Visão geral – Pacote de tubos do resfriador de ar como núcleo de transferência de calor
Um feixe de tubos de resfriador de ar é o conjunto central de transferência de calor de um trocador de calor resfriado a ar (ACHE). Consiste em fileiras de tubos nus ou aletados, fixados em cada extremidade por placas tubulares e conectados a caixas coletoras de entrada e saída. O conjunto é instalado dentro de um compartimento estrutural, onde ventiladores axiais ou centrífugos forçam ou puxam o ar ambiente através da superfície externa do tubo para resfriar o fluido do processo que flui dentro dos tubos.
Este produto foi projetado e fabricado de acordo com API 661 (trocadores de calor resfriados a ar para serviços gerais de refinaria), ISO 13706 e TEMA Classe R ou B, quando aplicável. Ele é fornecido como um pacote de reposição, um pacote sobressalente ou um conjunto completo para uma nova baia ACHE.
Tipos de refrigeradores de ar – orientação do conjunto e configuração do ventilador
O feixe de tubos é o mesmo conjunto central em todos os tipos ACHE; orientação, estrutura de suporte e direção do fluxo de ar variam de acordo com a configuração.
Rascunho Forçado
Ventiladores localizados abaixo do feixe, empurrando o ar para cima através das fileiras de tubos
A distribuição de ar é uniforme devido ao plenum do ventilador abaixo
Os componentes do ventilador e do acionamento são acessíveis no nível do solo ou da plataforma
Orientação do pacote: Horizontal
Aplicação típica: resfriamento geral de processos de refinaria, intercoolers de compressores
Calado Induzido
Ventiladores localizados acima do feixe, puxando o ar para cima através das fileiras de tubos
A câmara plenum acima do feixe garante sucção uniforme
Os componentes do ventilador e do inversor exigem uma plataforma de acesso elevada
Orientação do pacote: Horizontal
Aplicação típica: Condensadores de vapor, serviços de alta temperatura, grandes unidades de refinaria
Vantagem: Melhor distribuição de ar, menos recirculação, feixe protegido da precipitação
Moldura A
Dois feixes de tubos planos dispostos em forma de V invertido (ápice no topo)
Ventiladores localizados abaixo do ápice, soprando ar para cima através de ambos os feixes inclinados
Orientação do pacote: Inclinada, normalmente de 30° a 60° da horizontal
Aplicação típica: Condensadores de vapor resfriados a ar (ACC) em usinas de energia
Vantagem: Reduz a área do lote para grandes áreas de baía; o condensado é drenado por gravidade ao longo de tubos inclinados
Quadro em V
Dois feixes de tubos planos dispostos em forma de V (ápice na parte inferior)
Ventiladores localizados acima do ápice, puxando o ar para cima através de ambos os feixes inclinados
Orientação do pacote: Inclinada, normalmente de 30° a 60° da horizontal
Aplicação típica: Condensadores de vapor onde a tiragem induzida é preferida para proteção contra congelamento
Vantagem: Redução da pegada semelhante ao A-frame; o condensado é drenado para um coletor inferior
Pacote Único Horizontal
Feixe de tubo plano único instalado horizontalmente
Ventiladores abaixo (tiragem forçada) ou acima (tiragem induzida)
Orientação do pacote: Horizontal, inclinação de 0°
Aplicação típica: Resfriamento de processo geral, resfriamento de gás, condensação de hidrocarbonetos
Vantagem: Construção mais simples; substituição mais fácil do pacote e acesso para manutenção
Construção de pacote – componentes principais
Tubos
| Parâmetro | Faixa | Observação |
|---|---|---|
| DE do tubo (base) | 15,88 mm – 50,8 mm | OD menor para pressão mais alta; maior diâmetro externo para serviço de incrustação |
| Espessura da parede do tubo | 1,2 mm – 5,0 mm | Sem costura ou soldado |
| Comprimento do tubo (entre folhas de tubo) | 2,0m – 12,0m | Por padrão API 661 |
| Passo do tubo transversal | 1,5 × – 2,5 × diâmetro externo do tubo | Na direção do fluxo de ar |
| Passo longitudinal do tubo | 1,5 × – 2,5 × diâmetro externo do tubo | Ao longo da direção do fluxo de ar |
| Arranjo de tubo | Escalonado (triangular) ou em linha (quadrado) | Escalonado proporciona maior transferência de calor no lado do ar; em linha permite uma limpeza mais fácil |
Folhas de tubo
| Parâmetro | Faixa/Valor | Observação |
|---|---|---|
| Grossura | 15mm – 80mm | De acordo com ASME VIII-1 / TEMA RCB-4.3 |
| Tolerância do diâmetro do furo | H11 por ISO 286 | Exemplo: Ø25,2 mm +0,13/0 |
| Acabamento do furo | Ra ≤ 1,6 μm (expandido) / Ra ≤ 3,2 μm (soldado) | Acabamento mais fino necessário para expansão |
| Material | CS / SS / Revestido | Compatível com a corrosividade e pressão do fluido no lado do tubo |
| Retenção de tubo | Expandido / Soldado / Combinado | Por seleção de tipo de junta |
Caixas coletoras (coletores de entrada/saída)
| Tipo de cabeçalho | Acesso ao tubo | Capacidade de Pressão | Serviço Típico |
|---|---|---|---|
| Cabeçalho do plug (rosqueado) | Remoção limitada e individual do plugue | Até 2,0 MPa | Serviço de limpeza de baixa pressão |
| Cabeçalho do plugue (parafusado) | Remoção fácil e aparafusada do plugue | Até 5,0 MPa | Serviço de média pressão levemente incrustante |
| Cabeçalho da placa de cobertura | Acesso total, tampa inteira removida | Até 5,0 MPa | Serviço de incrustação que requer limpeza mecânica |
| Cabeçalho coletor de tubo | Sem acesso ao tubo, construção soldada | Até 10,0 MPa | Gás ou líquido de alta pressão, sem necessidade de limpeza |
Construção da caixa de cabeçalho:
Seção retangular ou redonda
Conexões flangeadas conforme ASME B16.5 ou B16.47
Partições de passagem para passagens únicas, duas ou quatro passagens laterais do tubo
Conexões de drenagem e ventilação em pontos baixos e altos
Estruturas laterais e alças de elevação
Quadro estrutural: Canal de aço ou viga I
Alças de elevação: soldadas às estruturas laterais ou placas tubulares, avaliadas em 2× o peso do pacote
Pontos de suporte localizados para minimizar a curvatura do tubo e manter o nivelamento dentro de ±3 mm ao longo do comprimento do feixe
Tipos de barbatanas – seleção por temperatura e ambiente
| Tipo de barbatana | Método de anexo | Temperatura operacional máxima | Material da barbatana | Aplicação Típica |
|---|---|---|---|---|
| Pé L (ferida de tensão) | Ferida no pé em forma de L sob tensão | ≤ 150°C | Alumínio 1100 | Resfriamento a gás de baixa temperatura, intercoolers |
| Pé KL (recartilhado L) | Superfície do tubo serrilhado com pé mecanicamente interligado | ≤ 320ºC | Alumínio 1100 | Gás de processo de média temperatura, pós-resfriadores |
| Pé LL (L sobreposto) | O pé sobreposto cobre totalmente o diâmetro externo do tubo | ≤ 177°C | Alumínio 1100, Cobre C1100 | Atmosfera costeira e marinha |
| Extrudado (bimetálico) | Luva externa de alumínio extrudada em aletas | ≤ 230ºC | Alumínio 1100 (externo) | Ambientes offshore, marinhos e de alta corrosão |
| Soldado de alta frequência | Tira de aleta soldada por resistência ao tubo | ≤ 450°C | Aço carbono, aço inoxidável | Resfriamento de gás de alta temperatura, recuperação de calor residual |
| Nu (sem barbatana) | Não aplicável | Até 600°C | Como material de tubo | Gás limpo de alta temperatura, vapor, baixa incrustação |
Geometria da barbatana (típica)
| Parâmetro | Pé L / KL / LL | Extrudado | Soldado de alta frequência |
|---|---|---|---|
| Altura da barbatana | 8mm – 16mm | 8mm – 16mm | 8mm – 19mm |
| Passo da barbatana (FPI) | 7 – 11,5 | 7 – 11 | 2 – 7 |
| Espessura da barbatana | 0,25 mm – 0,5 mm | Integrante | 0,8 mm – 3,2 mm |
| Proporção de área de superfície (estendida/nua) | 10 – 23 | 10 – 20 | 6 – 15 |
Resistência de ligação de barbatana
Para tipos de aletas enroladas em tensão (pé L, pé KL, pé LL), a ligação mecânica entre a aleta e o tubo introduz resistência ao contato térmico:
Para temperaturas no lado do tubo acima de 120°C, um valor de condutância de ligação de 2.000 – 5.000 W/m²·K é normalmente aplicado para novos feixes.
Os pacotes em serviço podem ter condutância de ligação reduzida devido à ciclagem térmica. A área superficial adicional de 3% a 30% é frequentemente incluída no projeto, dependendo da temperatura operacional e do tipo de ligação.
Aletas extrudadas e soldadas de alta frequência não têm resistência de ligação, pois a aleta é integral ou ligada metalurgicamente.
Parâmetros térmicos e hidráulicos do lado do ar
| Parâmetro | Faixa Típica | Observação |
|---|---|---|
| Velocidade facial do ar (aproximação) | 1,5 – 4,0m/s | Selecionado com base na potência do ventilador e nos limites de ruído |
| Velocidade da massa do ar (através do pacote) | 2 – 6 kg/m²·s | Com base na área livre entre tubos e aletas |
| HTC convectivo do lado do ar (equivalente a tubo nu) | 30 – 120 W/m²·K | Depende da geometria da aleta, velocidade e material |
| Eficiência das barbatanas | 40% – 90% | Calculado por métodos padrão |
| HTC geral (referência de ar para tubo, área nua) | 15 – 60 W/m²·K | Típico para feixes com aletas ACHE |
| Queda de pressão no lado do ar (através do pacote) | 100 – 300 Pa | De acordo com o limite de design da API 661 |
| Temperatura ambiente de projeto | -40°C a +55°C | Com base em dados meteorológicos do local |
| Área facial do pacote por unidade | 10 – 200 m² | Baía única; tarefas maiores usam vários compartimentos |
Seleção de materiais – tubos, placas de tubos e coletores
Materiais de tubo
| Material | Especificação | Faixa de temperatura | Limite de Cloreto | Aplicativo |
|---|---|---|---|---|
| Aço carbono | SA-179 / SA-106 Gr.B | -20°C a +425°C | Não aplicável | Água, óleo, hidrocarbonetos limpos, vapor |
| Inox 304L / 316L | ASTM A213 | -196°C a +600°C | ≤ 200 ppm | Fluidos corrosivos, vapor limpo, alimentos e produtos farmacêuticos |
| Dúplex 2205 | ASTM A789 | -40°C a +280°C | ≤ 300 ppm a 80°C | Hidrocarbonetos contendo cloreto, offshore |
| Titânio Gr.2 | ASTM B338 | -40°C a +230°C | Até 20.000 ppm | Água do mar, salmoura, resfriamento com alto teor de cloreto |
| Cobre-níquel C70600 | ASTM B111 | -40°C a +200°C | < 500 ppm | Resfriamento marinho, água salobra |
Folha de tubo e materiais de cabeçalho
Aço carbono SA-516 Gr.70 para serviço não corrosivo na lateral do tubo
Revestimento inoxidável sobre aço carbono para serviço corrosivo com alta pressão; espessura de revestimento mínima de 3 mm de acordo com ASME VIII-1 UW-13
Inox sólido 304L/316L para serviço totalmente corrosivo
Duplex sólido ou titânio para serviço severo com cloreto ou serviço offshore
O material da caixa coletora normalmente é compatível com o material da chapa do tubo para evitar corrosão galvânica em juntas aparafusadas ou soldadas. Para coletores de aço carbono em serviço corrosivo, o revestimento interno (epóxi ou fenólico) é aplicado conforme API 661.
Processo de Fabricação – Principais Controles
Perfuração de chapa tubular
Tamanho da broca controlado para tolerância H11 de acordo com ISO 286
Acabamento do furo: Ra ≤ 1,6 μm para juntas expandidas; Ra ≤ 3,2 μm para juntas soldadas
Desvio do ligamento ≤ ±0,2 mm do desenho
Todos os furos rebarbados e limpos antes da inserção do tubo
Expansão do tubo
Pressão de expansão hidráulica: 160 – 220 MPa; tempo de espera 5 – 8 segundos
Profundidade de expansão: Mínimo 1,5 × diâmetro externo do tubo ou 2 × espessura da parede do tubo na placa do tubo
Verificação do medidor pós-expansão: 100% dos tubos aceitam uma esfera do medidor 0,5 mm menor que o diâmetro interno do tubo
Verificação da resistência ao arrancamento: Teste do primeiro artigo por feixe, alvo ≥ 20 MPa para aço carbono e ≥ 25 MPa para aço inoxidável
Soldagem de tubo a chapa de tubo (se especificado)
Processo GTAW (TIG), automático ou manual
Altura da perna de filete 1,5 – 2,0 mm para solda de vedação
Penetração total da raiz da solda ≥ 0,5 mm na parede do tubo
Teste 100% de líquido penetrante de acordo com ASME VIII-1 UW-51
Procedimento de soldagem qualificado pela ASME Seção IX
Fabricação de caixa de cabeçalho
Construção em aço soldado com conexões flangeadas ASME B16.5 ou B16.47
Dimensões da plataforma correspondentes ao padrão de furos da chapa tubular
Divisórias de passagem soldadas ao interior da plataforma, material e procedimento de soldagem correspondentes ao material da plataforma
Conexões de drenagem e ventilação: conexões roscadas NPT ou soldadas
Montagem e levantamento de pacotes
Tubos inseridos e expandidos ou soldados em placas de tubos
Defletores ou suportes de tubos instalados em espaçamento especificado
Estruturas laterais e alças de elevação fixadas
Teste de levantamento realizado com 1,1 × peso do pacote, se especificado
Inspeção e testes por pacote
Inspeção Dimensional
| Item | Tolerância | Método |
|---|---|---|
| diâmetro externo do tubo | ±0,11 mm | Micrômetro (amostra) |
| Altura da barbatana | ±0,5 mm | Paquímetro ou modelo |
| Passo da barbatana | ±0,2 mm por 100 mm de comprimento | Modelo ou óptico |
| Comprimento total do pacote | ±1,5 mm | Fita métrica ou laser |
| Padrão de furo na folha de tubo | Por desenho | CMM ou comparador óptico |
| Orientação do flange da plataforma | De acordo com ASME B16.5 | Modelo ou transferidor |
Exame Não Destrutivo
| Exame | Método | Escopo | Aceitação |
|---|---|---|---|
| Soldas de tubo a tubo | PT (líquido penetrante) | 100% se soldado | Sem fissuras, porosidade ≤ 0,8 mm |
| Soldas de aleta (soldadas de alta frequência) | Visual e PT (amostra) | 100% visual; 5% PT | Sem rachaduras, sem barbatanas soltas |
| Soldas de cabeçalho | RT ou UT | De acordo com ASME VIII-1 UW-51 ou UW-52 | Por código |
| Condição interna do tubo | Boroscópio | 5% dos tubos (aleatório) | Sem arranhões > 0,1 mm, sem bloqueios |
Teste Hidrostático (Lado do Tubo)
Pressão de teste: 1,3 × pressão de projeto de acordo com ASME VIII-1 UG-99
Meio de teste: Água limpa com inibidor de corrosão; cloreto ≤ 50 ppm para aço inoxidável
Tempo de espera: ≥ 30 minutos
Aceitação: Queda de pressão zero; nenhum vazamento visível nas juntas dos tubos, coletores ou plugues
Teste de vazamento pneumático (se especificado)
Pressão de teste: 0,6 MPa de ar ou nitrogênio
Detecção de vazamento: aplicação de bolhas de sabão em todas as juntas e soldas
Aceitação: Sem bolhas; taxa de vazamento ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Perfis de aplicativos – por tipo de serviço
Intercooler e pós-resfriador do compressor
Fluido lateral do tubo: Ar comprimido ou gás natural
Temperatura do lado do tubo: Entrada 120°C – 180°C, saída 40°C – 60°C
Pressão lateral do tubo: 0,5 – 10,0 MPa
Material do tubo: Aço carbono para ar; 304L para gás natural contendo CO₂ ou água
Tipo de aleta: Pé em L se a temperatura do lado do tubo for ≤ 150°C; KL-pé se 150°C – 180°C
Geometria da aleta: DE 25,4 mm × parede de 2,0 mm; altura da aleta 12,5 mm; 10 FPI
Linhas de pacote: 4 – 6
Velocidade facial do ar: 2,5 – 3,5 m/s
Queda de pressão no lado do ar: ≤ 200 Pa
Condensador aéreo de refinaria
Fluido lateral do tubo: Vapor de hidrocarboneto com vapor
Temperatura do lado do tubo: Entrada 100°C – 150°C condensação, saída 40°C – 60°C
Pressão lateral do tubo: 0,1 – 0,5 MPa
Material do tubo: Aço carbono para serviço não corrosivo; 316L para serviço ácido
Tipo de barbatana: pé L ou pé KL para serviço padrão; extrudado com tubo 316L para serviço H₂S
Geometria da aleta: DE 25,4 mm × 2,0 mm; altura da aleta 12,5 mm; 10 FPI
Linhas de pacote: 4
Recurso especial: Pacote inclinado 1:50 em direção ao coletor de saída para drenagem de líquido
Refrigerador de Gás Natural Após Desidratação ou Compressão
Fluido lateral do tubo: Gás natural tratado
Temperatura do lado do tubo: Entrada 60°C – 100°C, saída 30°C – 45°C
Pressão lateral do tubo: 4,0 – 10,0 MPa
Material do tubo: 316L ou Duplex 2205 se houver cloretos presentes
Tipo de aleta: Extrudado com alumínio 1100 externo para proteção contra corrosão offshore e costeira
Geometria da aleta: DE 19,05 mm × 2,0 mm; altura da aleta 12,5 mm; 10 FPI
Linhas de pacote: 2 – 3
Velocidade facial do ar: 2,0 – 2,5 m/s
Queda de pressão no lado do ar: ≤ 150 Pa
Condensador de vapor resfriado a ar (ACC) para usinas de energia
Fluido no lado do tubo: Vapor condensando em água sob vácuo
Temperatura do lado do tubo: Entrada 60°C – 100°C, saída 35°C – 45°C
Pressão lateral do tubo: Vácuo, 10 – 50 kPa absoluto
Material do tubo: Aço carbono galvanizado ou revestido; aço inoxidável se o vapor contiver amônia ou cloretos
Tipo de aleta: Soldada de alta frequência com ligação metalúrgica; aletas de aço carbono galvanizado por imersão a quente
Geometria do tubo: Tubos elípticos ou ovais planos com aletas de placa ou aletas soldadas helicoidalmente
Orientação do pacote: estrutura em A ou estrutura em V, inclinada 60° em relação à horizontal
Fluxo de ar: Tiragem induzida
Recurso especial: Pacotes inclinados 1:80 em direção ao coletor de coleta de condensado; proteção contra congelamento através de rastreamento de vapor ou aquecimento elétrico para operação no inverno abaixo de 0°C
Limpeza e Manutenção
A incrustação no lado do ar causada por poeira, pólen ou depósitos químicos aumenta a queda de pressão e reduz a transferência de calor. A limpeza é recomendada quando:
A queda de pressão do lado do ar excede a queda de pressão projetada em 30%
O aumento da queda de pressão no lado do ar atinge 50 Pa acima do início do funcionamento, o que ocorrer primeiro
Métodos de limpeza:
Lavagem com água: Pulverização de baixa pressão ≤ 1,0 MPa para depósitos solúveis em água
Sopro de ar: Ar comprimido ≤ 0,6 MPa para poeira seca e solta
Limpeza química: Detergente alcalino ou ácido aprovado para aletas de alumínio; evite soluções com alto teor alcalino
A limpeza lateral do tubo não é mecanicamente viável em um feixe fixo. É necessária limpeza química ou pigging on-line.
Documentação por Remessa
Certificados de teste de material de acordo com EN 10204 3.1 ou 3.2 para tubos, aletas, placas de tubos, coletores e aço estrutural
Folha de dados preenchida API 661 ou folha de dados ISO 13706
Folha de dados TEMA, se aplicável
Relatório de dados do carimbo U ASME, se aplicável
Relatório de inspeção dimensional, incluindo comprimento do feixe, layout do furo da placa do tubo, geometria das aletas e diâmetro externo do tubo
Parâmetros do processo de fixação de aletas, incluindo tensão do enrolamento, pressão de extrusão e corrente de soldagem
Relatório de teste hidrostático com registro de gráfico de pressão
Relatório de teste de vazamento pneumático, se realizado
Relatórios de EQM para PT, UT e RT conforme realizado
Especificação do procedimento de soldagem e registro de qualificação do procedimento para soldas de tubo a espelho e coletor
Desenho as-built do feixe de tubos com contagem de tubos, configuração de passes, dimensões da plataforma e localizações das alças de içamento
Especificação de pintura e revestimento com relatório de verificação de espessura
Lista de verificação de seleção – Pacote de tubos do resfriador de ar
Tipo ACHE: Tiragem forçada, tiragem induzida, quadro A, quadro V ou horizontal
Orientação do pacote: Horizontal ou inclinada com ângulo
Material e tamanho do tubo (OD e espessura da parede)
Tipo de aleta: pé L, KL, LL, extrudado, soldado de alta frequência ou nu
Material e geometria da aleta (altura, passo ou FPI, espessura)
Pressão e temperatura de projeto no lado do tubo
Composição do fluido no lado do tubo, incluindo corrosividade, cloretos e H₂S
Queda de pressão permitida no lado do tubo
Temperatura de entrada de ar para design de verão
Velocidade facial do ar ou fluxo total de ar
Queda de pressão permitida no lado do ar, normalmente 100 – 300 Pa
Tipo de coletor: Plugue, placa de cobertura ou coletor de tubo
Número de passagens na lateral do tubo: uma, duas ou quatro
Contagem e layout de tubos por compartimento existente ou novo
Requisitos de proteção contra corrosão, incluindo revestimento, galvanização ou materiais especiais de aletas e tubos
Proteção contra congelamento para serviço ACC, incluindo rastreamento de vapor, aquecimento elétrico ou recirculação
Restrições de elevação e transporte, incluindo peso e dimensões máximas
Padrões aplicáveis: API 661, ISO 13706, TEMA ou especificação do cliente
Declaração de limitação de projeto – Pacote de tubos do resfriador de ar
O conjunto de tubos do resfriador de ar está sujeito às seguintes limitações:
Ele foi projetado apenas para a pressão e temperatura especificadas no lado do tubo. A operação fora desses limites anula o projeto.
O desempenho do lado ar depende da temperatura do ar ambiente e das incrustações. A capacidade de resfriamento diminui à medida que a temperatura ambiente aumenta.
A limpeza lateral do tubo não é mecanicamente viável em um feixe fixo. Limpeza química ou pigging on-line são necessários para serviços de incrustação.
A incrustação no lado do ar aumenta a queda de pressão e reduz a transferência de calor. Programações regulares de limpeza devem ser mantidas.
Para serviços de condensação em condições de congelamento, deve ser fornecida proteção contra congelamento através de inclinação, drenagem e aquecimento.
A temperatura máxima da ponta da aleta não deve exceder os limites específicos do material: pé L ≤ 150°C, extrudado ≤ 230°C, soldado de alta frequência ≤ 450°C.
Para serviços de ciclagem térmica acima de 500 ciclos por ano, tipos de aletas tensionadas, como pés L, pés KL e pés LL, não são recomendados. Use aletas extrudadas ou soldadas de alta frequência.
O pacote deve ser instalado em uma estrutura de suporte nivelada. O desalinhamento excessivo causa distorção da placa do tubo e vazamento nas juntas.
Para pressão lateral do tubo acima de 10,0 MPa ou vácuo extremo, consulte o projeto personalizado do coletor e da placa do tubo.
