Aperçu – Faisceau de tubes de refroidisseur d'air comme noyau d'échange thermique
Un faisceau de tubes de refroidisseur d'air est l'ensemble du noyau d'échange thermique d'un échangeur de chaleur refroidi par air (ACHE). Il se compose de rangées de tubes lisses ou à ailettes, fixés à chaque extrémité par des plaques tubulaires, et connectés à des boîtes de distribution 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 des tubes pour refroidir le fluide de procédé 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 service général de raffinerie), ISO 13706 et TEMA Classe R ou B le cas échéant. Il est fourni en tant que faisceau de remplacement, faisceau de rechange ou ensemble 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 de noyau pour tous les types d'ACHE ; l'orientation, la structure de support et la direction du flux d'air varient selon la configuration.
Ventilation forcée
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Ventilateurs situés sous le faisceau, poussant l'air vers le haut à travers les rangées de tubes
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Distribution d'air uniforme grâce au plénum du ventilateur en dessous
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Les composants du ventilateur et de l'entraînement sont accessibles au niveau du sol ou de la plateforme
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Orientation du faisceau : Horizontale
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Application typique : Refroidissement de procédé général en raffinerie, interrefroidisseurs de compresseur
Ventilation aspirée
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Ventilateurs situés au-dessus du faisceau, aspirant l'air vers le haut à travers les rangées de tubes
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La chambre de plénum au-dessus du faisceau assure une aspiration uniforme
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Les composants du ventilateur et de l'entraînement nécessitent une plateforme d'accès surélevée
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Orientation du faisceau : Horizontale
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Application typique : Condenseurs à vapeur, services à haute température, grandes unités de raffinerie
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Avantage : Meilleure distribution de l'air, moins de recirculation, faisceau protégé des précipitations
Cadre en A
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Deux faisceaux de tubes plats disposés en forme de V inversé (apex en haut)
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Ventilateurs situés sous l'apex, soufflant l'air vers le haut à travers les deux faisceaux inclinés
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Orientation du faisceau : Incliné, généralement de 30° à 60° par rapport à l'horizontale
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Application typique : Condenseurs à vapeur refroidis par air (ACC) dans les centrales électriques
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Avantage : Réduit l'emprise au sol pour les grandes zones de baie ; les drains de condensat s'écoulent par gravité le long des tubes inclinés
Cadre en V
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Deux faisceaux de tubes plats disposés en forme de V (apex en bas)
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Ventilateurs situés au-dessus de l'apex, aspirant l'air vers le haut à travers les deux faisceaux inclinés
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Orientation du faisceau : Incliné, généralement de 30° à 60° par rapport à l'horizontale
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Application typique : Condenseurs à vapeur où la ventilation aspirée est préférée pour la protection contre le gel
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Avantage : Réduction de l'emprise au sol similaire au cadre en A ; les drains de condensat s'écoulent vers un collecteur inférieur
Faisceau unique horizontal
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Un seul faisceau de tubes plats installé horizontalement
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Ventilateurs en dessous (ventilation forcée) ou au-dessus (ventilation aspirée)
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Orientation du faisceau : Horizontale, inclinaison de 0°
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Application typique : Refroidissement de procédé général, refroidissement de gaz, condensation d'hydrocarbures
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Avantage : Construction la plus simple ; remplacement et accès de maintenance du faisceau les plus faciles
Construction du faisceau – Composants du noyau
Tubes
Plaques tubulaires
Boîtes de distribution (collecteurs d'entrée / sortie)
Construction de la boîte de distribution :
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Section transversale rectangulaire ou ronde
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Connexions à brides conformément à ASME B16.5 ou B16.47
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Cloisons de passage pour un, deux ou quatre passages côté tube
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Connexions de vidange et de purge aux points bas et hauts
Cadres latéraux et élingues de levage
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Cadre structurel : profilé en acier ou poutrelle en I
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Élingues de levage : soudées aux cadres latéraux ou aux plaques tubulaires, capacité nominale de 2 × poids du faisceau
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Points de support situés pour minimiser la flèche des tubes et maintenir la planéité à ±3 mm sur la longueur du faisceau
Types d'ailettes – Sélection par température et environnement
Géométrie des ailettes (typique)
Résistance de liaison des ailettes
Pour les types d'ailettes enroulées sous tension (pied en L, pied KL, pied LL), la liaison mécanique entre l'ailette et le tube introduit une résistance thermique de contact :
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Pour les températures côté tube supérieures à 120°C, une valeur de conductance de liaison de 2 000 – 5 000 W/m²·K est généralement appliquée pour les faisceaux neufs.
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Les faisceaux en service peuvent avoir une conductance de liaison réduite en raison des cycles thermiques. Une surface supplémentaire de 3 % – 30 % est souvent incluse dans la conception en fonction de la température de fonctionnement et du type de liaison.
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Les ailettes extrudées et soudées à haute fréquence n'ont pas de résistance de liaison, car l'ailette est intégrale ou liée métallurgiquement.
Paramètres thermiques et hydrauliques côté air
Sélection des matériaux – Tubes, plaques tubulaires et collecteurs
Matériaux des tubes
Matériaux des plaques tubulaires et des collecteurs
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Acier au carbone SA-516 Gr.70 pour service côté tube non corrosif
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Acier inoxydable plaqué sur acier au carbone pour service corrosif à haute pression ; épaisseur de placage minimum 3 mm selon ASME VIII-1 UW-13
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Acier inoxydable massif 304L / 316L pour service entièrement corrosif
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Acier duplex massif ou titane pour service sévère en chlorure ou duty offshore
Le matériau de la boîte de distribution correspond généralement au matériau de la plaque tubulaire pour éviter la corrosion galvanique aux joints boulonnés ou soudés. Pour les collecteurs en acier au carbone en service corrosif, un revêtement interne (époxy ou phénolique) est appliqué conformément à l'API 661.
Processus de fabrication – Contrôles clés
Perçage des plaques tubulaires
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Taille du foret contrôlée à la tolérance H11 selon ISO 286
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Finition du trou : Ra ≤ 1,6 µm pour les joints dilatés ; Ra ≤ 3,2 µm pour les joints soudés
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Déviation du ligament ≤ ±0,2 mm par rapport au dessin
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Tous les trous sont ébavurés et nettoyés avant l'insertion des tubes
Dilatation des tubes
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Pression de dilatation hydraulique : 160 – 220 MPa ; temps de maintien 5 – 8 secondes
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Profondeur de dilatation : Minimum 1,5 × diamètre extérieur du tube ou 2 × épaisseur de paroi du tube dans la plaque tubulaire
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Contrôle de jauge post-dilatation : 100 % des tubes acceptent une bille de jauge de 0,5 mm plus petite que le diamètre intérieur du tube
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Vérification de la résistance à l'arrachement : Test du premier article par faisceau, cible ≥ 20 MPa pour l'acier au carbone et ≥ 25 MPa pour l'acier inoxydable
Soudage tube-plaque tubulaire (si spécifié)
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Procédé GTAW (TIG), automatique ou manuel
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Hauteur de cordon de soudure d'angle 1,5 – 2,0 mm pour soudure d'étanchéité
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Pénétration de racine de soudure pleine pénétration ≥ 0,5 mm dans la paroi du tube
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Contrôle par ressuage 100 % selon ASME VIII-1 UW-51
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Procédure de soudage qualifiée selon ASME Section IX
Fabrication des boîtes de distribution
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Construction en acier soudé avec connexions à brides ASME B16.5 ou B16.47
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Dimensions des collecteurs adaptées au motif des trous de la plaque tubulaire
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Cloisons de passage soudées à l'intérieur du collecteur, matériau et procédure de soudage adaptés au matériau du collecteur
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Connexions de vidange et de purge : raccords filetés NPT ou à souder à la douille
Assemblage et levage du faisceau
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Tubes insérés et dilatés ou soudés dans les plaques tubulaires
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Chicanes ou supports de tubes installés à l'espacement spécifié
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Cadres latéraux et élingues de levage fixés
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Test de levage effectué à 1,1 × poids du faisceau si spécifié
Inspection et test par faisceau
Inspection dimensionnelle
Contrôle non destructif
Test hydrostatique (côté tube)
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Pression de test : 1,3 × pression de conception selon ASME VIII-1 UG-99
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Milieu de test : Eau propre avec inhibiteur de corrosion ; chlorure ≤ 50 ppm pour l'acier inoxydable
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Temps de maintien : ≥ 30 minutes
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Acceptation : Aucune chute de pression ; aucune fuite visible des joints de tubes, collecteurs ou bouchons
Test d'étanchéité pneumatique (si spécifié)
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Pression de test : 0,6 MPa air ou azote
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Détection de fuite : Application de bulles de savon sur tous les joints et soudures
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Acceptation : Pas de bulles ; taux de fuite ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Profils d'application – Par type de service
Interrefroidisseur et postrefroidisseur de compresseur
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Fluide côté tube : Air comprimé ou gaz naturel
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Température côté tube : Entrée 120°C – 180°C, sortie 40°C – 60°C
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Pression côté tube : 0,5 – 10,0 MPa
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Matériau du tube : Acier au carbone pour l'air ; 304L pour le gaz naturel contenant du CO₂ ou de l'eau
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Type d'ailette : Pied en L si température côté tube ≤ 150°C ; pied KL si 150°C – 180°C
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Géométrie des ailettes : Diamètre extérieur 25,4 mm × paroi 2,0 mm ; hauteur d'ailette 12,5 mm ; 10 FPI
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Rangées de faisceau : 4 – 6
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Vitesse d'approche de l'air : 2,5 – 3,5 m/s
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Perte de charge côté air : ≤ 200 Pa
Condenseur de tête de raffinerie
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Fluide côté tube : Vapeur d'hydrocarbures avec vapeur
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Température côté tube : Entrée 100°C – 150°C condensation, sortie 40°C – 60°C
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Pression côté tube : 0,1 – 0,5 MPa
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Matériau du tube : Acier au carbone pour service non corrosif ; 316L pour service acide
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Type d'ailette : Pied en L ou pied KL pour service standard ; extrudé avec tube 316L pour service H₂S
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Géométrie des ailettes : Diamètre extérieur 25,4 mm × 2,0 mm ; hauteur d'ailette 12,5 mm ; 10 FPI
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Rangées de faisceau : 4
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Caractéristique spéciale : Faisceau incliné 1:50 vers le collecteur de sortie pour le drainage du liquide
Refroidisseur de gaz naturel après déshydratation ou compression
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Fluide côté tube : Gaz naturel traité
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Température côté tube : Entrée 60°C – 100°C, sortie 30°C – 45°C
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Pression côté tube : 4,0 – 10,0 MPa
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Matériau du tube : 316L ou Duplex 2205 si des chlorures sont présents
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Type d'ailette : Extrudé avec manchon extérieur en aluminium 1100 pour protection contre la corrosion offshore et côtière
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Géométrie des ailettes : Diamètre extérieur 19,05 mm × 2,0 mm ; hauteur d'ailette 12,5 mm ; 10 FPI
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Rangées de faisceau : 2 – 3
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Vitesse d'approche de l'air : 2,0 – 2,5 m/s
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Perte de charge côté air : ≤ 150 Pa
Condenseur à vapeur refroidi par air (ACC) pour centrales électriques
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Fluide côté tube : Vapeur se condensant en eau sous vide
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Température côté tube : Entrée 60°C – 100°C, sortie 35°C – 45°C
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Pression côté tube : Vide, 10 – 50 kPa absolu
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Matériau du tube : Acier au carbone galvanisé ou revêtu ; acier inoxydable si la vapeur contient de l'ammoniac ou des chlorures
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Type d'ailette : Soudé à haute fréquence avec liaison métallurgique ; ailettes en acier au carbone galvanisées à chaud
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Géométrie du tube : Tubes elliptiques ou ovales plats avec ailettes plates ou ailettes soudées hélicoïdalement
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Orientation du faisceau : Cadre en A ou cadre en V, incliné à 60° par rapport à l'horizontale
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Flux d'air : Ventilation aspirée
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Caractéristique spéciale : Faisceaux inclinés 1:80 vers le collecteur de collecte de condensat ; protection contre le gel par traçage à la vapeur ou chauffage électrique pour fonctionnement hivernal en dessous de 0°C
Nettoyage et maintenance
L'encrassement côté air dû à la poussière, au pollen ou aux dépôts chimiques augmente la perte de charge et réduit le transfert de chaleur. Le nettoyage est recommandé lorsque :
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La perte de charge côté air dépasse la perte de charge de conception de 30 %
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L'augmentation de la perte de charge côté air atteint 50 Pa au-dessus du début de fonctionnement, le premier des deux événements survenant
Méthodes de nettoyage :
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Lavage à l'eau : Pulvérisation à basse pression ≤ 1,0 MPa pour les dépôts solubles dans l'eau
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Soufflage d'air : Air comprimé ≤ 0,6 MPa pour la poussière sèche et meuble
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Nettoyage chimique : Détergent à base d'alcali ou d'acide approuvé pour les ailettes en aluminium ; éviter les solutions fortement alcalines
Le nettoyage côté tube n'est pas mécaniquement réalisable dans un faisceau fixe. Un nettoyage chimique ou un passage de racleur en ligne est requis.
Documentation par expédition
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Certificats de contrôle des matériaux selon EN 10204 3.1 ou 3.2 pour les tubes, ailettes, plaques tubulaires, collecteurs et acier de structure
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Fiche technique API 661 complétée ou fiche technique ISO 13706
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Fiche technique TEMA le cas échéant
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Rapport de données ASME U-stamp le cas échéant
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Rapport d'inspection dimensionnelle incluant la longueur du faisceau, la disposition des trous de la plaque tubulaire, la géométrie des ailettes et le diamètre extérieur du tube
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Paramètres du processus de fixation des ailettes incluant la tension d'enroulement, la pression d'extrusion et le courant de soudage
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Rapport de test hydrostatique avec enregistrement du graphique de pression
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Rapport de test d'étanchéité pneumatique si effectué
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Rapports CND pour PT, UT et RT tels qu'effectués
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Spécification de procédure de soudage et enregistrement de qualification de procédure pour les soudures tube-plaque tubulaire et collecteur
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Dessin du faisceau de tubes tel que construit avec le nombre de tubes, la configuration des passages, les dimensions des collecteurs et les emplacements des élingues de levage
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Spécification de peinture et de revêtement avec rapport de vérification d'épaisseur
Liste de sélection – Faisceau de tubes de refroidisseur d'air
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Type d'ACHE : Ventilation forcée, ventilation aspirée, cadre en A, cadre en V ou horizontal
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Orientation du faisceau : Horizontale ou inclinée avec angle
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Matériau et taille du tube (diamètre extérieur et épaisseur de paroi)
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Type d'ailette : Pied en L, KL, LL, extrudé, soudé à haute fréquence ou lisse
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Matériau et géométrie des ailettes (hauteur, pas ou FPI, épaisseur)
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Pression et température de conception côté tube
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Composition du fluide côté tube incluant corrosivité, chlorures et H₂S
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Perte de charge admissible côté tube
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Température d'entrée d'air pour la conception d'été
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Vitesse d'approche de l'air ou débit d'air total
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Perte de charge admissible côté air, généralement 100 – 300 Pa
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Type de collecteur : à bouchons, à plaque de recouvrement ou collecteur tubulaire
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Nombre de passages côté tube : Un, deux ou quatre
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Nombre de tubes et disposition par baie existante ou nouvelle
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Exigences de protection contre la corrosion incluant revêtement, galvanisation ou matériaux spéciaux pour ailettes et tubes
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Protection contre le gel pour service ACC incluant traçage à la vapeur, chauffage électrique ou recirculation
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Contraintes de levage et de transport incluant poids et dimensions maximums
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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 de refroidisseur d'air est soumis aux limitations suivantes :
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Il est conçu uniquement pour la pression et la température côté tube spécifiées. Le fonctionnement en dehors de ces limites annule la conception.
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Les performances côté air dépendent de la température de l'air ambiant et de l'encrassement. La capacité de refroidissement diminue lorsque la température ambiante augmente.
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Le nettoyage côté tube n'est pas mécaniquement réalisable dans un faisceau fixe. Un nettoyage chimique ou un passage de racleur en ligne est requis pour les services encrassants.
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L'encrassement côté air augmente la perte de charge et réduit le transfert de chaleur. Des programmes de nettoyage réguliers doivent être maintenus.
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Pour les services de condensation dans des conditions de gel, une protection contre le gel par inclinaison, drainage et chauffage doit être fournie.
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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 à haute fréquence ≤ 450°C.
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Pour les services à cycles thermiques supérieurs à 500 cycles par an, les types d'ailettes enroulées sous tension tels que le pied en L, le pied KL et le pied LL ne sont pas recommandés. Utiliser des ailettes extrudées ou soudées à haute fréquence.
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Le faisceau doit être installé sur une structure de support de niveau. Un désalignement excessif provoque une déformation de la plaque tubulaire et une fuite des joints.
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Pour une pression côté tube supérieure à 10,0 MPa ou un vide extrême, consulter pour une conception personnalisée du collecteur et de la plaque tubulaire.