Trocador de calor em gancho TEMA/ASME
O trocador de calor em gancho é uma configuração do tipo casco e tubo que consiste em um feixe de tubos em forma de U encerrado dentro de um casco que inclui um alojamento de curva de retorno em uma extremidade. O fluido do lado do casco entra pela cabeça frontal, flui ao longo da perna reta até a curva de retorno, inverte a direção e sai pela cabeça frontal. O fluido do lado do tubo entra pelo espelho frontal, passa pelos tubos em U e retorna pelo mesmo espelho. Este arranjo produz um fluxo em contracorrente de passagem única entre os fluidos do lado do tubo e do lado do casco.
Este produto foi projetado e fabricado de acordo com TEMA (Classe C, B ou R) e ASME Seção VIII Divisão 1 ou Divisão 2, com materiais aplicáveis selecionados de acordo com ASME Seção II.
Tipos de construção
Grampo de tubo duplo (tubo único)
- Tubo: Tubo único sem costura ou soldado (OD 20 mm a 114 mm), concêntrico dentro de um tubo de casco maior
- Shell: Tubo único (DN50 a DN200) servindo como limite de pressão externo
- Aplicação: Pequenas áreas de trabalho (1 a 20 m²), serviços de alta pressão (lado do tubo até 35 MPa), fluidos limpos em ambos os lados
- Inspeção: Acesso total à superfície interna do tubo a partir do espelho frontal; o lado do casco pode ser inspecionado através da tampa removível da curva de retorno
Grampo de cabelo multitubo (múltiplos tubos em casca)
- Feixe de tubos: Vários tubos (4 a 200+) dispostos em passo triangular ou quadrado dentro de um invólucro cilíndrico
- Carcaça: DN80 a DN600, com alojamento de curva de retorno na extremidade oposta
- Aplicação: Serviços de médio a grande porte (20 a 500 m²), pressão moderada (lado do casco até 10 MPa, lado do tubo até 20 MPa)
- Suporte do tubo: Placas defletoras ou grades de suporte completas conforme TEMA RCB-4.2 (comprimento máximo do tubo sem suporte: para aço carbono ≤ 36* diâmetro externo do tubo; para aço inoxidável ≤ 30* diâmetro externo do tubo)
Parâmetros Geométricos (Faixa Padrão)
| Parâmetro |
Tipo de tubo duplo |
Tipo Multitubo |
| Diâmetro nominal da carcaça (DN) |
DN50 a DN200 |
DN80 a DN600 |
| diâmetro externo do tubo |
20 mm a 114 mm |
12mm a 38mm |
| Espessura da parede do tubo |
2,0 mm a 8,0 mm (sem costura) |
1,5 mm a 3,0 mm (sem costura ou soldado) |
| Comprimento da perna reta (por perna) |
2,0m a 10,0m |
2,0m a 12,0m |
| Raio de curvatura em U (linha central) |
R ≥ 2* diâmetro externo do tubo (min. para limpeza) |
R ≥ 2* diâmetro externo do tubo |
| Número de tubos por pacote |
1 |
4 a 200+ |
| Tipo de shell TEMA |
N/A (tubo duplo) |
Grampo de cabelo (concha dobrada de retorno) |
Seleção de materiais (por condições de serviço)
Opções de materiais de tubo
- Aço carbono (SA-106 Gr.B / SA-210 Gr.A1 / 20#): Água, óleo, gases não corrosivos; temperatura -20°C a +425°C
- Aço inoxidável 304/304L (SA-213 TP304L): Fluidos de processo levemente corrosivos, vapor limpo; cloreto ≤ 200ppm; temperatura -196°C a +600°C (redução acima de 425°C de acordo com ASME II-D)
- Aço inoxidável 316/316L (SA-213 TP316L): Ácidos orgânicos, soluções salinas (cloreto ≤ 200ppm para 316L); temperatura -196°C a +500°C
- Titânio Gr.2 (SB-338): Água do mar, salmoura, soluções de cloreto até 20.000 ppm; temperatura ≤ 230°C
- Duplex 2205 (SA-789 UNS S32205): Hidrocarbonetos contendo cloreto, água do mar; cloreto até 300 ppm a 80°C; temperatura -40°C a +280°C
Opções de materiais de casca
- Aço carbono (SA-516 Gr.70): Não corrosivo ou levemente corrosivo na lateral do casco; temperatura de projeto -20°C a +425°C
- Aço inoxidável 304L/316L: Meio corrosivo no lado do casco ou exigência de alta pureza
- Titânio (para o lado do casco de água do mar, onde o fluido do lado do casco é água do mar)
Materiais de junta (por faixa de temperatura)
- Sem amianto/fibra comprimida: -40°C a +250°C, pressão ≤ 4,0 MPa
- Enrolamento em espiral (SS 304/316 + grafite): -196°C a +450°C, pressão ≤ 25 MPa (flange de tubo duplo)
- Junta envelope de PTFE: -40°C a +200°C, para serviços farmacêuticos ou corrosivos onde a contaminação é restrita
Faixa operacional (não exagerada)
| Parâmetro |
Tipo de tubo duplo |
Tipo Multitubo |
| Pressão de projeto (lado do tubo) |
Até 35 MPa (ASME VIII-2) |
Até 20 MPa |
| Pressão de projeto (lado do casco) |
Até 10 MPa |
Até 10 MPa (padrão); maior por design especial |
| Temperatura de projeto (lado do tubo) |
-40°C a +500°C (depende do material) |
-196°C a +500°C (depende do material) |
| Temperatura de projeto (lado do casco) |
-40°C a +450°C (depende do material) |
-40°C a +450°C (depende do material) |
| ΔT mínimo permitido (entrada do tubo/concha) |
Sem limite fixo (extremidade livre do pacote U) |
Sem limite fixo (extremidade livre do pacote U) |
| Velocidade máxima do lado do tubo (água) |
3,0 m/s (aço carbono), 4,5 m/s (titânio) |
2,5 m/s (aço carbono), 4,0 m/s (titânio) |
| Velocidade máxima do lado do casco |
1,5 m/s (corrosivo), 3,0 m/s (limpo) |
1,0 m/s (corrosivo), 2,5 m/s (limpo) |
Parâmetros de fluxo e projeto térmico
Fluxo lateral do tubo
- Passagem única (todos os tubos compartilham a mesma entrada e saída no espelho frontal)
- Faixa de velocidade de massa no lado do tubo: 300 a 2.500 kg/m²*s (para água); menor para fluidos viscosos
- Meta de número de Reynolds: ≥ 10.000 (turbulento) para serviço limpo; ≥ 4.000 para fluidos viscosos
Fluxo lateral
- Passagem única (entra na cabeça dianteira, atravessa a perna esticada, inverte na curva de retorno, atravessa a segunda perna, sai da cabeça dianteira)
- Faixa de velocidade de massa do lado do casco: 50 a 500 kg/m²*s (gás), 200 a 1.500 kg/m²*s (líquido)
- Porcentagem de corte do defletor (defletores segmentados, se usados): 20% a 30% do diâmetro do casco
- Espaçamento dos defletores: Determinado de acordo com TEMA RCB-4.2 - o comprimento máximo do tubo sem suporte não deve exceder 36* diâmetro externo do tubo para aço carbono; espaçamento selecionado para manter a velocidade do fluxo cruzado e evitar vibração do tubo. Intervalo de espaçamento típico: 0,2* ID do shell a 0,5* ID do shell.
Fator de correção LMTD
Para configuração de passagem única em contracorrente verdadeira, F = 1,0 de acordo com os padrões TEMA (sem limitação cruzada de temperatura).
Temperatura de aproximação
Abordagem prática mínima: 3°C a 5°C (limitado pela área de superfície disponível e NTU; o valor real alcançável depende da queda de pressão especificada e das propriedades do fluido, não garantido sem simulação do processo).
Parâmetros de fabricação e soldagem
Junta tubo-espelho
- Junta expandida: Expansão hidráulica a 160-220 MPa, mantenha 5-8 segundos. Requisito de teste pull-out (conforme TEMA RCB-4.3): ≥ 20 MPa para tubos de aço carbono; ≥ 25 MPa para aço inoxidável.
- Junta soldada: Solda de vedação (perna de filete 1,5-2,0 mm) mais penetração total (para serviços tóxicos/de alta pressão). Procedimento de soldagem qualificado pela ASME Seção IX.
- Combinado (soldagem + expansão): Utilizado para serviço de temperatura cíclica (ciclo térmico > 100 ciclos) e alta pressão (lado do tubo > 10 MPa).
Solda de alojamento de curvatura de retorno
- Tampa curva de retorno do casco: Solda de topo com penetração total (se tampa permanente) ou tampa aparafusada com junta espiralada (se removível).
- Soldas internas: 100% de inspeção visual (VT) + teste de penetrante (PT) em soldas de ângulo críticas (conforme ASME VIII-1 UW-50).
Tratamento térmico pós-soldagem (PWHT)
Exigido pela ASME VIII-1 UCS-56 quando:
- Espessura do casco de aço carbono > 38 mm (P-No.1, grupo 1/2) para peças soldadas sob pressão
- Espessura do material do tubo > 19 mm (para aço inoxidável, recozimento por solução após soldagem é especificado em vez de PWHT)
- O serviço contém H₂S úmido (conforme NACE MR0175 / ISO 15156) - PWHT a 620±10°C por 1 hora por 25 mm de espessura, mínimo 1 hora.
Inspeção e Testes (Por Unidade)
Verificação Dimensional
- Tolerância total do comprimento da perna: ±3 mm (para pernas retas) de acordo com TEMA RCB-8
- Tolerância do raio da linha central da curvatura em U: ± 1,5 mm para R ≤ 500 mm; ±3mm para R > 500mm
- Espaçamento do defletor/placa de suporte: ± 1,5 mm
- Desvio do ligamento do furo do tubo (teia): ≤ ± 0,2 mm do desenho
Exame Não Destrutivo
- Juntas tubo-espelho: 100% líquido penetrante (PT) para soldas de vedação (conforme ASME VIII-1 UW-51)
- Costuras longitudinais e circunferenciais da casca: Radiografia pontual (RT) conforme ASME VIII-1 UW-52 (ou radiografia completa, se especificado)
- Soldas de ângulo do alojamento de curvatura de retorno: 100% partícula magnética (MT) para aço carbono / PT para aço inoxidável
- Inspeção interna do tubo: Verificação do boroscópio quanto à retilineidade e passagem (sem tubos bloqueados) - aprovada se 100% dos tubos aceitarem uma esfera de calibre 0,5 mm menor que o diâmetro interno do tubo.
Teste de pressão
- Teste hidrostático (água): Pressão de teste = 1,3 * pressão de projeto * (tensão mínima admissível na temperatura de teste/na temperatura de projeto), conforme ASME VIII-1 UG-99. Segure 30 minutos. Aceitação: sem vazamento visível e sem queda de pressão.
- Teste pneumático (opcional, para serviço a seco ou a gás): Pressão de teste = 1,1 * pressão de projeto. Ar comprimido ou nitrogênio. Verificação de bolhas de sabão em todas as juntas. A taxa de vazamento não deve exceder 1*10⁻⁵ Pa*m³/s por método de orifício equivalente (conforme ASME Apêndice VI).
Acesso para limpeza e manutenção
Limpeza lateral do tubo
- Limpeza mecânica: O limpador ou escova do tubo passa por todo o comprimento do tubo por meio de uma curva em U. Raio mínimo de curvatura em U R ≥ 2* diâmetro externo do tubo exigido pela TEMA RCB-4.52 para passagem da escova. São recomendadas escovas padrão com diâmetro externo do tubo de 0,8*.
Limpeza lateral
- Limpeza química apenas para grampo de feixe fixo (tampa de dobra de retorno removível, mas feixe não puxável). A limpeza mecânica do lado do casco através das portas de acesso é limitada às seções das pernas retas; interior da curva de retorno não acessível por raspadores mecânicos.
- Se o fator de incrustação no lado do casco for > 0,0005 m²*K/W (de acordo com a tabela TEMA), recomenda-se um cabeçote flutuante pull-through ou um trocador de casco reto de tubo em U em vez de um grampo. Para grampos, a frequência do ciclo de limpeza química é baseada no aumento da queda de pressão: limpe quando o ΔP do lado do casco exceder o ΔP do projeto em 30% ou quando o aumento do ΔP atingir 50 kPa (o que ocorrer primeiro).
Documentação fornecida por remessa
- Relatório de dados do carimbo U ASME (se aplicável)
- Certificados de teste de materiais (EN 10204 3.1 ou 3.2)
- Especificação do procedimento de soldagem (WPS) e registro de qualificação do procedimento (PQR)
- Relatório de teste de pressão com registro gráfico
- Relatório de inspeção dimensional
- Desenho de feixe de tubos (conforme construído)
- Relatório de EQM (PT/MT/RT/UT conforme aplicável)
Declaração de limite de projeto
O trocador hairpin não é aplicável para:
- Fluidos do lado da carcaça com teor de sólidos > 5% em peso ou incrustações fibrosas que requerem extração mecânica do feixe para limpeza - porque o feixe em gancho é fixo e não pode ser puxado através do alojamento da curva de retorno.
- Taxas de fluxo de massa no lado do casco excedendo o equivalente a 500 kg/s através do casco DN600 - devido à passagem única do casco causando queda de pressão que excede o limite típico de projeto de 50-80 kPa (de acordo com a diretriz de queda de pressão permitida pela TEMA).
- Serviço de vácuo muito alto no lado do casco (< 1 kPa absoluto) - o alojamento da curva de retorno pode exigir anéis de reforço adicionais de acordo com ASME VIII-1 UG-29 para evitar colapso sob pressão externa; consulte projeto.
Dimensionamento de entrada necessária para cotação
Para fornecer um projeto térmico e mecânico preliminar, envie os seguintes dados do processo:
- Nome e composição do fluido do lado do tubo (se mistura)
- Nome e composição do fluido lateral
- Temperaturas de entrada/saída do lado do tubo
- Temperaturas de entrada/saída do lado do casco
- Queda de pressão permitida no lado do tubo
- Queda de pressão permitida no lado do casco
- Pressão operacional do lado do tubo
- Pressão operacional do lado do casco
- Pegada máxima disponível (comprimento da perna reta, altura livre)
- Fatores de incrustação (lado do tubo e lado do casco), se conhecidos; caso contrário, serão aplicados valores TEMA padrão
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