Panoramica: fascio tubiero del raffreddatore d'aria come nucleo di trasferimento del calore
Un fascio tubiero del raffreddatore ad aria è il gruppo centrale di trasferimento del calore 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 intestazione di ingresso e uscita. Il fascio è installato all'interno di un vano strutturale, dove i ventilatori assiali o centrifughi forzano o aspirano l'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 realizzato in conformità con 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 pacchetto sostitutivo, pacchetto di riserva o gruppo completo per un nuovo alloggiamento ACHE.
Tipi di raffreddatori ad aria: orientamento del gruppo e configurazione della ventola
Il fascio tubiero è lo stesso nucleo centrale di tutti i tipi ACHE; l'orientamento, la struttura di supporto e la direzione del flusso d'aria variano in base alla configurazione.
Tiraggio forzato
-
Ventole situate sotto il fascio, che spingono l'aria verso l'alto attraverso le file di tubi
-
La distribuzione dell'aria è uniforme grazie al plenum del ventilatore sottostante
-
I componenti della ventola e della trasmissione sono accessibili a livello del suolo o della piattaforma
-
Orientamento del pacco: orizzontale
-
Applicazione tipica: raffreddamento generale di processi di raffineria, intercooler per compressori
Draft indotto
-
Ventole situate sopra il fascio, che spingono l'aria verso l'alto attraverso le file di tubi
-
La camera di pressione sopra il fascio garantisce un'aspirazione uniforme
-
I componenti della ventola e dell'azionamento richiedono una piattaforma di accesso elevata
-
Orientamento del pacco: orizzontale
-
Applicazione tipica: condensatori di vapore, servizi ad alta temperatura, grandi unità di raffineria
-
Vantaggio: migliore distribuzione dell'aria, minore ricircolo, fascio protetto dalle precipitazioni
A-Frame
-
Due fasci di tubi piatti disposti a forma di V rovesciata (apice in alto)
-
Ventole situate sotto l'apice, che soffiano aria verso l'alto attraverso entrambi i fasci inclinati
-
Orientamento del fascio: inclinato, tipicamente da 30° a 60° rispetto all'orizzontale
-
Applicazione tipica: condensatori di vapore raffreddati ad aria (ACC) nelle centrali elettriche
-
Vantaggio: riduce l'area del terreno per le grandi baie; scarichi della condensa per gravità lungo tubi inclinati
Telaio a V
-
Due fasci di tubi piatti disposti a forma di V (apice in basso)
-
Ventole situate sopra l'apice, che spingono l'aria verso l'alto attraverso entrambi i fasci inclinati
-
Orientamento del fascio: inclinato, tipicamente da 30° a 60° rispetto all'orizzontale
-
Applicazione tipica: condensatori di vapore in cui si preferisce il tiraggio indotto per la protezione antigelo
-
Vantaggio: riduzione dell'ingombro simile al telaio A; scarico della condensa in un collettore inferiore
Fascio singolo orizzontale
-
Fascio tubiero piatto singolo installato orizzontalmente
-
Ventilatori sotto (tiraggio forzato) o sopra (tiraggio indotto)
-
Orientamento del fascio: Orizzontale, inclinazione 0°
-
Applicazione tipica: raffreddamento di processi generali, raffreddamento di gas, condensazione di idrocarburi
-
Vantaggio: costruzione più semplice; sostituzione più semplice del bundle e accesso per la manutenzione
Costruzione del bundle – Componenti principali
Tubi
Fogli tubieri
Scatole di intestazione (collettori di ingresso/uscita)
Costruzione della scatola di intestazione:
-
Sezione rettangolare o rotonda
-
Connessioni flangiate conformi a ASME B16.5 o B16.47
-
Divisori di passaggio per passaggi singoli, due o quattro lato tubo
-
Collegamenti di scarico e sfiato nei punti bassi e alti
Telai laterali e golfari di sollevamento
-
Telaio strutturale: canale in acciaio o trave a I
-
Anelli di sollevamento: saldati ai telai laterali o alle piastre tubiere, classificati per 2 volte il peso del fascio
-
Punti di supporto posizionati per ridurre al minimo l'abbassamento del tubo e mantenere il livello entro ±3 mm sulla lunghezza del fascio
Tipi di alette: selezione in base alla temperatura e all'ambiente
Geometria delle pinne (tipica)
Resistenza al legame delle alette
Per i tipi di alette avvolte in tensione (piede L, piede KL, piede LL), il legame meccanico tra aletta e tubo introduce una resistenza al contatto termico:
-
Per temperature lato tubo superiori a 120°C, per i nuovi fasci viene generalmente applicato un valore di conduttanza di accoppiamento di 2.000 – 5.000 W/m²·K.
-
I fasci in servizio potrebbero avere una conduttanza di collegamento ridotta a causa del ciclo termico. Nella progettazione è spesso inclusa una superficie aggiuntiva del 3% – 30%, a seconda della temperatura operativa e del tipo di legame.
-
Le alette estruse e saldate ad alta frequenza non hanno resistenza all'adesione, poiché l'aletta è integrale o incollata metallurgicamente.
Parametri termici e idraulici lato aria
Selezione dei materiali: tubi, piastre tubiere e collettori
Materiali dei tubi
Materiali della piastra tubiera e della testata
-
Acciaio al carbonio SA-516 Gr.70 per servizio lato tubo non corrosivo
-
Rivestimento inossidabile su acciaio al carbonio per servizio corrosivo con alta pressione; spessore del rivestimento minimo 3 mm secondo ASME VIII-1 UW-13
-
Solido acciaio inossidabile 304L/316L per un servizio completamente corrosivo
-
Duplex solido o titanio per servizi gravosi con cloruro o servizio offshore
Il materiale della scatola di intestazione è generalmente abbinato al materiale della piastra tubiera per evitare la corrosione galvanica in corrispondenza dei giunti bullonati o saldati. Per i collettori in acciaio al carbonio sottoposti a servizio corrosivo, viene applicato il rivestimento interno (epossidico o fenolico) secondo API 661.
Processo di fabbricazione – Controlli chiave
Foratura di piastre tubiere
-
Dimensioni della punta da trapano controllate secondo la tolleranza H11 secondo ISO 286
-
Finitura foro: Ra ≤ 1,6 μm per giunti dilatati; Ra ≤ 3,2 μm per giunti saldati
-
Deviazione del legamento ≤ ±0,2 mm dal disegno
-
Tutti i fori sono stati sbavati e puliti prima dell'inserimento del tubo
Espansione del tubo
-
Pressione di espansione idraulica: 160 – 220 MPa; tenere il tempo 5 – 8 secondi
-
Profondità di espansione: minimo 1,5 × diametro esterno del tubo o 2 × spessore della parete del tubo nella piastra tubiera
-
Controllo del calibro post-espansione: il 100% dei tubi accetta una sfera di calibro più piccola di 0,5 mm rispetto al diametro interno del tubo
-
Verifica della resistenza all'estrazione: prova del primo articolo per fascio, target ≥ 20 MPa per acciaio al carbonio e ≥ 25 MPa per acciaio inossidabile
Saldatura tubo-piastra tubiera (se specificata)
-
Processo GTAW (TIG), automatico o manuale
-
Altezza gamba d'angolo 1,5 – 2,0 mm per saldatura di tenuta
-
Penetrazione completa della radice di saldatura ≥ 0,5 mm nella parete del tubo
-
Test con liquidi penetranti al 100% secondo ASME VIII-1 UW-51
-
Procedura di saldatura qualificata secondo ASME Sezione IX
Fabbricazione di scatole di intestazione
-
Costruzione in acciaio saldato con connessioni flangiate ASME B16.5 o B16.47
-
Le dimensioni della testata corrispondono allo schema dei fori della piastra tubiera
-
Divisori passanti saldati all'interno della testata, materiale e procedura di saldatura abbinati al materiale della testata
-
Collegamenti di scarico e sfiato: raccordi filettati NPT o a saldare
Assemblaggio e sollevamento del pacco
-
Tubi inseriti ed espansi o saldati in piastre tubiere
-
Deflettori o supporti per tubi installati alla spaziatura specificata
-
Telai laterali e occhielli di sollevamento fissati
-
Test di sollevamento eseguito a 1,1 × peso del pacco, se specificato
Ispezione e test per pacchetto
Controllo dimensionale
Esame non distruttivo
Test idrostatico (lato tubo)
-
Pressione di prova: 1,3 × pressione di progetto secondo ASME VIII-1 UG-99
-
Mezzo di prova: acqua pulita con inibitore di corrosione; cloruro ≤ 50 ppm per acciaio inossidabile
-
Tempo di attesa: ≥ 30 minuti
-
Accettazione: caduta di pressione zero; nessuna perdita visibile da giunti, collettori o tappi dei tubi
Test di tenuta pneumatica (se specificato)
-
Pressione di prova: 0,6 MPa aria o azoto
-
Rilevamento perdite: applicazione di bolle di sapone su tutti i giunti e saldature
-
Accettazione: nessuna bolla; tasso di perdita ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Profili dell'applicazione: per tipo di servizio
Intercooler e postrefrigeratore con compressore
-
Fluido lato tubo: aria compressa o gas naturale
-
Temperatura lato tubo: ingresso 120°C – 180°C, uscita 40°C – 60°C
-
Pressione lato tubo: 0,5 – 10,0 MPa
-
Materiale del tubo: acciaio al carbonio per aria; 304L per gas naturale contenente CO₂ o acqua
-
Tipo di aletta: piede a L se temperatura lato tubo ≤ 150°C; Piede KL se 150°C – 180°C
-
Geometria dell'aletta: diametro esterno 25,4 mm × parete 2,0 mm; altezza aletta 12,5 mm; 10 FPI
-
Righe di fasci: 4 – 6
-
Velocità frontale dell'aria: 2,5 – 3,5 m/s
-
Perdita di carico lato aria: ≤ 200 Pa
Condensatore sopraelevato della raffineria
-
Fluido lato tubo: vapore di idrocarburi con vapore
-
Temperatura lato tubo: ingresso 100°C – 150°C condensazione, uscita 40°C – 60°C
-
Pressione lato tubo: 0,1 – 0,5 MPa
-
Materiale del tubo: acciaio al carbonio per servizio non corrosivo; 316L per servizio acido
-
Tipo di pinna: piede L o piede KL per servizio standard; estruso con tubo 316L per servizio H₂S
-
Geometria dell'aletta: diametro esterno 25,4 mm × 2,0 mm; altezza aletta 12,5 mm; 10 FPI
-
Righe di fasci: 4
-
Caratteristica speciale: fascio inclinato 1:50 verso il collettore di uscita per il drenaggio del liquido
Raffreddatore di gas naturale dopo disidratazione o compressione
-
Fluido lato tubo: Gas naturale trattato
-
Temperatura lato tubo: ingresso 60°C – 100°C, uscita 30°C – 45°C
-
Pressione lato tubo: 4,0 – 10,0 MPa
-
Materiale del tubo: 316L o Duplex 2205 se sono presenti cloruri
-
Tipo di pinna: estruso con esterno in alluminio 1100 per protezione dalla corrosione offshore e costiera
-
Geometria dell'aletta: diametro esterno 19,05 mm × 2,0 mm; altezza aletta 12,5 mm; 10 FPI
-
Righe di fasci: 2 – 3
-
Velocità frontale dell'aria: 2,0 – 2,5 m/s
-
Perdita di carico lato aria: ≤ 150 Pa
Condensatore di vapore raffreddato ad aria (ACC) per centrali elettriche
-
Fluido lato tubo: vapore che si condensa in acqua sotto vuoto
-
Temperatura lato tubo: ingresso 60°C – 100°C, uscita 35°C – 45°C
-
Pressione lato tubo: vuoto, 10 – 50 kPa assoluti
-
Materiale del tubo: Acciaio al carbonio zincato o rivestito; acciaio inossidabile se il vapore contiene ammoniaca o cloruri
-
Tipo di aletta: saldata ad alta frequenza con legante metallurgico; alette in acciaio al carbonio zincate a caldo
-
Geometria del tubo: Tubi ellittici o ovali piatti con alette piatte o alette saldate elicoidalmente
-
Orientamento del pacco: telaio ad A o telaio a V, inclinato di 60° rispetto all'orizzontale
-
Flusso d'aria: tiraggio indotto
-
Particolarità: fasci inclinati 1:80 verso il collettore di raccolta condensa; protezione antigelo tramite tracciamento a vapore o riscaldamento elettrico per il funzionamento invernale al di sotto di 0°C
Pulizia e Manutenzione
Le incrostazioni lato aria dovute a polvere, polline o depositi chimici aumentano la caduta di pressione e riducono il trasferimento di calore. La pulizia è consigliata quando:
-
La caduta di pressione lato aria supera la caduta di pressione di progetto del 30%
-
L'aumento della caduta di pressione lato aria raggiunge 50 Pa sopra l'inizio del funzionamento, a seconda di quale evento si verifica per primo
Metodi di pulizia:
-
Lavaggio con acqua: spruzzo a bassa pressione ≤ 1,0 MPa per depositi idrosolubili
-
Soffio d'aria: aria compressa ≤ 0,6 MPa per polvere secca e sciolta
-
Pulizia chimica: Detergente alcalino o acido approvato per alette in alluminio; evitare soluzioni ad alto contenuto alcalino
La pulizia lato tubo non è meccanicamente realizzabile in un fascio fisso. È necessaria la pulizia chimica o il pigging in linea.
Documentazione per spedizione
-
Certificati di prova dei materiali secondo EN 10204 3.1 o 3.2 per tubi, alette, piastre tubiere, collettori e acciaio strutturale
-
Scheda tecnica API 661 completata o scheda tecnica ISO 13706
-
Scheda tecnica TEMA se applicabile
-
Rapporto dati ASME U-stamp, se applicabile
-
Rapporto di ispezione dimensionale che include lunghezza del fascio, disposizione dei fori sulla piastra tubiera, geometria delle alette e diametro esterno del tubo
-
Parametri del processo di attacco delle alette, tra cui tensione di avvolgimento, pressione di estrusione e corrente di saldatura
-
Rapporto di prova idrostatica con registrazione del grafico della pressione
-
Rapporto sul test delle perdite pneumatiche, se eseguito
-
Rapporti NDE per PT, UT e RT come eseguiti
-
Specifiche della procedura di saldatura e registrazione della qualificazione della procedura per le saldature tubo-piastra tubiera e della testata
-
Disegno completo del fascio tubiero con numero di tubi, configurazione dei passaggi, dimensioni della testata e posizioni degli occhielli di sollevamento
-
Specifiche di verniciatura e rivestimento con rapporto di verifica dello spessore
Lista di controllo per la selezione – Fascio tubiero del raffreddatore d'aria
-
Tipo ACHE: tiraggio forzato, tiraggio indotto, telaio ad A, telaio a V o orizzontale
-
Orientamento del fascio: Orizzontale o inclinato con angolo
-
Materiale e dimensioni del tubo (diametro esterno e spessore della parete)
-
Tipo di aletta: L-piede, KL, LL, estrusa, saldata ad alta frequenza o nuda
-
Materiale e geometria delle alette (altezza, passo o FPI, spessore)
-
Pressione e temperatura di progetto lato tubo
-
Composizione del fluido lato tubo che include corrosività, cloruri e H₂S
-
Caduta di pressione ammissibile lato tubo
-
Temperatura di ingresso dell'aria per il design estivo
-
Velocità frontale dell'aria o flusso d'aria totale
-
Caduta di pressione ammissibile lato aria, tipicamente 100 – 300 Pa
-
Tipo di collettore: tappo, piastra di copertura o collettore a tubo
-
Numero di passaggi lato tubo: singolo, due o quattro
-
Conteggio e disposizione dei tubi per baia esistente o nuova
-
Requisiti di protezione dalla corrosione tra cui rivestimento, zincatura o materiali speciali per alette e tubi
-
Protezione antigelo per il servizio ACC, compreso il tracciamento a vapore, il riscaldamento elettrico o il ricircolo
-
Vincoli di sollevamento e trasporto inclusi peso e dimensioni massime
-
Standard applicabili: API 661, ISO 13706, TEMA o specifica del cliente
Dichiarazione di limitazione di progettazione – Fascio tubiero del dispositivo di raffreddamento dell'aria
Il fascio tubiero del raffreddatore d'aria è soggetto alle seguenti limitazioni:
-
È progettato solo per la pressione e la temperatura specificate sul lato del tubo. Il funzionamento al di fuori di questi limiti invalida la progettazione.
-
Le prestazioni lato aria dipendono dalla temperatura dell'aria ambiente e dalle incrostazioni. La capacità di raffreddamento diminuisce all'aumentare della temperatura ambiente.
-
La pulizia lato tubo non è meccanicamente realizzabile in un fascio fisso. Per i servizi di fouling è necessaria la pulizia chimica o il pigging in linea.
-
Le incrostazioni lato aria aumentano la caduta di pressione e riducono il trasferimento di calore. È necessario mantenere programmi di pulizia regolari.
-
Per i servizi di condensazione in condizioni di gelo, è necessario prevedere una protezione antigelo tramite pendenza, drenaggio e riscaldamento.
-
La temperatura massima della punta dell'aletta non deve superare i limiti specifici del materiale: piede L ≤ 150°C, estruso ≤ 230°C, saldato ad alta frequenza ≤ 450°C.
-
Per il servizio di ciclismo termico superiore a 500 cicli all'anno, non sono consigliati tipi di pinne avvolte in tensione come L-foot, KL-foot e LL-foot. Utilizzare alette estruse o saldate ad alta frequenza.
-
Il bundle deve essere installato su una struttura di supporto piana. Un disallineamento eccessivo provoca la distorsione della piastra tubiera e perdite dai giunti.
-
Per pressioni lato tubo superiori a 10,0 MPa o vuoto estremo, consultare la progettazione personalizzata di collettore e piastra tubiera.