Trocador de calor a ar API 660 com feixe tubular de alta eficiência de transferência de calor e configuração de múltiplos passes

Trocador de Calor a Ar | Tiragem Forçada / Induzida | Estrutura em A / Estrutura em V / Horizontal | Cabeçote de Plugue / Tampa / Tubo | Materiais dos Tubos: CS / SS / Ti / Duplex | Temp. -40°C a +450°C | Pressão até 10,0 MPa | Conforme API 661 / ISO 13706

Visão Geral – Trocador de Calor a Ar como Unidade de Substituição Independente

Um trocador de calor a ar é o núcleo de transferência de calor de um trocador de calor resfriado a ar (ACHE). Ele consiste em fileiras de tubos lisos ou aletados, fixados por chapas de tubo em cada extremidade, com caixas de cabeçote (manifold de entrada e saída) acopladas para distribuir o fluido de processo através dos tubos. O feixe é instalado dentro de um compartimento estrutural, com ventiladores axiais ou centrífugos forçando ou puxando o ar ambiente através da superfície externa do tubo.

Este produto é projetado e fabricado conforme API 661 (Trocadores de Calor Resfriados a Ar para Serviço Geral de Refinaria), ISO 13706 e TEMA Classe R ou B, quando aplicável. É fornecido como um feixe de substituição, feixe sobressalente ou como um novo feixe para um novo compartimento de ACHE.

Tipos de ACHE – Configuração do Ventilador e Orientação do Feixe

Os seguintes tipos de trocadores de calor a ar definem a configuração de instalação e o arranjo do ventilador do feixe. O feixe em si é o mesmo conjunto central, mas a orientação, a estrutura de suporte e a direção do fluxo de ar variam.

ACHE de Tiragem Forçada

• Os ventiladores estão localizados abaixo do feixe de tubos, empurrando o ar para cima através do feixe

• Distribuição de ar: Fluxo de ar uniforme através da face do feixe devido ao plenum do ventilador

• Manutenção: Componentes do ventilador e acionamento acessíveis no nível do solo ou da plataforma

• Orientação do feixe: Horizontal (tubos horizontais, ar flui verticalmente para cima)

• Aplicação típica: Resfriamento de processo geral de refinaria, intercoolers de compressor

• Vantagem: Menor custo de instalação, manutenção mais fácil do ventilador

• Limitação: Risco de recirculação de ar quente se os muros de vento não forem instalados; o calor do ventilador aumenta a temperatura do ar de entrada

ACHE de Tiragem Induzida

• Os ventiladores estão localizados acima do feixe de tubos, puxando o ar para cima através do feixe

• Distribuição de ar: A câmara de plenum acima do feixe garante sucção uniforme

• Manutenção: Componentes do ventilador e acionamento em plataforma elevada – requer plataforma de acesso

• Orientação do feixe: Horizontal (tubos horizontais, ar flui verticalmente para cima)

• Aplicação típica: Condensadores de vapor (ACC), serviços de alta temperatura, grandes unidades de refinaria

• Vantagem: Melhor distribuição de ar; menos recirculação; protege o feixe da precipitação

• Limitação: Maior custo de instalação; acesso ao ventilador em elevação; maior altura da chaminé do ventilador

ACHE em Estrutura em A

• O feixe consiste em dois feixes de tubos planos dispostos em forma de V invertido (ápice no topo)

• Os ventiladores estão localizados abaixo do ápice, soprando ar para cima através de ambos os feixes inclinados

• Orientação do feixe: Inclinado (tipicamente 30° a 60° da horizontal)

• Aplicação típica: Condensadores de vapor resfriados a ar (ACC) em usinas de energia, grandes unidades petroquímicas

• Vantagem: Reduz a área ocupada para grandes áreas de compartimento; fornece drenagem de condensado por gravidade (tubos inclinados)

• Limitação: Estrutura de suporte mais complexa; maior volume de plenum necessário

ACHE em Estrutura em V

• O feixe consiste em dois feixes de tubos planos dispostos em forma de V (ápice na parte inferior)

• Os ventiladores estão localizados acima do ápice, puxando ar para cima através de ambos os feixes inclinados

• Orientação do feixe: Inclinado (tipicamente 30° a 60° da horizontal)

• Aplicação típica: Condensadores de vapor onde a tiragem induzida é preferida para proteção contra congelamento

• Vantagem: Mesma redução de área ocupada que a estrutura em A; o condensado drena para o coletor inferior

• Limitação: Ventilador e acionamento em elevação; tubulação de cabeçote mais complexa

ACHE Horizontal (Feixe Único por Compartimento)

• Feixe de tubo plano único instalado horizontalmente

• Ventiladores abaixo (tiragem forçada) ou acima (tiragem induzida)

• Orientação do feixe: Horizontal (inclinação de 0°)

• Aplicação típica: Resfriamento de processo geral, resfriamento de gás, condensação de hidrocarbonetos

• Vantagem: Construção mais simples; substituição e acesso de manutenção do feixe mais fáceis

• Limitação: Requer área de terreno maior para grandes capacidades (mais compartimentos necessários)

Construção do Feixe – Componentes Principais

Tubos

• Tipos de tubo: Tubo liso (baixa incrustação, gás de baixa temperatura) ou tubo aletado (para HTC baixo no lado do ar)

• Diâmetro externo do tubo (liso / base): 15,88 mm – 50,8 mm (5/8" a 2")

• Espessura da parede do tubo: 1,2 mm – 5,0 mm (sem costura ou soldado)

• Comprimento do tubo (entre chapas de tubo): 2,0 m – 12,0 m por norma API 661

• Passo do tubo (centro a centro):

  • Transversal (através do fluxo de ar): 1,5× – 2,5× diâmetro externo do tubo

  • Longitudinal (ao longo do fluxo de ar): 1,5× – 2,5× diâmetro externo do tubo

• Arranjo do tubo: Escalonado (triangular) ou em linha (quadrado) – escalonado fornece HTC mais alto no lado do ar; em linha permite limpeza mais fácil.

Chapas de Tubo

• Localização: Extremidades frontal (entrada) e traseira (saída) do feixe

• Espessura: 15 mm – 80 mm (selecionada por pressão no lado do tubo e carga da junta tubo-chapa de tubo)

• Tolerância do diâmetro do furo: H11 conforme ISO 286 (por exemplo, Ø25,2 mm +0,13/0)

• Acabamento do furo: Ra ≤ 1,6 µm para juntas expandidas; Ra ≤ 3,2 µm para juntas apenas soldadas

• Material: Aço carbono, aço inoxidável revestido ou aço inoxidável maciço – correspondente à corrosividade do fluido no lado do tubo e à pressão de operação

• Retenção do tubo: Os tubos são expandidos (hidráulica ou por rolo), soldados (solda de vedação) ou combinados (solda + expansão) nas chapas de tubo

Caixas de Cabeçote (Manifolds de Entrada / Saída)

• Seleção do tipo (por API 661):

  • Cabeçote de plugue – plugues removíveis rosqueados ou aparafusados para acesso ao tubo; adequado para serviço limpo e baixa pressão

  • Cabeçote de placa de cobertura – placa de cobertura aparafusada para acesso total ao tubo; recomendado para serviço com incrustação onde a limpeza do tubo é necessária

  • Cabeçote de manifold de tubo – conexões de tubo soldadas; usado para alta pressão ou onde o acesso ao tubo não é necessário

• Construção da caixa do cabeçote:

  • Seção transversal retangular ou redonda

  • Conexões flangeadas conforme ASME B16.5 ou B16.47 (pescoço de solda ou slip-on)

  • Partições de passagem (defletores internos) para configurar o caminho do fluxo no lado do tubo (uma, duas ou quatro passagens)

• Classificação de pressão de projeto: Correspondente à pressão de projeto no lado do tubo (0,1 – 10,0 MPa)

• Conexões de dreno e ventilação: Conexões roscadas NPT ou de solda de encaixe em pontos baixos/altos

Estruturas Laterais e Suportes

• Estrutura: Construção em canal de aço ou viga I para suportar o peso do feixe durante o içamento e a operação

• Olhais de içamento: Soldados às estruturas laterais ou chapas de tubo – classificados para peso do feixe x 2,0 fator de segurança

• Pontos de suporte: Localizados para minimizar a deflexão do tubo e manter o nível do feixe dentro de ±3 mm ao longo do comprimento do feixe

Tipos de Aletas – Para Trocadores de Calor a Ar

Os seguintes tipos de fixação de aletas estão disponíveis para trocadores de calor a ar. A seleção é baseada na temperatura do lado do tubo, corrosividade atmosférica e ciclos térmicos.

Configuração do Cabeçote – Impacto na Substituição do Feixe

Ao encomendar um feixe de substituição, a configuração do cabeçote deve corresponder à tubulação existente do compartimento e aos requisitos de acesso ao tubo.

Configuração de Passagem no Lado do Tubo

O número de passagens no lado do tubo é determinado pela queda de pressão permitida no lado do tubo e pelo coeficiente de transferência de calor necessário:

• Passagem única – menor ΔP no lado do tubo; adequado para serviços de alto fluxo e baixa queda de pressão

• Duas passagens – ΔP moderado; fornece maior velocidade no lado do tubo para melhor HTC

• Quatro passagens – maior ΔP; usado quando o HTC no lado do tubo limita o desempenho geral e a queda de pressão está disponível

As partições de passagem dentro das caixas de cabeçote direcionam o fluxo da entrada para a saída. O número de fileiras de tubos também é afetado pelo arranjo de passagens:

• Para passagem única: fileiras de tubos = total de tubos / número de tubos por fileira (distribuição uniforme)

• Para múltiplas passagens: as partições de passagem dividem o feixe de tubos em grupos iguais

Seleção de Material – Tubo, Chapa de Tubo e Cabeçote

Opções de Material de Tubo (Por API 661)

Opções de Material de Chapa de Tubo e Cabeçote

• Aço carbono SA-516 Gr.70 – serviço não corrosivo no lado do tubo

• Revestido de aço inoxidável (316L ou 304L sobre CS) – serviço corrosivo com alta pressão; espessura do revestimento ≥ 3 mm conforme ASME VIII-1 UW-13

• Aço inoxidável maciço 304L / 316L – serviço totalmente corrosivo, sem suporte de aço carbono

• Duplex / titânio maciço – para serviço severo com cloreto ou duty offshore

O material da caixa do cabeçote é tipicamente correspondente ao material da chapa do tubo para evitar corrosão galvânica em juntas aparafusadas ou soldadas. Para cabeçotes de aço carbono em serviço corrosivo, é aplicada uma cobertura interna (epóxi ou fenólica) conforme API 661.

Parâmetros de Fabricação – Controle de Processo

Perfuração da Chapa de Tubo

• Tamanho da broca: Controlado para tolerância H11 conforme ISO 286

• Acabamento do furo: Ra ≤ 1,6 µm para juntas expandidas; Ra ≤ 3,2 µm para juntas soldadas

• Desvio do ligamento (teia entre os furos): ≤ ±0,2 mm do desenho

• Limpeza do furo: Detritos removidos e furos inspecionados quanto a rebarbas e cavacos antes da inserção do tubo

Expansão do Tubo (Hidráulica)

• Pressão de expansão: 160 – 220 MPa (hidráulica) ou expansão por rolo (mecânica) com rolo calibrado

• Profundidade de expansão: Mínimo 1,5× diâmetro externo do tubo ou 2× espessura da parede do tubo na chapa de tubo

• Tempo de retenção da expansão: 5 – 8 segundos (hidráulica)

• Verificação do calibre pós-expansão: 100% dos tubos aceitam uma esfera de calibre 0,5 mm menor que o diâmetro interno do tubo

• Verificação da resistência à tração: Teste de tração de primeira peça por feixe – alvo ≥ 20 MPa (CS) / ≥ 25 MPa (SS)

Soldagem Tubo-Chapa de Tubo (se especificado)

• Processo de soldagem: GTAW (TIG) – automático ou manual

• Tipo de solda: Solda de filete (vedação) ou solda de penetração total (para serviço tóxico/alta pressão)

• Altura do cordão de filete: 1,5 mm – 2,0 mm para solda de vedação

• Penetração total: Penetração da raiz da solda ≥ 0,5 mm na parede do tubo

• Inspeção: 100% líquido penetrante (PT) conforme ASME VIII-1 UW-51 – aceitação: sem trincas ou porosidade

• Procedimento de soldagem: Qualificado conforme ASME Seção IX com PQR e WPS

Fabricação da Caixa do Cabeçote

• Caixa do cabeçote (entrada/saída) – construção em aço soldado com conexões flangeadas ASME B16.5

• Dimensões da caixa do cabeçote correspondentes ao padrão da chapa de tubo do feixe (contagem de tubos e layout)

• Partições de passagem (defletores internos) soldadas ao interior da caixa do cabeçote – material e procedimento de soldagem correspondentes ao material do cabeçote

• Conexões de dreno e ventilação: Conexões roscadas NPT ou de solda de encaixe

Montagem e Içamento do Feixe

• Tubos inseridos por uma extremidade e expandidos/soldados nas chapas de tubo

• Defletores ou suportes de tubo (se necessário) instalados no espaçamento especificado

• Estruturas laterais e olhais de içamento acoplados para suportar o peso do feixe

• Teste de içamento do feixe (se necessário): Içar o feixe com 1,1× peso do feixe – verificado pelo fabricante antes do envio

Parâmetros Operacionais – Classificação do Feixe de Trocador de Calor a Ar

Testes de Vazamento e Testes Hidrostáticos

Feixe de Tubo (Antes da Instalação do Cabeçote)

• Juntas tubo-chapa de tubo: Teste hidrostático a 1,3 × pressão de projeto no lado do tubo (conforme ASME VIII-1 UG-99) – manter por 30 minutos, queda de pressão zero, sem vazamento visível

• Após o teste: Lado do tubo drenado e seco; furos dos tubos inspecionados quanto a vazamentos

Caixa do Cabeçote (Montada no Feixe)

• Teste hidrostático final (feixe completo incluindo cabeçotes): Pressão de teste conforme UG-99 (apenas lado do tubo – lado da carcaça é atmosférico)

• Meio de teste: Água limpa (potável ou desmineralizada) – com inibidor de corrosão para aço carbono

• Duração do teste: Mínimo de 30 minutos

• Aceitação: Queda de pressão zero; sem vazamento visível das juntas dos tubos, soldas do cabeçote, conexões flangeadas ou plugues

Teste de Vazamento Pneumático (se especificado)

• Usado para serviço de hidrogênio, fluidos tóxicos ou onde resíduos de água são inaceitáveis

• Pressão de teste: 0,6 MPa de ar ou nitrogênio

• Detecção de vazamento: Aplicação de bolha de sabão em todas as juntas e soldas

• Aceitação: Taxa de vazamento ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s conforme método de orifício equivalente da ASME Apêndice VI

Documentação por Envio – Feixe de Substituição

• Certificados de teste de material (EN 10204 3.1 ou 3.2) – tubos, chapas de tubo, cabeçotes, flanges e aço estrutural

• Folha de dados API 661 completa (ou folha de dados ISO 13706)

• Relatório de dados ASME U-stamp (se aplicável)

• Folha de dados TEMA (Classe R ou B – se aplicável)

• Relatório de inspeção dimensional (comprimento do feixe, layout dos furos da chapa de tubo, diâmetro externo do tubo, altura/passo da aleta se aletado)

• Relatório de teste hidrostático (com registro de gráfico de pressão)

• Relatório de teste de vazamento pneumático (se realizado)

• Relatórios NDE (PT / UT / VT conforme realizado)

• Especificação de procedimento de soldagem (WPS) e registro de qualificação de procedimento (PQR) – para soldas tubo-chapa de tubo e soldas de cabeçote

• Desenho do feixe de tubo como construído – com contagem de tubos, arranjo de passagens de tubos, dimensões do cabeçote

• Especificação de pintura/revestimento (se aplicado) – espessura do revestimento epóxi/fenólico e certificado de teste de lote

Lista de Verificação de Seleção – Feixe de Trocador de Calor a Ar de Substituição

Ao encomendar um feixe de substituição, forneça o seguinte para garantir o ajuste e o desempenho corretos:

1. Número do desenho do feixe original (se disponível)

2. Número do compartimento API 661 e posição do feixe (superior, intermediário, inferior se multi-compartimento)

3. Contagem de tubos, diâmetro externo do tubo, espessura da parede e comprimento (entre chapas de tubo)

4. Passo do tubo (transversal e longitudinal) e arranjo do tubo (escalonado ou em linha)

5. Tipo de aleta (se aletado) – Pé em L / KL / LL / Extrudado / Soldado por HF / Tubo liso

6. Especificação da aleta (altura, passo/aletas por polegada, material)

7. Tipo de cabeçote – Plugue (rosqueado ou aparafusado) / Placa de cobertura / Manifold de tubo

8. Tamanho e classificação da conexão do cabeçote – classificação da flange (ASME Classe 150 / 300 / 600) ou conexão de solda

9. Configuração de passagem no lado do tubo – passagem única / duas / quatro (com desenho da partição de passagem, se disponível)

10. Material e espessura da chapa de tubo (se for necessária correspondência exata)

11. Pressão de projeto e temperatura de projeto (lado do tubo)

12. Composição do fluido – para verificar a compatibilidade do material

13. Tolerância de corrosão necessária (parede do tubo e face da chapa de tubo)

14. Especificação de pintura/revestimento – se for necessária proteção contra corrosão atmosférica

15. Classificação e localização do olhal de içamento (para corresponder ao equipamento de içamento existente)

Pontos de Inspeção para Recebimento (Lado do Comprador)

Após a entrega de um feixe de substituição, verifique o seguinte antes da instalação:

• Comprimento total do feixe (entre chapas de tubo) – dentro de ±1,5 mm do desenho

• Padrão dos furos da chapa de tubo – contagem de tubos e configuração da partição de passagem (corresponder à caixa de cabeçote existente)

• Diâmetro externo do tubo, altura/passo da aleta (se aletado) – dentro da tolerância conforme desenho

• Orientação da flange da caixa do cabeçote e alinhamento dos furos dos parafusos (corresponder aos bocais existentes)

• Verificação visual da junta tubo-chapa de tubo – sem sinais de trincas ou defeitos de solda

• Registros de teste hidrostático – verificar pressão e tempo de retenção

• Olhais de içamento – verificação visual de tamanho correto e integridade da solda

• Pintura/revestimento – verificar espessura (espessura de filme seco conforme especificação), sem pontos nus ou furos de alfinete

• Embalagem do feixe – embalado ou ensacado para evitar danos durante o transporte e armazenamento

Diretrizes de Armazenamento e Preservação

Se o feixe não for instalado imediatamente após o recebimento:

• Armazenar em ambiente interno ou sob cobertura à prova de intempéries – proteger da chuva, neve e luz solar direta

• Armazenar na posição horizontal – sobre suportes nos pontos de içamento especificados pelo fabricante para evitar a deflexão do tubo

• Para feixes de aço carbono: Aplicar revestimento temporário inibidor de corrosão (papel VCI, filme de óleo ou dessecante) – conforme recomendação do fabricante

• Extremidades dos tubos e aberturas do cabeçote: Selados com tampas plásticas ou tampas flangeadas para evitar a entrada de detritos

• Inspeção antes da instalação: Remover tampas, inspecionar extremidades dos tubos e interior do cabeçote quanto à umidade ou detritos

Declaração de Limitação de Projeto – Feixe de Trocador de Calor a Ar

O feixe de trocador de calor a ar como produto autônomo está sujeito às seguintes limitações:

• Deve ser instalado em um compartimento com geometria correspondente (padrão de furos da chapa de tubo, configuração da caixa do cabeçote e dimensões do envelope do feixe)

• Não é classificado para pressão interna do lado da carcaça (lado do ar é atmosférico – sem contenção de pressão interna)

• Não é adequado para conteúdo de sólidos no lado do tubo > 2% em peso (risco de erosão e afinamento da parede do tubo)

• Não pode ser usado com fluidos incompatíveis com o material do tubo (validar com a tabela de seleção de materiais)

• Para pressão muito alta no lado do tubo (> 10,0 MPa), consulte para projeto de cabeçote customizado (manifold de tubo com soldas de penetração total e chapas de tubo de parede espessa)