Visão Geral – Feixe de Tubos de Resfriador a Ar como Núcleo de Transferência de Calor
Um feixe de tubos de resfriador a ar é a montagem do núcleo de transferência de calor de um trocador de calor resfriado a ar (ACHE). Consiste em fileiras de tubos lisos ou com aletas, fixados em cada extremidade por placas de tubos e conectados a caixas de cabeçalho de entrada e saída. O feixe 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 de processo que flui dentro dos tubos.
Este produto é projetado e fabricado de acordo com a 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 montagem completa para um novo compartimento de ACHE.
Tipos de Resfriadores a Ar – Orientação do Feixe e Configuração do Ventilador
O feixe de tubos é a mesma montagem central em todos os tipos de ACHE; a orientação, a estrutura de suporte e a direção do fluxo de ar variam de acordo com a configuração.
Ar 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
Componentes do ventilador e da transmissão são acessíveis no nível do solo ou da plataforma
Orientação do feixe: Horizontal
Aplicação típica: Resfriamento de processo geral de refinaria, intercoolers de compressor
Ar Induzido
Ventiladores localizados acima do feixe, puxando o ar para cima através das fileiras de tubos
A câmara de plenum acima do feixe garante sucção uniforme
Componentes do ventilador e da transmissão requerem uma plataforma de acesso elevada
Orientação do feixe: Horizontal
Aplicação típica: Condensadores de vapor, serviços de alta temperatura, grandes unidades de refinaria
Vantagem: Melhor distribuição de ar, menor recirculação, feixe protegido contra precipitação
Estrutura em A
Dois feixes de tubos planos dispostos em forma de V invertido (vértice no topo)
Ventiladores localizados abaixo do vértice, soprando ar para cima através de ambos os feixes inclinados
Orientação do feixe: Inclinado, tipicamente de 30° a 60° em relação à horizontal
Aplicação típica: Condensadores de vapor resfriados a ar (ACC) em usinas de energia
Vantagem: Reduz a área de ocupação para grandes áreas de compartimento; drenos de condensado por gravidade ao longo dos tubos inclinados
Estrutura em V
Dois feixes de tubos planos dispostos em forma de V (vértice na parte inferior)
Ventiladores localizados acima do vértice, puxando ar para cima através de ambos os feixes inclinados
Orientação do feixe: Inclinado, tipicamente de 30° a 60° em relação à horizontal
Aplicação típica: Condensadores de vapor onde o ar induzido é preferido para proteção contra congelamento
Vantagem: Redução de pegada semelhante à estrutura em A; o condensado drena para um coletor inferior
Feixe Único Horizontal
Feixe de tubo plano único instalado horizontalmente
Ventiladores abaixo (ar forçado) ou acima (ar induzido)
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
Construção do Feixe – Componentes Principais
Tubos
| Parâmetro | Intervalo | Observação |
|---|---|---|
| OD do tubo (base) | 15,88 mm – 50,8 mm | OD menor para maior pressão; OD maior para serviço de incrustação |
| Espessura da parede do tubo | 1,2 mm – 5,0 mm | Sem costura ou soldado |
| Comprimento do tubo (entre placas de tubos) | 2,0 m – 12,0 m | Conforme norma API 661 |
| Passo transversal do tubo | 1,5 × – 2,5 × OD do tubo | Na direção do fluxo de ar |
| Passo longitudinal do tubo | 1,5 × – 2,5 × OD do tubo | Ao longo da direção do fluxo de ar |
| Arranjo do tubo | Escalonado (triangular) ou em linha (quadrado) | Escalonado proporciona maior transferência de calor do lado do ar; em linha permite limpeza mais fácil |
Placas de Tubos
| Parâmetro | Intervalo / Valor | Observação |
|---|---|---|
| Espessura | 15 mm – 80 mm | Conforme ASME VIII-1 / TEMA RCB-4.3 |
| Tolerância do diâmetro do furo | H11 conforme 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 | Combinado com a corrosividade e pressão do fluido do lado do tubo |
| Retenção do tubo | Expandido / Soldado / Combinado | Conforme seleção do tipo de junta |
Caixas de Cabeçalho (Coletores de Entrada / Saída)
| Tipo de Cabeçalho | Acesso ao Tubo | Capacidade de Pressão | Serviço Típico |
|---|---|---|---|
| Cabeçalho de plugue (roscado) | Limitado, remoção individual de plugue | Até 2,0 MPa | Serviço limpo de baixa pressão |
| Cabeçalho de plugue (parafusado) | Fácil, remoção de plugue parafusado | Até 5,0 MPa | Serviço de média pressão levemente incrustante |
| Cabeçalho de placa de cobertura | Acesso total, cobertura inteira removida | Até 5,0 MPa | Serviço incrustante que requer limpeza mecânica |
| Cabeçalho de manifold de tubulação | Sem acesso ao tubo, construção soldada | Até 10,0 MPa | Gás ou líquido de alta pressão, sem necessidade de limpeza |
Construção da caixa do cabeçalho:
Seção transversal retangular ou redonda
Conexões flangeadas conforme ASME B16.5 ou B16.47
Partições de passagem para uma, duas ou quatro passagens do lado do tubo
Conexões de dreno e ventilação em pontos baixos e altos
Estruturas Laterais e Olhais de Levantamento
Estrutura estrutural: Canal de aço ou viga I
Olhais de levantamento: Soldados às estruturas laterais ou placas de tubos, classificados em 2× peso do feixe
Pontos de suporte localizados para minimizar a deflexão do tubo e manter o nível dentro de ±3 mm ao longo do comprimento do feixe
Tipos de Aletas – Seleção por Temperatura e Ambiente
| Tipo de Aleta | Método de Fixação | Temp. Máx. de Operação | Material da Aleta | Aplicação Típica |
|---|---|---|---|---|
| Pé em L (enrolado sob tensão) | Pé em forma de L enrolado sob tensão | ≤ 150°C | Alumínio 1100 | Resfriamento de gás em baixa temperatura, intercoolers |
| Pé em L (serrilhado) | Superfície do tubo serrilhada com pé mecanicamente intertravado | ≤ 320°C | Alumínio 1100 | Gás de processo em média temperatura, aftercoolers |
| Pé em L (sobreposto) | Pé sobreposto cobre totalmente o OD do tubo | ≤ 177°C | Alumínio 1100, Cobre C1100 | Atmosfera costeira e marinha |
| Extrudido (bimetálico) | Manga externa de alumínio extrudada em aletas | ≤ 230°C | Alumínio 1100 (externo) | Ambientes offshore, marinhos, de alta corrosão |
| Soldado de alta frequência | Tira de aleta soldada por resistência ao tubo | ≤ 450°C | Aço carbono, aço inoxidável | Resfriamento de gás em alta temperatura, recuperação de calor residual |
| Liso (sem aleta) | Não aplicável | Até 600°C | Como material do tubo | Gás limpo em alta temperatura, vapor, baixa incrustação |
Geometria da Aleta (Típica)
| Parâmetro | Pé em L / KL / LL | Extrudido | Soldado de alta frequência |
|---|---|---|---|
| Altura da aleta | 8 mm – 16 mm | 8 mm – 16 mm | 8 mm – 19 mm |
| Passo da aleta (FPI) | 7 – 11,5 | 7 – 11 | 2 – 7 |
| Espessura da aleta | 0,25 mm – 0,5 mm | Integral | 0,8 mm – 3,2 mm |
| Razão de área superficial (estendida / lisa) | 10 – 23 | 10 – 20 | 6 – 15 |
Resistência de Ligação da Aleta
Para tipos de aletas enroladas por tensão (pé em L, pé KL, pé LL), a ligação mecânica entre a aleta e o tubo introduz resistência de contato térmica:
Para temperaturas do lado do tubo acima de 120°C, um valor de condutância de ligação de 2.000 – 5.000 W/m²·K é tipicamente aplicado para feixes novos.
Feixes em serviço podem ter condutância de ligação reduzida devido a ciclos térmicos. Área superficial adicional de 3% – 30% é frequentemente incluída no projeto, dependendo da temperatura operacional e do tipo de ligação.
Aletas extrudadas e soldadas de alta frequência não possuem resistência de ligação, pois a aleta é integral ou ligada metalurgicamente.
Parâmetros Térmicos e Hidráulicos do Lado do Ar
| Parâmetro | Intervalo Típico | Observação |
|---|---|---|
| Velocidade de face do ar (aproximação) | 1,5 – 4,0 m/s | Selecionado com base na potência do ventilador e nos limites de ruído |
| Velocidade mássica do ar (através do feixe) | 2 – 6 kg/m²·s | Com base na área livre entre os tubos e as aletas |
| HTC convectivo do lado do ar (equivalente a tubo liso) | 30 – 120 W/m²·K | Depende da geometria da aleta, velocidade e material |
| Eficiência da aleta | 40% – 90% | Calculado por métodos padrão |
| HTC geral (ar-para-tubo, referência de área lisa) | 15 – 60 W/m²·K | Típico para feixes com aletas de ACHE |
| Queda de pressão do lado do ar (através do feixe) | 100 – 300 Pa | Conforme limite de projeto API 661 |
| Temperatura ambiente de projeto | -40°C a +55°C | Com base em dados meteorológicos do local |
| Área de face do feixe por unidade | 10 – 200 m² | Compartimento único; maiores cargas usam múltiplos compartimentos |
Seleção de Materiais – Tubos, Placas de Tubos e Cabeçalhos
Materiais dos Tubos
| Material | Especificação | Intervalo de Temperatura | Limite de Cloreto | Aplicação |
|---|---|---|---|---|
| Aço carbono | SA-179 / SA-106 Gr.B | -20°C a +425°C | Não aplicável | Água, óleo, hidrocarbonetos limpos, vapor |
| Aço inoxidável 304L / 316L | ASTM A213 | -196°C a +600°C | ≤ 200 ppm | Fluidos corrosivos, vapor limpo, alimentos e farmacêuticos |
| Duplex 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 |
Materiais das Placas de Tubos e Cabeçalhos
Aço carbono SA-516 Gr.70 para serviço do lado do tubo não corrosivo
Aço inoxidável revestido sobre aço carbono para serviço corrosivo com alta pressão; espessura do revestimento mínima de 3 mm conforme ASME VIII-1 UW-13
Aço inoxidável maciço 304L / 316L para serviço totalmente corrosivo
Aço duplex maciço ou titânio para serviço severo com cloreto ou uso offshore
O material da caixa do cabeçalho é tipicamente combinado com o material da placa do tubo para evitar corrosão galvânica em juntas parafusadas ou soldadas. Para cabeçalhos de aço carbono em serviço corrosivo, é aplicada revestimento interno (epóxi ou fenólico) conforme API 661.
Processo de Fabricação – Controles Chave
Perfuração da Placa de Tubos
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 ≤ ±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 retenção 5 – 8 segundos
Profundidade de expansão: Mínimo 1,5 × OD do tubo ou 2 × espessura da parede do tubo na placa do tubo
Verificação do calibre pós-expansão: 100% dos tubos aceitam uma esfera calibre 0,5 mm menor que o ID do tubo
Verificação da resistência à tração: Teste de primeiro artigo por feixe, alvo ≥ 20 MPa para aço carbono e ≥ 25 MPa para aço inoxidável
Soldagem Tubo-Placa de Tubos (Se Especificado)
Processo GTAW (TIG), automático ou manual
Altura da perna de filete 1,5 – 2,0 mm para solda de vedação
Penetração da raiz da solda de penetração total ≥ 0,5 mm na parede do tubo
Teste de líquido penetrante 100% conforme ASME VIII-1 UW-51
Procedimento de soldagem qualificado conforme ASME Seção IX
Fabricação da Caixa do Cabeçalho
Construção em aço soldado com conexões flangeadas ASME B16.5 ou B16.47
Dimensões do cabeçalho combinadas com o padrão de furos da placa de tubos
Partições de passagem soldadas ao interior do cabeçalho, material e procedimento de soldagem combinados com o material do cabeçalho
Conexões de dreno e ventilação: Conexões roscadas NPT ou de encaixe
Montagem e Levantamento do Feixe
Tubos inseridos e expandidos ou soldados nas placas de tubos
Defletores ou suportes de tubos instalados no espaçamento especificado
Estruturas laterais e olhais de levantamento fixados
Teste de levantamento realizado em 1,1 × peso do feixe, se especificado
Inspeção e Teste Por Feixe
Inspeção Dimensional
| Item | Tolerância | Método |
|---|---|---|
| OD do tubo | ±0,11 mm | Micrômetro (amostra) |
| Altura da aleta | ±0,5 mm | Paquímetro ou gabarito |
| Passo da aleta | ±0,2 mm por 100 mm de comprimento | Gabarito ou óptico |
| Comprimento total do feixe | ±1,5 mm | Fita métrica ou laser |
| Padrão de furos da placa de tubos | Conforme desenho | CMM ou comparador óptico |
| Orientação da flange do cabeçalho | Conforme ASME B16.5 | Gabarito ou transferidor |
Exame Não Destrutivo
| Exame | Método | Escopo | Aceitação |
|---|---|---|---|
| Soldas tubo-placa de tubos | PT (líquido penetrante) | 100% se soldado | Sem trincas, porosidade ≤ 0,8 mm |
| Soldas de aletas (soldadas de alta frequência) | Visual e PT (amostra) | 100% visual; 5% PT | Sem trincas, sem aletas soltas |
| Soldas do cabeçalho | RT ou UT | Conforme ASME VIII-1 UW-51 ou UW-52 | Conforme 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 conforme ASME VIII-1 UG-99
Meio de teste: Água limpa com inibidor de corrosão; cloreto ≤ 50 ppm para aço inoxidável
Tempo de retenção: ≥ 30 minutos
Aceitação: Queda de pressão zero; sem vazamento visível das juntas dos tubos, cabeçalhos ou plugues
Teste de Vazamento Pneumático (Se Especificado)
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: Sem bolhas; taxa de vazamento ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Perfis de Aplicação – Por Tipo de Serviço
Intercooler e Aftercooler de Compressor
Fluido do lado do tubo: Ar comprimido ou gás natural
Temperatura do lado do tubo: Entrada 120°C – 180°C, saída 40°C – 60°C
Pressão do lado 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 ≤ 150°C; pé KL se 150°C – 180°C
Geometria da aleta: OD 25,4 mm × parede de 2,0 mm; altura da aleta 12,5 mm; 10 FPI
Fileiras do feixe: 4 – 6
Velocidade de face do ar: 2,5 – 3,5 m/s
Queda de pressão do lado do ar: ≤ 200 Pa
Condensador de Topo de Refinaria
Fluido do lado do tubo: Vapor de hidrocarboneto com vapor
Temperatura do lado do tubo: Entrada 100°C – 150°C condensando, saída 40°C – 60°C
Pressão do lado do tubo: 0,1 – 0,5 MPa
Material do tubo: Aço carbono para serviço não corrosivo; 316L para serviço ácido
Tipo de aleta: Pé em L ou pé KL para serviço padrão; extrudado com tubo 316L para serviço H₂S
Geometria da aleta: OD 25,4 mm × 2,0 mm; altura da aleta 12,5 mm; 10 FPI
Fileiras do feixe: 4
Característica especial: Feixe inclinado 1:50 em direção ao cabeçalho de saída para drenagem de líquido
Resfriador de Gás Natural Após Desidratação ou Compressão
Fluido do lado do tubo: Gás natural tratado
Temperatura do lado do tubo: Entrada 60°C – 100°C, saída 30°C – 45°C
Pressão do lado do tubo: 4,0 – 10,0 MPa
Material do tubo: 316L ou Duplex 2205 se houver cloretos
Tipo de aleta: Extrudado com alumínio 1100 externo para proteção contra corrosão offshore e costeira
Geometria da aleta: OD 19,05 mm × 2,0 mm; altura da aleta 12,5 mm; 10 FPI
Fileiras do feixe: 2 – 3
Velocidade de face do ar: 2,0 – 2,5 m/s
Queda de pressão do lado do ar: ≤ 150 Pa
Condensador de Vapor Resfriado a Ar (ACC) para Usinas de Energia
Fluido do lado do tubo: Vapor condensando para água sob vácuo
Temperatura do lado do tubo: Entrada 60°C – 100°C, saída 35°C – 45°C
Pressão do lado do tubo: Vácuo, 10 – 50 kPa absolutos
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 galvanizadas a quente
Geometria do tubo: Tubos elípticos ou ovais planos com aletas de placa ou aletas soldadas helicoidalmente
Orientação do feixe: Estrutura em A ou em V, inclinada 60° em relação à horizontal
Fluxo de ar: Ar induzido
Característica especial: Feixes inclinados 1:80 em direção ao cabeçalho de coleta de condensado; proteção contra congelamento via aquecimento a vapor ou aquecimento elétrico para operação de inverno abaixo de 0°C
Limpeza e Manutenção
A incrustação do lado do ar 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 de projeto em 30%
O aumento da queda de pressão do lado do ar atinge 50 Pa acima do início da operação, o que ocorrer primeiro
Métodos de limpeza:
Lavagem com água: Spray de baixa pressão ≤ 1,0 MPa para depósitos solúveis em água
Sopro de ar: Ar comprimido ≤ 0,6 MPa para poeira seca solta
Limpeza química: Detergente à base de álcali ou ácido aprovado para aletas de alumínio; evite soluções de alta alcalinidade
A limpeza do lado do tubo não é mecanicamente viável em um feixe fixo. É necessária limpeza química ou passagem de pig on-line.
Documentação Por Remessa
Certificados de teste de material por EN 10204 3.1 ou 3.2 para tubos, aletas, placas de tubos, cabeçalhos e aço estrutural
Folha de dados completa da API 661 ou folha de dados ISO 13706
Folha de dados TEMA, se aplicável
Relatório de dados com selo U ASME, se aplicável
Relatório de inspeção dimensional incluindo comprimento do feixe, layout de furos da placa de tubos, geometria da aleta e OD do tubo
Parâmetros do processo de fixação de aletas incluindo tensão de enrolamento, pressão de extrusão e corrente de soldagem
Relatório de teste hidrostático com registro do gráfico de pressão
Relatório de teste de vazamento pneumático, se realizado
Relatórios NDE para PT, UT e RT, conforme realizado
Especificação do procedimento de soldagem e registro de qualificação do procedimento para soldas tubo-placa de tubos e cabeçalhos
Desenho do feixe de tubos conforme construído com contagem de tubos, configuração de passagem, dimensões do cabeçalho e locais dos olhais de levantamento
Especificação de pintura e revestimento com relatório de verificação de espessura
Lista de Verificação de Seleção – Feixe de Tubos de Resfriador a Ar
Tipo de ACHE: Ar forçado, ar induzido, estrutura em A, estrutura em V ou horizontal
Orientação do feixe: Horizontal ou inclinado com ângulo
Material e tamanho do tubo (OD e espessura da parede)
Tipo de aleta: Pé em L, KL, LL, extrudado, soldado de alta frequência ou liso
Material e geometria da aleta (altura, passo ou FPI, espessura)
Pressão e temperatura de projeto do lado do tubo
Composição do fluido do lado do tubo, incluindo corrosividade, cloretos e H₂S
Queda de pressão permitida do lado do tubo
Temperatura de entrada de ar para projeto de verão
Velocidade de face do ar ou fluxo de ar total
Queda de pressão permitida do lado do ar, tipicamente 100 – 300 Pa
Tipo de cabeçalho: Plugue, placa de cobertura ou manifold de tubulação
Número de passagens do lado 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 aquecimento a vapor, aquecimento elétrico ou recirculação
Restrições de levantamento e transporte, incluindo peso e dimensões máximas
Normas aplicáveis: API 661, ISO 13706, TEMA ou especificação do cliente
Declaração de Limitação de Projeto – Feixe de Tubos de Resfriador a Ar
O feixe de tubos do resfriador a ar está sujeito às seguintes limitações:
Ele é projetado apenas para a pressão e temperatura especificadas do lado do tubo. A operação fora desses limites anula o projeto.
O desempenho do lado do ar depende da temperatura do ar ambiente e da incrustação. A capacidade de resfriamento diminui à medida que a temperatura ambiente aumenta.
A limpeza do lado do tubo não é mecanicamente viável em um feixe fixo. É necessária limpeza química ou passagem de pig on-line para serviços de incrustação.
A incrustação do lado do ar aumenta a queda de pressão e reduz a transferência de calor. Devem ser mantidos cronogramas regulares de limpeza.
Para serviços de condensação em condições de congelamento, deve ser fornecida proteção contra congelamento por meio de inclinação, drenagem e aquecimento.
A temperatura máxima da ponta da aleta não deve exceder os limites específicos do material: Pé em L ≤ 150°C, extrudado ≤ 230°C, soldado de alta frequência ≤ 450°C.
Para serviço de ciclo térmico acima de 500 ciclos por ano, tipos de aletas enroladas por tensão, como pé em L, pé KL e pé LL, não são recomendados. Use aletas extrudadas ou soldadas de alta frequência.
O feixe deve ser instalado em uma estrutura de suporte nivelada. O desalinhamento excessivo causa distorção da placa de tubos e vazamento nas juntas.
Para pressão do lado do tubo acima de 10,0 MPa ou vácuo extremo, consulte para projeto personalizado de cabeçalho e placa de tubos.
