Panoramica – Fascio Tubiero Raffreddato ad Aria come Nucleo di Scambio Termico
Un fascio tubiero raffreddato ad aria è l'assemblaggio del nucleo di scambio termico di uno scambiatore di calore raffreddato ad aria (ACHE). È costituito da file di tubi nudi o alettati, fissati a ciascuna estremità da piastre tubiere e collegati a scatole di distribuzione di ingresso e uscita. Il fascio è installato all'interno di una campata strutturale, dove ventilatori assiali o centrifughi forzano o aspirano aria ambiente attraverso la superficie esterna del tubo per raffreddare il fluido di processo che scorre all'interno dei tubi.
Questo prodotto è progettato e fabbricato secondo API 661 (Scambiatori di Calore Raffreddati ad Aria per Servizi Generali di Raffineria), ISO 13706 e TEMA Classe R o B, ove applicabile. Viene fornito come fascio di ricambio, fascio di scorta o assemblaggio completo per una nuova campata ACHE.
Tipi di Raffreddatori ad Aria – Orientamento del Fascio e Configurazione della Ventola
Il fascio tubiero è lo stesso assemblaggio del nucleo in tutti i tipi di ACHE; l'orientamento, la struttura di supporto e la direzione del flusso d'aria variano in base alla configurazione.
Tiraggio Forzato
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Ventole situate sotto il fascio, che spingono l'aria verso l'alto attraverso le file di tubi
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Distribuzione uniforme dell'aria grazie al plenum della ventola sottostante
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Componenti della ventola e del motore accessibili a livello del suolo o della piattaforma
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Orientamento del fascio: Orizzontale
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Applicazione tipica: Raffreddamento di processi generali di raffineria, interrefrigeratori di compressori
Tiraggio Indotto
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Ventole situate sopra il fascio, che aspirano l'aria verso l'alto attraverso le file di tubi
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La camera di aspirazione sopra il fascio garantisce un'aspirazione uniforme
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I componenti della ventola e del motore richiedono una piattaforma di accesso elevata
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Orientamento del fascio: Orizzontale
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Applicazione tipica: Condensatori a vapore, servizi ad alta temperatura, grandi unità di raffineria
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Vantaggio: Migliore distribuzione dell'aria, minore ricircolo, fascio protetto dalle precipitazioni
Telaio a A
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Due fasci tubieri piatti disposti a forma di V rovesciata (apice in alto)
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Ventole situate sotto l'apice, che soffiano aria verso l'alto attraverso entrambi i fasci inclinati
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Orientamento del fascio: Inclinato, tipicamente da 30° a 60° rispetto all'orizzontale
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Applicazione tipica: Condensatori a vapore raffreddati ad aria (ACC) negli impianti di potenza
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Vantaggio: Riduce l'area occupata per grandi aree di campata; i drenaggi di condensa avvengono per gravità lungo i tubi inclinati
Telaio a V
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Due fasci tubieri piatti disposti a forma di V (apice in basso)
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Ventole situate sopra l'apice, che aspirano aria verso l'alto attraverso entrambi i fasci inclinati
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Orientamento del fascio: Inclinato, tipicamente da 30° a 60° rispetto all'orizzontale
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Applicazione tipica: Condensatori a vapore dove si preferisce il tiraggio indotto per la protezione dal gelo
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Vantaggio: Riduzione dell'ingombro simile al telaio a A; la condensa drena verso un collettore inferiore
Fascio Singolo Orizzontale
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Singolo fascio tubiero piatto installato orizzontalmente
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Ventole sotto (tiraggio forzato) o sopra (tiraggio indotto)
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Orientamento del fascio: Orizzontale, inclinazione 0°
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Applicazione tipica: Raffreddamento di processi generali, raffreddamento gas, condensazione idrocarburi
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Vantaggio: Costruzione più semplice; facile sostituzione del fascio e accesso per la manutenzione
Costruzione del Fascio – Componenti del Nucleo
Tubi
Piastre Tubiere
Scatole di Distribuzione (Collettori di Ingresso / Uscita)
Costruzione scatola collettore:
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Sezione trasversale rettangolare o rotonda
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Connessioni flangiate secondo ASME B16.5 o B16.47
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Partizioni per passaggi singoli, doppi o quadrupli lato tubo
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Connessioni di scarico e sfiato nei punti bassi e alti
Telai Laterali e Occhielli di Sollevamento
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Telaio strutturale: Profilato d'acciaio o trave a I
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Occhielli di sollevamento: Saldati ai telai laterali o alle piastre tubiere, con portata pari a 2× peso del fascio
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Punti di supporto posizionati per minimizzare la flessione dei tubi e mantenere il livello entro ±3 mm sulla lunghezza del fascio
Tipi di Alette – Selezione in base a Temperatura e Ambiente
Geometria Aletta (Tipica)
Resistenza di Legame Aletta
Per i tipi di alette avvolte a tensione (piede a L, piede KL, piede LL), il legame meccanico tra aletta e tubo introduce una resistenza termica di contatto:
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Per temperature lato tubo superiori a 120°C, viene tipicamente applicato un valore di conducibilità del legame di 2.000 – 5.000 W/m²·K per fasci nuovi.
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I fasci in servizio possono avere una conducibilità del legame ridotta a causa dei cicli termici. Spesso viene inclusa un'area superficiale aggiuntiva del 3% – 30% nel progetto, a seconda della temperatura operativa e del tipo di legame.
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Le alette estruse e saldate ad alta frequenza non presentano resistenza di legame, poiché l'aletta è integrale o legata metallurgicamente.
Parametri Termici e Idraulici Lato Aria
Selezione Materiali – Tubi, Piastre Tubiere e Collettori
Materiali Tubi
Materiali Piastre Tubiere e Collettori
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Acciaio al carbonio SA-516 Gr.70 per servizio lato tubo non corrosivo
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Acciaio inossidabile rivestito su acciaio al carbonio per servizio corrosivo ad alta pressione; spessore rivestimento minimo 3 mm secondo ASME VIII-1 UW-13
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Acciaio inossidabile massiccio 304L / 316L per servizio completamente corrosivo
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Duplex massiccio o titanio per servizio con cloruri severi o duty offshore
Il materiale della scatola collettore è tipicamente abbinato al materiale della piastra tubiera per evitare corrosione galvanica nei giunti flangiati o saldati. Per collettori in acciaio al carbonio in servizio corrosivo, viene applicato un rivestimento interno (epossidico o fenolico) secondo API 661.
Processo di Fabbricazione – Controlli Chiave
Foratura Piastre Tubiere
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Dimensione punta controllata a tolleranza H11 secondo ISO 286
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Finitura foro: Ra ≤ 1,6 μm per giunti espansi; Ra ≤ 3,2 μm per giunti saldati
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Deviazione legamento ≤ ±0,2 mm dal disegno
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Tutti i fori sbavati e puliti prima dell'inserimento dei tubi
Espansione Tubi
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Pressione di espansione idraulica: 160 – 220 MPa; tempo di mantenimento 5 – 8 secondi
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Profondità di espansione: Minimo 1,5 × diametro esterno tubo o 2 × spessore parete tubo nella piastra tubiera
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Controllo calibro post-espansione: 100% dei tubi accetta una sfera calibro 0,5 mm più piccola del diametro interno del tubo
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Verifica resistenza allo strappo: Test primo articolo per fascio, obiettivo ≥ 20 MPa per acciaio al carbonio e ≥ 25 MPa per acciaio inossidabile
Saldatura Tubo-Piastra Tubiera (Se Specificato)
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Processo GTAW (TIG), automatico o manuale
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Altezza gambo raccordo 1,5 – 2,0 mm per saldatura di tenuta
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Penetrazione radice saldatura a piena penetrazione ≥ 0,5 mm nella parete del tubo
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Test con liquidi penetranti al 100% secondo ASME VIII-1 UW-51
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Procedura di saldatura qualificata secondo ASME Sezione IX
Fabbricazione Scatole Collettori
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Costruzione in acciaio saldato con connessioni flangiate ASME B16.5 o B16.47
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Dimensioni collettore abbinate al modello dei fori della piastra tubiera
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Partizioni saldate all'interno del collettore, materiale e procedura di saldatura abbinati al materiale del collettore
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Connessioni di scarico e sfiato: raccordi filettati NPT o a calettamento
Assemblaggio e Sollevamento Fascio
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Tubi inseriti ed espansi o saldati nelle piastre tubiere
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Deflettori o supporti tubi installati alla spaziatura specificata
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Telai laterali e occhielli di sollevamento fissati
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Test di sollevamento eseguito a 1,1 × peso del fascio se specificato
Ispezione e Test per Fascio
Ispezione Dimensionale
Esame Non Distruttivo
Test Idrostatico (Lato Tubo)
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Pressione di prova: 1,3 × pressione di progetto secondo ASME VIII-1 UG-99
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Mezzo di prova: Acqua pulita con inibitore di corrosione; cloruri ≤ 50 ppm per acciaio inossidabile
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Tempo di mantenimento: ≥ 30 minuti
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Accettazione: Nessuna caduta di pressione; nessuna perdita visibile dai giunti dei tubi, collettori o tappi
Test di Tenuta Pneumatico (Se Specificato)
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Pressione di prova: 0,6 MPa aria o azoto
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Rilevamento perdite: Applicazione di schiuma saponosa su tutti i giunti e le saldature
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Accettazione: Nessuna bolla; tasso di perdita ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Profili Applicazione – Per Tipo di Servizio
Interrefrigeratore e Postrefrigeratore Compressore
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Fluido lato tubo: Aria compressa o gas naturale
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Temperatura lato tubo: Ingresso 120°C – 180°C, uscita 40°C – 60°C
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Pressione lato tubo: 0,5 – 10,0 MPa
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Materiale tubo: Acciaio al carbonio per aria; 304L per gas naturale contenente CO₂ o acqua
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Tipo di aletta: Piede a L se temperatura lato tubo ≤ 150°C; piede KL se 150°C – 180°C
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Geometria aletta: Diametro esterno 25,4 mm × parete 2,0 mm; altezza aletta 12,5 mm; 10 FPI
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File di fascio: 4 – 6
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Velocità frontale aria: 2,5 – 3,5 m/s
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Caduta di pressione lato aria: ≤ 200 Pa
Condensatore di Testa Raffreddato ad Aria per Raffineria
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Fluido lato tubo: Vapore idrocarburico con vapore acqueo
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Temperatura lato tubo: Ingresso 100°C – 150°C condensazione, uscita 40°C – 60°C
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Pressione lato tubo: 0,1 – 0,5 MPa
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Materiale tubo: Acciaio al carbonio per servizio non corrosivo; 316L per servizio acido
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Tipo di aletta: Piede a L o piede KL per servizio standard; estruso con tubo 316L per servizio H₂S
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Geometria aletta: Diametro esterno 25,4 mm × 2,0 mm; altezza aletta 12,5 mm; 10 FPI
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File di fascio: 4
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Caratteristica speciale: Fascio inclinato 1:50 verso il collettore di uscita per drenaggio liquido
Raffreddatore Gas Naturale dopo Disidratazione o Compressione
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Fluido lato tubo: Gas naturale trattato
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Temperatura lato tubo: Ingresso 60°C – 100°C, uscita 30°C – 45°C
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Pressione lato tubo: 4,0 – 10,0 MPa
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Materiale tubo: 316L o Duplex 2205 se presenti cloruri
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Tipo di aletta: Estruso con alluminio 1100 esterno per protezione corrosione offshore e costiera
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Geometria aletta: Diametro esterno 19,05 mm × 2,0 mm; altezza aletta 12,5 mm; 10 FPI
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File di fascio: 2 – 3
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Velocità frontale aria: 2,0 – 2,5 m/s
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Caduta di pressione lato aria: ≤ 150 Pa
Condensatore a Vapore Raffreddato ad Aria (ACC) per Impianti di Potenza
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Fluido lato tubo: Vapore che condensa in acqua sotto vuoto
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Temperatura lato tubo: Ingresso 60°C – 100°C, uscita 35°C – 45°C
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Pressione lato tubo: Vuoto, 10 – 50 kPa assoluti
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Materiale tubo: Acciaio al carbonio zincato o rivestito; acciaio inossidabile se il vapore contiene ammoniaca o cloruri
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Tipo di aletta: Saldato ad alta frequenza con legame metallurgico; alette in acciaio al carbonio zincato a caldo
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Geometria tubo: Tubi ellittici o ovali piatti con alette a piastra o alette saldate elicoidalmente
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Orientamento fascio: Telaio a A o telaio a V, inclinati di 60° rispetto all'orizzontale
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Flusso d'aria: Tiraggio indotto
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Caratteristica speciale: Fasci inclinati 1:80 verso il collettore di raccolta condensa; protezione dal gelo tramite riscaldamento a vapore o riscaldamento elettrico per funzionamento invernale sotto 0°C
Pulizia e Manutenzione
L'incrostazione lato aria dovuta a polvere, polline o depositi chimici aumenta la caduta di pressione e riduce il trasferimento di calore. Si raccomanda la pulizia quando:
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La caduta di pressione lato aria supera la caduta di pressione di progetto del 30%
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L'aumento della caduta di pressione lato aria raggiunge 50 Pa sopra l'inizio del funzionamento, a seconda di quale si verifica per primo
Metodi di pulizia:
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Lavaggio con acqua: Spruzzo a bassa pressione ≤ 1,0 MPa per depositi idrosolubili
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Soffiaggio aria: Aria compressa ≤ 0,6 MPa per polvere secca e sciolta
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Pulizia chimica: Detergente a base alcalina o acida approvato per alette in alluminio; evitare soluzioni ad alta alcalinità
La pulizia lato tubo non è meccanicamente fattibile in un fascio fisso. È richiesta la pulizia chimica o il pigging in linea.
Documentazione per Spedizione
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Certificati di prova materiali secondo EN 10204 3.1 o 3.2 per tubi, alette, piastre tubiere, collettori e acciaio strutturale
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Scheda dati API 661 completata o scheda dati ISO 13706
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Scheda dati TEMA se applicabile
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Rapporto dati ASME U-stamp se applicabile
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Rapporto di ispezione dimensionale inclusa lunghezza fascio, schema fori piastra tubiera, geometria alette e diametro esterno tubo
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Parametri processo di fissaggio alette inclusi tensione di avvolgimento, pressione di estrusione e corrente di saldatura
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Rapporto test idrostatico con registrazione grafico pressione
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Rapporto test di tenuta pneumatico se eseguito
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Rapporti NDE per PT, UT e RT come eseguiti
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Specifiche procedura di saldatura e record di qualifica procedura per saldature tubo-piastra tubiera e collettori
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Disegno del fascio tubiero finito con numero tubi, configurazione passaggi, dimensioni collettori e posizioni occhielli di sollevamento
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Specifiche verniciatura e rivestimento con rapporto di verifica spessore
Lista di Controllo Selezione – Fascio Tubiero Raffreddato ad Aria
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Tipo ACHE: Tiraggio forzato, tiraggio indotto, telaio a A, telaio a V o orizzontale
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Orientamento fascio: Orizzontale o inclinato con angolo
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Materiale e dimensioni tubo (diametro esterno e spessore parete)
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Tipo di aletta: Piede a L, KL, LL, estruso, saldato ad alta frequenza o nudo
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Materiale e geometria aletta (altezza, passo o FPI, spessore)
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Pressione e temperatura di progetto lato tubo
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Composizione fluido lato tubo inclusa corrosività, cloruri e H₂S
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Caduta di pressione ammissibile lato tubo
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Temperatura aria in ingresso per progetto estivo
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Velocità frontale aria o flusso d'aria totale
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Caduta di pressione ammissibile lato aria, tipicamente 100 – 300 Pa
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Tipo di collettore: A tappo, a piastra di copertura o a tubo
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Numero di passaggi lato tubo: Singolo, doppio o quadruplo
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Numero tubi e disposizione per campata esistente o nuova
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Requisiti di protezione dalla corrosione inclusi rivestimento, zincatura o materiali speciali per alette e tubi
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Protezione dal gelo per servizio ACC inclusi riscaldamento a vapore, riscaldamento elettrico o ricircolo
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Vincoli di sollevamento e trasporto inclusi peso e dimensioni massime
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Normative applicabili: API 661, ISO 13706, TEMA o specifiche del cliente
Dichiarazione Limitazioni di Progetto – Fascio Tubiero Raffreddato ad Aria
Il fascio tubiero raffreddato ad aria è soggetto alle seguenti limitazioni:
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È progettato solo per la pressione e la temperatura lato tubo specificate. Il funzionamento al di fuori di questi limiti invalida il progetto.
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Le prestazioni lato aria dipendono dalla temperatura ambiente e dall'incrostazione. La capacità di raffreddamento diminuisce all'aumentare della temperatura ambiente.
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La pulizia lato tubo non è meccanicamente fattibile in un fascio fisso. Per servizi con incrostazioni è richiesta la pulizia chimica o il pigging in linea.
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L'incrostazione lato aria aumenta la caduta di pressione e riduce il trasferimento di calore. Devono essere mantenuti programmi di pulizia regolari.
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Per servizi di condensazione in condizioni di gelo, deve essere fornita protezione dal gelo tramite inclinazione, drenaggio e riscaldamento.
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La temperatura massima della punta dell'aletta non deve superare i limiti specifici del materiale: Piede a L ≤ 150°C, estruso ≤ 230°C, saldato ad alta frequenza ≤ 450°C.
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Per servizi con cicli termici superiori a 500 cicli all'anno, i tipi di alette avvolte a tensione come il piede a L, il piede KL e il piede LL non sono raccomandati. Utilizzare alette estruse o saldate ad alta frequenza.
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Il fascio deve essere installato su una struttura di supporto livellata. Un disallineamento eccessivo causa distorsione della piastra tubiera e perdite ai giunti.
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Per pressioni lato tubo superiori a 10,0 MPa o vuoto estremo, consultare per un progetto personalizzato di collettore e piastra tubiera.