Descripción general: paquete de tubos enfriadores de aire como núcleo de transferencia de calor
Un haz de tubos enfriadores de aire es el conjunto del núcleo de transferencia de calor de un intercambiador de calor enfriado por aire (ACHE). Consta de filas de tubos desnudos o con aletas, fijados en cada extremo mediante placas de tubos y conectados a cajas colectoras de entrada y salida. El paquete se instala dentro de una bahía estructural, donde los ventiladores axiales o centrífugos fuerzan o aspiran aire ambiente a través de la superficie externa del tubo para enfriar el fluido del proceso que fluye dentro de los tubos.
Este producto está diseñado y fabricado según API 661 (intercambiadores de calor enfriados por aire para servicio general de refinería), ISO 13706 y TEMA Clase R o B, cuando corresponda. Se suministra como paquete de repuesto, paquete de repuesto o conjunto completo para una nueva bahía ACHE.
Tipos de enfriadores de aire: orientación del paquete y configuración del ventilador
El haz de tubos es el mismo conjunto central en todos los tipos ACHE; La orientación, la estructura de soporte y la dirección del flujo de aire varían según la configuración.
Proyecto forzado
Ventiladores ubicados debajo del haz, empujando el aire hacia arriba a través de las filas de tubos.
La distribución del aire es uniforme debido al pleno del ventilador que se encuentra debajo.
Los componentes del ventilador y de la transmisión son accesibles desde el nivel del suelo o de la plataforma.
Orientación del paquete: Horizontal
Aplicación típica: refrigeración general de procesos de refinería, intercoolers de compresores
Proyecto inducido
Ventiladores ubicados encima del haz, que empujan el aire hacia arriba a través de las filas de tubos.
La cámara plenum encima del paquete garantiza una succión uniforme
Los componentes del ventilador y del variador requieren una plataforma de acceso elevada
Orientación del paquete: Horizontal
Aplicación típica: condensadores de vapor, servicios de alta temperatura, grandes unidades de refinería
Ventaja: mejor distribución del aire, menor recirculación, haz protegido de las precipitaciones
Marco en A
Dos haces de tubos planos dispuestos en forma de V invertida (ápice en la parte superior)
Ventiladores ubicados debajo del ápice, que soplan aire hacia arriba a través de ambos haces inclinados.
Orientación del paquete: inclinada, normalmente de 30° a 60° desde la horizontal
Aplicación típica: Condensadores de vapor enfriados por aire (ACC) en centrales eléctricas
Ventaja: Reduce el área de parcela para áreas de bahía grandes; drenaje de condensado por gravedad a lo largo de tubos inclinados
Marco en V
Dos haces de tubos planos dispuestos en forma de V (ápice en la parte inferior)
Ventiladores ubicados sobre el vértice, que empujan el aire hacia arriba a través de ambos haces inclinados.
Orientación del paquete: inclinada, normalmente de 30° a 60° desde la horizontal
Aplicación típica: Condensadores de vapor donde se prefiere el tiro inducido para protección contra congelamiento.
Ventaja: Reducción de huella similar a la del marco en A; El condensado se drena a un colector inferior.
Paquete único horizontal
Haz de tubos planos individuales instalado horizontalmente
Ventiladores abajo (tiro forzado) o arriba (tiro inducido)
Orientación del paquete: Horizontal, inclinación de 0°
Aplicación típica: enfriamiento de procesos generales, enfriamiento de gases, condensación de hidrocarburos
Ventaja: Construcción más sencilla; Acceso más fácil a la sustitución y mantenimiento del paquete.
Construcción de paquetes: componentes principales
tubos
| Parámetro | Rango | Nota |
|---|---|---|
| Diámetro exterior del tubo (base) | 15,88 milímetros – 50,8 milímetros | OD más pequeño para mayor presión; OD más grande para servicio de incrustaciones |
| Espesor de la pared del tubo | 1,2 mm – 5,0 mm | Sin costura o soldado |
| Longitud del tubo (entre placas de tubos) | 2,0 m – 12,0 m | Según el estándar API 661 |
| Paso transversal del tubo | 1,5 × – 2,5 × diámetro exterior del tubo | A través de la dirección del flujo de aire |
| Paso de tubo longitudinal | 1,5 × – 2,5 × diámetro exterior del tubo | A lo largo de la dirección del flujo de aire |
| Disposición del tubo | Escalonado (triangular) o en línea (cuadrado) | El escalonado proporciona una mayor transferencia de calor del lado del aire; en línea permite una limpieza más fácil |
Hojas de tubo
| Parámetro | Rango / Valor | Nota |
|---|---|---|
| Espesor | 15mm – 80mm | Según ASME VIII-1 / TEMA RCB-4.3 |
| Tolerancia del diámetro del agujero | H11 según ISO 286 | Ejemplo: Ø25,2 mm +0,13/0 |
| Acabado del agujero | Ra ≤ 1,6 μm (expandido) / Ra ≤ 3,2 μm (soldado) | Se requiere un acabado más fino para la expansión |
| Material | CS/SS/revestido | Adaptado a la corrosividad y presión del fluido del lado del tubo |
| Retención del tubo | Ampliado/Soldado/Combinado | Selección por tipo de junta |
Cajas de cabecera (colectores de entrada/salida)
| Tipo de encabezado | Acceso al tubo | Capacidad de presión | Servicio típico |
|---|---|---|---|
| Conector macho (roscado) | Extracción de enchufe individual y limitada | Hasta 2,0 MPa | Servicio de limpieza a baja presión. |
| Conector macho (atornillado) | Fácil extracción del tapón atornillado | Hasta 5,0 MPa | Servicio de presión media con suciedad leve |
| Cabecera de placa de cubierta | Acceso completo, cubierta completa eliminada | Hasta 5,0 MPa | Servicio de incrustaciones que requiere limpieza mecánica. |
| Cabezal del colector de tuberías | Sin acceso a tubos, construcción soldada | Hasta 10,0 MPa | Gas o líquido a alta presión, no requiere limpieza |
Construcción de la caja de cabecera:
Sección transversal rectangular o redonda
Conexiones bridadas según ASME B16.5 o B16.47
Separaciones de paso para pasos individuales, dos o cuatro del lado del tubo
Conexiones de drenaje y ventilación en puntos bajos y altos.
Marcos laterales y orejas de elevación
Marco estructural: canal de acero o viga I
Orejas de elevación: soldadas a marcos laterales o placas tubulares, con capacidad nominal de 2 veces el peso del paquete
Puntos de soporte ubicados para minimizar la flexión del tubo y mantener la nivelación dentro de ±3 mm sobre la longitud del paquete
Tipos de aletas: selección por temperatura y ambiente
| Tipo de aleta | Método de archivo adjunto | Temperatura máxima de funcionamiento | Material de aleta | Aplicación típica |
|---|---|---|---|---|
| Pie L (herida por tensión) | Pie en forma de L enrollado bajo tensión | ≤ 150°C | Aluminio 1100 | Refrigeración por gas a baja temperatura, intercoolers |
| Pie KL (L moleteado) | Superficie de tubo moleteada con pie entrelazado mecánicamente | ≤320°C | Aluminio 1100 | Gas de proceso de temperatura media, postenfriadores |
| Pie LL (L superpuesto) | El pie superpuesto cubre completamente el diámetro exterior del tubo. | ≤ 177°C | Aluminio 1100, Cobre C1100 | Atmósfera costera y marina. |
| Extruido (bimetálico) | Funda exterior de aluminio extruida en aletas. | ≤230°C | Aluminio 1100 (exterior) | Entornos marinos, marinos y de alta corrosión |
| Soldado de alta frecuencia | Tira de aletas soldada por resistencia al tubo | ≤450°C | Acero al carbono, acero inoxidable. | Refrigeración de gas a alta temperatura, recuperación de calor residual |
| Desnudo (sin aleta) | No aplicable | Hasta 600°C | Como material del tubo | Gas limpio a alta temperatura, vapor, baja contaminación |
Geometría de aleta (típica)
| Parámetro | Pie L / KL / LL | extruido | Soldado de alta frecuencia |
|---|---|---|---|
| Altura de la aleta | 8mm – 16mm | 8mm – 16mm | 8mm – 19mm |
| Paso de aleta (FPI) | 7 – 11,5 | 7 – 11 | 2 – 7 |
| Grosor de la aleta | 0,25 mm – 0,5 mm | Integral | 0,8 mm – 3,2 mm |
| Relación de superficie (extendida/desnuda) | 10 – 23 | 10 – 20 | 6 – 15 |
Resistencia al enlace de aletas
Para los tipos de aletas enrolladas a tensión (pie L, pie KL, pie LL), la unión mecánica entre la aleta y el tubo introduce una resistencia de contacto térmico:
Para temperaturas del lado del tubo superiores a 120 °C, normalmente se aplica un valor de conductancia de enlace de 2000 – 5000 W/m²·K para haces nuevos.
Los haces en servicio pueden tener una conductancia de enlace reducida debido al ciclo térmico. A menudo se incluye en el diseño una superficie adicional del 3 % al 30 % dependiendo de la temperatura de funcionamiento y el tipo de unión.
Las aletas extruidas y soldadas de alta frecuencia no tienen resistencia a la unión, ya que la aleta está unida integral o metalúrgicamente.
Parámetros térmicos e hidráulicos del lado del aire
| Parámetro | Rango típico | Nota |
|---|---|---|
| Velocidad de la cara del aire (aproximación) | 1,5 – 4,0 m/s | Seleccionado según la potencia del ventilador y los límites de ruido |
| Velocidad de la masa de aire (a través del haz) | 2 – 6 kg/m²·s | Basado en área libre entre tubos y aletas. |
| HTC convectivo del lado del aire (equivalente a tubo desnudo) | 30 – 120 W/m²·K | Depende de la geometría de las aletas, la velocidad y el material. |
| Eficiencia de las aletas | 40% – 90% | Calculado según métodos estándar. |
| HTC general (aire-tubo, referencia de área desnuda) | 15 – 60 W/m²·K | Típico para haces con aletas ACHE |
| Caída de presión del lado del aire (a través del haz) | 100 – 300 Pa | Según el límite de diseño API 661 |
| Temperatura ambiente de diseño | -40°C a +55°C | Basado en datos meteorológicos del sitio. |
| Área de la cara del paquete por unidad | 10 – 200 m² | Bahía única; tareas más grandes utilizan múltiples bahías |
Selección de materiales: tubos, placas de tubos y cabezales
Materiales del tubo
| Material | Especificación | Rango de temperatura | Límite de cloruro | Solicitud |
|---|---|---|---|---|
| Acero carbono | SA-179 / SA-106 Gr.B | -20°C a +425°C | No aplicable | Agua, petróleo, hidrocarburos limpios, vapor. |
| Inoxidable 304L / 316L | ASTM A213 | -196°C a +600°C | ≤ 200 ppm | Fluidos corrosivos, vapor limpio, alimentario y farmacéutico. |
| Dúplex 2205 | ASTM A789 | -40°C a +280°C | ≤ 300 ppm a 80°C | Hidrocarburos que contienen cloruros, costa afuera |
| Titanio Gr.2 | ASTM B338 | -40°C a +230°C | Hasta 20.000 ppm | Agua de mar, salmuera, refrigeración con alto contenido de cloruro. |
| Cobre-níquel C70600 | ASTM B111 | -40°C a +200°C | < 500 ppm | Refrigeración marina, agua salobre |
Materiales de láminas tubulares y cabeceras
Acero al carbono SA-516 Gr.70 para servicio no corrosivo del lado del tubo
Revestido de acero inoxidable sobre acero al carbono para servicio corrosivo con alta presión; espesor del revestimiento mínimo 3 mm según ASME VIII-1 UW-13
Acero inoxidable sólido 304L / 316L para servicio totalmente corrosivo
Dúplex sólido o titanio para servicio severo de cloruro o servicio en alta mar
El material de la caja colectora generalmente se combina con el material de la placa tubular para evitar la corrosión galvánica en las uniones atornilladas o soldadas. Para cabezales de acero al carbono en servicio corrosivo, se aplica un recubrimiento interno (epoxi o fenólico) según API 661.
Proceso de fabricación: controles clave
Perforación de láminas tubulares
Tamaño de broca controlado según tolerancia H11 según ISO 286
Acabado del orificio: Ra ≤ 1,6 μm para juntas expandidas; Ra ≤ 3,2 μm para uniones soldadas
Desviación del ligamento ≤ ±0,2 mm respecto al dibujo
Todos los orificios se desbarbaron y limpiaron antes de la inserción del tubo.
Expansión del tubo
Presión de expansión hidráulica: 160 – 220 MPa; tiempo de espera 5 – 8 segundos
Profundidad de expansión: Mínimo 1,5 × diámetro exterior del tubo o 2 × espesor de pared del tubo en la placa del tubo
Comprobación del calibre posterior a la expansión: el 100 % de los tubos aceptan una bola de calibre 0,5 mm más pequeña que el diámetro interior del tubo.
Verificación de la resistencia a la extracción: prueba del primer artículo por paquete, objetivo ≥ 20 MPa para acero al carbono y ≥ 25 MPa para acero inoxidable
Soldadura de tubo a placa tubular (si se especifica)
Proceso GTAW (TIG), automático o manual
Altura de la pata en ángulo 1,5 – 2,0 mm para soldadura de sellado
Penetración total de la raíz de la soldadura ≥ 0,5 mm en la pared del tubo
Prueba de líquido penetrante 100 % según ASME VIII-1 UW-51
Procedimiento de soldadura calificado según ASME Sección IX
Fabricación de cajas de cabecera
Construcción de acero soldado con conexiones bridadas ASME B16.5 o B16.47
Dimensiones del cabezal coincidentes con el patrón de orificios de la placa tubular
Pase las particiones soldadas al interior del cabezal, el material y el procedimiento de soldadura coinciden con el material del cabezal
Conexiones de drenaje y ventilación: accesorios roscados NPT o para soldar
Montaje y elevación del paquete
Tubos insertados y expandidos o soldados en placas de tubos.
Deflectores o soportes de tubos instalados a una distancia especificada
Bastidores laterales y anillas de elevación montadas
Prueba de elevación realizada a 1,1 × peso del paquete si se especifica
Inspección y pruebas por paquete
Inspección dimensional
| Artículo | Tolerancia | Método |
|---|---|---|
| diámetro exterior del tubo | ±0,11mm | Micrómetro (muestra) |
| Altura de la aleta | ±0,5mm | Calibre o plantilla |
| paso de aleta | ±0,2 mm por 100 mm de longitud | Plantilla u óptica |
| Longitud total del paquete | ±1,5mm | Cinta métrica o láser |
| Patrón de agujeros de la placa de tubos | Por dibujo | CMM o comparador óptico |
| Orientación de la brida del cabezal | Según ASME B16.5 | Plantilla o transportador |
Examen no destructivo
| Examen | Método | Alcance | Aceptación |
|---|---|---|---|
| Soldaduras de tubo a placa de tubos | PT (líquido penetrante) | 100% si está soldado | Sin grietas, porosidad ≤ 0,8 mm |
| Soldaduras de aletas (soldadas por alta frecuencia) | Visual y PT (muestra) | 100% visuales; 5% punto final | Sin grietas ni aletas sueltas |
| Soldaduras de cabecera | RT o UT | Según ASME VIII-1 UW-51 o UW-52 | Por código |
| Condición interna del tubo | Boroscopio | 5% de los tubos (aleatorio) | Sin rayones > 0,1 mm, sin obstrucciones |
Prueba hidrostática (lado del tubo)
Presión de prueba: 1,3 × presión de diseño según ASME VIII-1 UG-99
Medio de prueba: agua limpia con inhibidor de corrosión; cloruro ≤ 50 ppm para acero inoxidable
Tiempo de espera: ≥ 30 minutos
Aceptación: Caída de presión cero; No hay fugas visibles en las juntas de los tubos, cabezales o tapones.
Prueba de fugas neumáticas (si se especifica)
Presión de prueba: 0,6 MPa aire o nitrógeno
Detección de fugas: Aplicación de burbujas de jabón en todas las juntas y soldaduras.
Aceptación: Sin burbujas; tasa de fuga ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Perfiles de aplicación: por tipo de servicio
Intercooler y posenfriador del compresor
Fluido del lado del tubo: aire comprimido o gas natural
Temperatura del lado del tubo: entrada 120°C – 180°C, salida 40°C – 60°C
Presión del lado del tubo: 0,5 – 10,0 MPa
Material del tubo: Acero al carbono para aire; 304L para gas natural que contiene CO₂ o agua
Tipo de aleta: Pie en L si la temperatura del lado del tubo ≤ 150°C; Pie KL si 150°C – 180°C
Geometría de la aleta: diámetro exterior de 25,4 mm × pared de 2,0 mm; altura de la aleta 12,5 mm; 10 FPI
Filas de paquete: 4 – 6
Velocidad del aire en la cara: 2,5 – 3,5 m/s
Caída de presión del lado del aire: ≤ 200 Pa
Condensador aéreo de refinería
Fluido del lado del tubo: vapor de hidrocarburos con vapor
Temperatura del lado del tubo: entrada 100°C – 150°C condensación, salida 40°C – 60°C
Presión del lado del tubo: 0,1 – 0,5 MPa
Material del tubo: Acero al carbono para servicio no corrosivo; 316L para servicio amargo
Tipo de aleta: pie L o pie KL para servicio estándar; extruido con tubo 316L para servicio H₂S
Geometría de la aleta: DE 25,4 mm × 2,0 mm; altura de la aleta 12,5 mm; 10 FPI
Filas de paquete: 4
Característica especial: Paquete inclinado 1:50 hacia el cabezal de salida para drenaje de líquidos
Enfriador de gas natural después de la deshidratación o compresión
Fluido del lado del tubo: Gas natural tratado
Temperatura del lado del tubo: entrada 60°C – 100°C, salida 30°C – 45°C
Presión del lado del tubo: 4,0 – 10,0 MPa
Material del tubo: 316L o Duplex 2205 si hay cloruros presentes
Tipo de aleta: Extruida con exterior de aluminio 1100 para protección contra la corrosión costera y en alta mar.
Geometría de la aleta: DE 19,05 mm × 2,0 mm; altura de la aleta 12,5 mm; 10 FPI
Filas de paquete: 2 – 3
Velocidad del aire en la cara: 2,0 – 2,5 m/s
Caída de presión del lado del aire: ≤ 150 Pa
Condensador de vapor enfriado por aire (ACC) para centrales eléctricas
Fluido del lado del tubo: vapor que se condensa en agua al vacío
Temperatura del lado del tubo: entrada 60°C – 100°C, salida 35°C – 45°C
Presión del lado del tubo: Vacío, 10 – 50 kPa absolutos
Material del tubo: Acero al carbono galvanizado o revestido; Acero inoxidable si el vapor contiene amoníaco o cloruros.
Tipo de aleta: Soldada por alta frecuencia con unión metalúrgica; aletas de acero al carbono galvanizado en caliente
Geometría del tubo: tubos elípticos u ovalados planos con aletas de placa o aletas soldadas helicoidalmente
Orientación del paquete: marco en A o en V, inclinado 60° con respecto a la horizontal
Flujo de aire: Tiro inducido
Característica especial: Paquetes inclinados 1:80 hacia el cabezal de recolección de condensado; Protección contra congelación mediante trazado de vapor o calefacción eléctrica para funcionamiento en invierno por debajo de 0 °C.
Limpieza y mantenimiento
La contaminación del lado del aire por polvo, polen o depósitos químicos aumenta la caída de presión y reduce la transferencia de calor. Se recomienda la limpieza cuando:
La caída de presión del lado del aire excede la caída de presión de diseño en un 30%
El aumento de la caída de presión del lado del aire alcanza 50 Pa por encima del inicio del funcionamiento, lo que ocurra primero
Métodos de limpieza:
Lavado con agua: Pulverización a baja presión ≤ 1,0 MPa para depósitos solubles en agua
Soplo de aire: Aire comprimido ≤ 0,6 MPa para polvo seco suelto
Limpieza química: Detergente de base alcalina o ácida aprobado para aletas de aluminio; Evite soluciones con alto contenido de álcalis.
La limpieza del lado del tubo no es mecánicamente posible en un haz fijo. Se requiere limpieza química o limpieza en línea.
Documentación por envío
Certificados de prueba de materiales según EN 10204 3.1 o 3.2 para tubos, aletas, placas de tubos, cabezales y acero estructural
Hoja de datos completa API 661 o hoja de datos ISO 13706
Hoja de datos de TEMA si corresponde
Informe de datos del sello ASME U, si corresponde
Informe de inspección dimensional que incluye la longitud del paquete, la disposición de los orificios de la placa de tubos, la geometría de las aletas y el diámetro exterior del tubo.
Parámetros del proceso de fijación de aletas, incluida la tensión del devanado, la presión de extrusión y la corriente de soldadura
Informe de prueba hidrostática con registro de gráfico de presión.
Informe de prueba de fuga neumática, si se realizó
Informes NDE para PT, UT y RT tal como se realizaron
Especificación del procedimiento de soldadura y registro de calificación del procedimiento para soldaduras de tubo a placa de tubos y de cabezal
Plano de instalación del haz de tubos con número de tubos, configuración de paso, dimensiones del cabezal y ubicaciones de las orejetas de elevación
Especificaciones de pintura y revestimiento con informe de verificación de espesor.
Lista de verificación de selección: paquete de tubos enfriadores de aire
Tipo ACHE: tiro forzado, tiro inducido, marco en A, marco en V u horizontal
Orientación del paquete: Horizontal o inclinado con ángulo
Material y tamaño del tubo (OD y espesor de pared)
Tipo de aleta: Pie en L, KL, LL, extruido, soldado por alta frecuencia o desnudo
Material y geometría de las aletas (altura, paso o FPI, espesor)
Presión y temperatura de diseño del lado del tubo
Composición del fluido del lado del tubo, incluida la corrosividad, los cloruros y el H₂S
Caída de presión permitida en el lado del tubo
Temperatura de entrada de aire para diseño de verano.
Velocidad de la cara del aire o flujo de aire total
Caída de presión permitida en el lado del aire, normalmente 100 – 300 Pa
Tipo de cabezal: tapón, placa de cubierta o colector de tubería
Número de pasadas del lado del tubo: única, dos o cuatro
Recuento y disposición de tubos por bahía existente o nueva
Requisitos de protección contra la corrosión, incluidos recubrimientos, galvanizados o materiales especiales para aletas y tubos.
Protección contra congelamiento para el servicio ACC, incluido el rastreo de vapor, la calefacción eléctrica o la recirculación
Restricciones de elevación y transporte, incluido el peso y las dimensiones máximos.
Estándares aplicables: API 661, ISO 13706, TEMA o especificación del cliente
Declaración de limitaciones de diseño: paquete de tubos enfriadores de aire
El haz de tubos del enfriador de aire está sujeto a las siguientes limitaciones:
Está diseñado únicamente para la presión y temperatura especificadas en el lado del tubo. La operación fuera de estos límites anula el diseño.
El rendimiento del lado del aire depende de la temperatura del aire ambiente y del ensuciamiento. La capacidad de enfriamiento disminuye a medida que aumenta la temperatura ambiente.
La limpieza del lado del tubo no es mecánicamente posible en un haz fijo. Se requiere limpieza química o limpieza en línea para los servicios de incrustaciones.
La contaminación del lado del aire aumenta la caída de presión y reduce la transferencia de calor. Se deben mantener horarios regulares de limpieza.
Para servicios de condensación en condiciones de congelación, se debe proporcionar protección contra el congelamiento mediante pendiente, drenaje y calefacción.
La temperatura máxima de la punta de la aleta no debe exceder los límites específicos del material: pie L ≤ 150 °C, extruido ≤ 230 °C, soldado de alta frecuencia ≤ 450 °C.
Para servicios de ciclo térmico superiores a 500 ciclos por año, no se recomiendan los tipos de aletas enrolladas a tensión, como las de pie L, pie KL y pie LL. Utilice aletas extruidas o soldadas por alta frecuencia.
El paquete debe instalarse sobre una estructura de soporte nivelada. Una desalineación excesiva provoca distorsión de la placa del tubo y fugas en las juntas.
Para presiones del lado del tubo superiores a 10,0 MPa o vacío extremo, consulte para obtener un diseño personalizado de cabezal y placa de tubos.
