inoxydable
Temps de maintien : ≥ 30 minutes
Acceptation : Zéro chute de pression ; aucune fuite visible au niveau des joints de tubes, des collecteurs ou des bouchons
Test de fuite pneumatique (si spécifié)
Pression d'essai : 0,6 MPa d'air ou d'azote
Détection de fuite : Application de bulles de savon sur tous les joints et soudures
Acceptation : Pas de bulles ; taux de fuite ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Profils d'application – Par type de service
Refroidisseur intermédiaire et refroidisseur secondaire du compresseur
Fluide côté tube : Air comprimé ou gaz naturel
Température côté tube : Entrée 120°C – 180°C, sortie 40°C – 60°C
Pression côté tube : 0,5 – 10,0 MPa
Matériau du tube : acier au carbone pour l'air ; 304L pour le gaz naturel contenant du CO₂ ou de l'eau
Type d'aileron : Pied en L si température côté tube ≤ 150°C ; Pied KL si 150°C – 180°C
Géométrie des ailerons : OD 25,4 mm × paroi de 2,0 mm ; hauteur des ailettes 12,5 mm ; 10 FPI
Rangées de paquets : 4 à 6
Vitesse de l'air : 2,5 – 3,5 m/s
Chute de pression côté air : ≤ 200 Pa
Condenseur aérien de raffinerie
Fluide côté tube : Vapeur d'hydrocarbures avec vapeur
Température côté tube : Entrée 100°C – 150°C condensation, sortie 40°C – 60°C
Pression côté tube : 0,1 – 0,5 MPa
Matériau du tube : Acier au carbone pour un service non corrosif ; 316L pour service acide
Type d'aileron : pied en L ou pied KL pour un service standard ; extrudé avec tube 316L pour service H₂S
Géométrie des ailerons : OD 25,4 mm × 2,0 mm ; hauteur des ailettes 12,5 mm ; 10 FPI
Rangées de paquets : 4
Particularité : faisceau incliné 1:50 vers le collecteur de sortie pour l'évacuation des liquides
Refroidisseur de gaz naturel après déshydratation ou compression
Fluide côté tube : Gaz naturel traité
Température côté tube : Entrée 60°C – 100°C, sortie 30°C – 45°C
Pression côté tube : 4,0 – 10,0 MPa
Matériau du tube : 316L ou Duplex 2205 si des chlorures sont présents
Type d'aileron : Extrudé avec aluminium 1100 extérieur pour la protection contre la corrosion offshore et côtière
Géométrie des ailerons : OD 19,05 mm × 2,0 mm ; hauteur des ailettes 12,5 mm ; 10 FPI
Rangées de paquets : 2 à 3
Vitesse de l'air : 2,0 – 2,5 m/s
Chute de pression côté air : ≤ 150 Pa
Condenseur de vapeur refroidi par air (ACC) pour les centrales électriques
Fluide côté tube : vapeur se condensant en eau sous vide
Température côté tube : Entrée 60°C – 100°C, sortie 35°C – 45°C
Pression côté tube : Vide, 10 – 50 kPa absolu
Matériau du tube : Acier au carbone galvanisé ou enduit ; acier inoxydable si la vapeur contient de l'ammoniaque ou des chlorures
Type d'aileron : soudé à haute fréquence avec liaison métallurgique ; ailettes en acier au carbone galvanisées à chaud
Géométrie du tube : Tubes elliptiques ou ovales plats avec ailettes plates ou ailettes soudées en hélice
Orientation du paquet : cadre en A ou en V, incliné de 60° par rapport à l'horizontale
Débit d'air : Tirage induit
Particularité : faisceaux inclinés de 1:80 vers le collecteur de collecte des condensats ; mise hors gel par traçage vapeur ou chauffage électrique pour un fonctionnement hivernal en dessous de 0°C
Nettoyage et entretien
L’encrassement côté air dû à la poussière, au pollen ou aux dépôts chimiques augmente la chute de pression et réduit le transfert de chaleur. Le nettoyage est recommandé lorsque :
La chute de pression côté air dépasse la chute de pression nominale de 30 %
L'augmentation de la chute de pression côté air atteint 50 Pa au-dessus du début du fonctionnement, selon la première éventualité
Méthodes de nettoyage :
Lavage à l'eau : Pulvérisation basse pression ≤ 1,0 MPa pour les dépôts solubles dans l'eau
Soufflage d'air : Air comprimé ≤ 0,6 MPa pour poussières sèches et libres
Nettoyage chimique : Détergent alcalin ou acide approuvé pour les ailettes en aluminium ; éviter les solutions hautement alcalines
Le nettoyage côté tube n’est pas mécaniquement réalisable dans un faisceau fixe. Un nettoyage chimique ou un raclage en ligne est nécessaire.
Documentation par expédition
Certificats d'essai de matériaux selon EN 10204 3.1 ou 3.2 pour les tubes, les ailettes, les plaques tubulaires, les collecteurs et l'acier de construction
Fiche technique complétée API 661 ou fiche technique ISO 13706
Fiche technique TEMA le cas échéant
Rapport de données du tampon ASME U, le cas échéant
Rapport d'inspection dimensionnelle comprenant la longueur du faisceau, la disposition des trous de la plaque tubulaire, la géométrie des ailettes et le diamètre extérieur du tube
Paramètres du processus de fixation des ailettes, notamment la tension d'enroulement, la pression d'extrusion et le courant de soudage
Rapport d'essai hydrostatique avec enregistrement du graphique de pression
Rapport de test d'étanchéité pneumatique si effectué
Rapports NDE pour PT, UT et RT tels qu'ils sont effectués
Spécifications des procédures de soudage et dossier de qualification des procédures pour les soudures tube-plaque tubulaire et collecteurs
Dessin du faisceau de tubes tel que construit avec nombre de tubes, configuration des passes, dimensions du collecteur et emplacements des oreilles de levage
Spécification de peinture et de revêtement avec rapport de vérification de l'épaisseur
Liste de contrôle de sélection – Ensemble de tubes de refroidisseur d'air
Type ACHE : tirage forcé, tirage induit, cadre en A, cadre en V ou horizontal
Orientation du paquet : horizontale ou inclinée avec angle
Matériau et taille du tube (OD et épaisseur de paroi)
Type d'aileron : Pied en L, KL, LL, extrudé, soudé à haute fréquence ou nu
Matériau et géométrie des ailerons (hauteur, pas ou FPI, épaisseur)
Pression et température de conception côté tube
Composition du fluide côté tube, y compris la corrosivité, les chlorures et H₂S
Chute de pression admissible côté tube
Température d'entrée d'air pour la conception d'été
Vitesse frontale de l'air ou débit d'air total
Chute de pression admissible côté air, généralement 100 à 300 Pa
Type de collecteur : bouchon, plaque de recouvrement ou collecteur de tuyaux
Nombre de passages côté tube : unique, deux ou quatre
Nombre de tubes et disposition par baie existante ou nouvelle
Exigences de protection contre la corrosion, y compris le revêtement, la galvanisation ou les matériaux spéciaux pour les ailettes et les tubes
Protection contre le gel pour le service ACC, y compris le traçage de vapeur, le chauffage électrique ou la recirculation
Contraintes de levage et de transport, y compris poids et dimensions maximaux
Normes applicables : API 661, ISO 13706, TEMA ou spécification client
Déclaration de limitation de conception – Faisceau de tubes de refroidisseur d’air
Le faisceau de tubes du refroidisseur d’air est soumis aux limitations suivantes :
Il est conçu uniquement pour la pression et la température spécifiées côté tube. Un fonctionnement en dehors de ces limites annule la conception.
Les performances côté air dépendent de la température de l’air ambiant et de l’encrassement. La capacité de refroidissement diminue à mesure que la température ambiante augmente.
Le nettoyage côté tube n’est pas mécaniquement réalisable dans un faisceau fixe. Un nettoyage chimique ou un raclage en ligne est requis pour les services d'encrassement.
L’encrassement côté air augmente la chute de pression et réduit le transfert de chaleur. Des programmes de nettoyage réguliers doivent être maintenus.
Pour les services de condensation dans des conditions de gel, une protection contre le gel par inclinaison, drainage et chauffage doit être fournie.
La température maximale de l'extrémité des ailettes ne doit pas dépasser les limites spécifiques au matériau : pied en L ≤ 150°C, extrudé ≤ 230°C, soudé haute fréquence ≤ 450°C.
Pour un service de cyclage thermique supérieur à 500 cycles par an, les types d'ailettes à enroulement sous tension tels que les pieds en L, les pieds KL et les pieds LL ne sont pas recommandés. Utilisez des ailettes extrudées ou soudées à haute fréquence.
Le bundle doit être installé sur une structure de support de niveau. Un désalignement excessif provoque une distorsion de la plaque tubulaire et des fuites des joints.
Pour une pression côté tube supérieure à 10,0 MPa ou un vide extrême, consultez la conception personnalisée du collecteur et de la plaque tubulaire.
