Descripción general – Serpentín de tubos de enfriador de aire como núcleo de transferencia de calor
Un serpentín de tubos de enfriador 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 lisos o aletados, fijados en cada extremo por placas tubulares y conectados a cajas de cabezal de entrada y salida. El serpentín se instala dentro de una bahía estructural, donde ventiladores axiales o centrífugos fuerzan o extraen aire ambiente a través de la superficie externa del tubo para enfriar el fluido de 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 un serpentín de reemplazo, un serpentín de repuesto o un conjunto completo para una nueva bahía de ACHE.
Tipos de enfriadores de aire – Orientación del serpentín y configuración del ventilador
El serpentín de tubos es el mismo conjunto de núcleo en todos los tipos de ACHE; la orientación, la estructura de soporte y la dirección del flujo de aire varían según la configuración.
Tiro forzado
Ventiladores ubicados debajo del serpentín, empujando aire hacia arriba a través de las filas de tubos
La distribución del aire es uniforme debido al plenum del ventilador debajo
Los componentes del ventilador y la transmisión son accesibles a nivel del suelo o de la plataforma
Orientación del serpentín: Horizontal
Aplicación típica: Enfriamiento de procesos generales de refinería, enfriadores intermedios de compresores
Tiro inducido
Ventiladores ubicados encima del serpentín, extrayendo aire hacia arriba a través de las filas de tubos
La cámara de plenum encima del serpentín asegura una succión uniforme
Los componentes del ventilador y la transmisión requieren una plataforma de acceso elevada
Orientación del serpentín: Horizontal
Aplicación típica: Condensadores de vapor, servicios de alta temperatura, grandes unidades de refinería
Ventaja: Mejor distribución del aire, menor recirculación, serpentín protegido de la precipitación
Marco en A
Dos serpentines de tubos planos dispuestos en forma de V invertida (vértice en la parte superior)
Ventiladores ubicados debajo del vértice, soplando aire hacia arriba a través de ambos serpentines inclinados
Orientación del serpentín: Inclinado, típicamente de 30° a 60° respecto a la horizontal
Aplicación típica: Condensadores de vapor enfriados por aire (ACC) en centrales eléctricas
Ventaja: Reduce el área de ocupación para grandes áreas de bahía; los drenajes de condensado se realizan por gravedad a lo largo de los tubos inclinados
Marco en V
Dos serpentines de tubos planos dispuestos en forma de V (vértice en la parte inferior)
Ventiladores ubicados encima del vértice, extrayendo aire hacia arriba a través de ambos serpentines inclinados
Orientación del serpentín: Inclinado, típicamente de 30° a 60° respecto a la horizontal
Aplicación típica: Condensadores de vapor donde se prefiere el tiro inducido para protección contra heladas
Ventaja: Reducción de la huella similar al marco en A; el condensado drena a un colector inferior
Serpentín único horizontal
Serpentín plano único instalado horizontalmente
Ventiladores debajo (tiro forzado) o arriba (tiro inducido)
Orientación del serpentín: Horizontal, inclinación de 0°
Aplicación típica: Enfriamiento de procesos generales, enfriamiento de gas, condensación de hidrocarburos
Ventaja: Construcción más simple; reemplazo y acceso de mantenimiento del serpentín más fáciles
Construcción del serpentín – Componentes del núcleo
Tubos
| Parámetro | Rango | Nota |
|---|---|---|
| Diámetro exterior del tubo (base) | 15.88 mm – 50.8 mm | Diámetro exterior menor para mayor presión; diámetro exterior mayor para servicio con incrustaciones |
| Espesor de pared del tubo | 1.2 mm – 5.0 mm | Sin costura o soldado |
| Longitud del tubo (entre placas tubulares) | 2.0 m – 12.0 m | Según norma API 661 |
| Paso transversal del tubo | 1.5 × – 2.5 × diámetro exterior del tubo | En dirección transversal al flujo de aire |
| Paso longitudinal del tubo | 1.5 × – 2.5 × diámetro exterior del tubo | En dirección del flujo de aire |
| Disposición de los tubos | Escalonada (triangular) o en línea (cuadrada) | Escalonada proporciona mayor transferencia de calor por el lado del aire; en línea permite una limpieza más fácil |
Placas tubulares
| Parámetro | Rango / Valor | Nota |
|---|---|---|
| Espesor | 15 mm – 80 mm | 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 | Coincide con la corrosividad y la presión del fluido del lado del tubo |
| Retención del tubo | Expandido / Soldado / Combinado | Según la selección del tipo de unión |
Cajas de cabezal (Colectores de entrada / salida)
| Tipo de cabezal | Acceso al tubo | Capacidad de presión | Servicio típico |
|---|---|---|---|
| Cabezal de tapón (roscado) | Limitado, extracción individual de tapón | Hasta 2.0 MPa | Servicio limpio a baja presión |
| Cabezal de tapón (atornillado) | Fácil, extracción de tapón atornillado | Hasta 5.0 MPa | Servicio de presión media ligeramente incrustante |
| Cabezal de placa de cubierta | Acceso completo, se retira toda la cubierta | Hasta 5.0 MPa | Servicio incrustante que requiere limpieza mecánica |
| Cabezal de colector de tubería | Sin acceso al tubo, construcción soldada | Hasta 10.0 MPa | Gas o líquido a alta presión, no se requiere limpieza |
Construcción de la caja del cabezal:
Sección transversal rectangular o redonda
Conexiones bridadas según ASME B16.5 o B16.47
Particiones de paso para uno, dos o cuatro pasos del lado del tubo
Conexiones de drenaje y ventilación en puntos bajos y altos
Bastidores laterales y orejetas de elevación
Marco estructural: Canal de acero o viga I
Orejetas de elevación: Soldadas a los bastidores laterales o placas tubulares, con una capacidad de 2× el peso del serpentín
Puntos de soporte ubicados para minimizar la caída del tubo y mantener la nivelación dentro de ±3 mm a lo largo de la longitud del serpentín
Tipos de aletas – Selección por temperatura y entorno
| Tipo de aleta | Método de fijación | Temp. máx. de operación | Material de la aleta | Aplicación típica |
|---|---|---|---|---|
| Pie en L (enrollado a tensión) | Pie en forma de L enrollado a tensión | ≤ 150°C | Aluminio 1100 | Enfriamiento de gas a baja temperatura, enfriadores intermedios |
| Pie en L (moleteado) | Superficie del tubo moleteada con pie mecánicamente entrelazado | ≤ 320°C | Aluminio 1100 | Gas de proceso a temperatura media, postenfriadores |
| Pie en L (solapado) | Pie solapado cubre completamente el diámetro exterior del tubo | ≤ 177°C | Aluminio 1100, Cobre C1100 | Atmósfera costera y marina |
| Extruido (bimetálico) | Manga exterior de aluminio extruida en aletas | ≤ 230°C | Aluminio 1100 (exterior) | Entornos marinos, en alta mar, de alta corrosión |
| Soldado de alta frecuencia | Tira de aleta soldada por resistencia al tubo | ≤ 450°C | Acero al carbono, acero inoxidable | Enfriamiento de gas a alta temperatura, recuperación de calor residual |
| Liso (sin aleta) | No aplicable | Hasta 600°C | Como material del tubo | Gas limpio a alta temperatura, vapor, baja incrustación |
Geometría de la aleta (típica)
| Parámetro | Pie en L / KL / LL | Extruido | Soldado de alta frecuencia |
|---|---|---|---|
| Altura de la aleta | 8 mm – 16 mm | 8 mm – 16 mm | 8 mm – 19 mm |
| Paso de aleta (FPI) | 7 – 11.5 | 7 – 11 | 2 – 7 |
| Espesor de la aleta | 0.25 mm – 0.5 mm | Integral | 0.8 mm – 3.2 mm |
| Relación de área superficial (extendida / lisa) | 10 – 23 | 10 – 20 | 6 – 15 |
Resistencia de unión de la aleta
Para tipos de aletas enrolladas a tensión (pie en L, pie KL, pie LL), la unión mecánica entre la aleta y el tubo introduce resistencia de contacto térmica:
Para temperaturas del lado del tubo superiores a 120°C, se suele aplicar un valor de conductancia de unión de 2.000 – 5.000 W/m²·K para serpentines nuevos.
Los serpentines en servicio pueden tener una conductancia de unión reducida debido a ciclos térmicos. A menudo se incluye un área superficial adicional del 3% al 30% en el diseño, dependiendo de la temperatura de operación y el tipo de unión.
Las aletas extruidas y soldadas de alta frecuencia no tienen resistencia de unión, ya que la aleta es integral o está unida metalúrgicamente.
Parámetros térmicos e hidráulicos del lado del aire
| Parámetro | Rango típico | Nota |
|---|---|---|
| Velocidad de cara del aire (aproximación) | 1.5 – 4.0 m/s | Seleccionado en función de la potencia del ventilador y los límites de ruido |
| Velocidad másica del aire (a través del serpentín) | 2 – 6 kg/m²·s | Basado en el área libre entre tubos y aletas |
| HTC de convección del lado del aire (equivalente a tubo liso) | 30 – 120 W/m²·K | Depende de la geometría de la aleta, la velocidad y el material |
| Eficiencia de la aleta | 40% – 90% | Calculado según métodos estándar |
| HTC general (aire a tubo, referencia de área lisa) | 15 – 60 W/m²·K | Típico para serpentines aletados de ACHE |
| Caída de presión del lado del aire (a través del serpentín) | 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 cara del serpentín por unidad | 10 – 200 m² | Bahía única; tareas más grandes utilizan múltiples bahías |
Selección de materiales – Tubos, placas tubulares y cabezales
Materiales de los tubos
| Material | Especificación | Rango de temperatura | Límite de cloruro | Aplicación |
|---|---|---|---|---|
| Acero al carbono | SA-179 / SA-106 Gr.B | -20°C a +425°C | No aplicable | Agua, aceite, hidrocarburos limpios, vapor |
| Acero inoxidable 304L / 316L | ASTM A213 | -196°C a +600°C | ≤ 200 ppm | Fluidos corrosivos, vapor limpio, alimentos y farmacéuticos |
| Dúplex 2205 | ASTM A789 | -40°C a +280°C | ≤ 300 ppm a 80°C | Hidrocarburos que contienen cloruro, en alta mar |
| Titanio Gr.2 | ASTM B338 | -40°C a +230°C | Hasta 20.000 ppm | Agua de mar, salmuera, enfriamiento con alto contenido de cloruro |
| Cobre-níquel C70600 | ASTM B111 | -40°C a +200°C | < 500 ppm | Enfriamiento marino, agua salobre |
Materiales de placas tubulares y cabezales
Acero al carbono SA-516 Gr.70 para servicio del lado del tubo no corrosivo
Acero inoxidable revestido sobre acero al carbono para servicio corrosivo con alta presión; espesor de revestimiento mínimo de 3 mm según ASME VIII-1 UW-13
Acero inoxidable macizo 304L / 316L para servicio totalmente corrosivo
Dúplex macizo o titanio para servicio severo con cloruro o trabajo en alta mar
El material de la caja del cabezal suele coincidir con el material de la placa tubular para evitar la corrosión galvánica en 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
Taladrado de placas tubulares
Tamaño de la broca controlado a tolerancia H11 según ISO 286
Acabado del agujero: Ra ≤ 1.6 μm para uniones expandidas; Ra ≤ 3.2 μm para uniones soldadas
Desviación del ligamento ≤ ±0.2 mm del dibujo
Todos los agujeros desbarbados y limpios antes de la inserción del tubo
Expansión del tubo
Presión de expansión hidráulica: 160 – 220 MPa; tiempo de retención 5 – 8 segundos
Profundidad de expansión: Mínimo 1.5 × diámetro exterior del tubo o 2 × espesor de pared del tubo en la placa tubular
Verificación del calibre post-expansión: 100% de los tubos aceptan una bola calibre 0.5 mm más pequeña que el diámetro interior del tubo
Verificación de la resistencia a la extracción: Prueba de primer artículo por serpentín, objetivo ≥ 20 MPa para acero al carbono y ≥ 25 MPa para acero inoxidable
Soldadura tubo-placa tubular (si se especifica)
Proceso GTAW (TIG), automático o manual
Altura de la soldadura de filete de 1.5 – 2.0 mm para soldadura de sellado
Penetración de raíz de soldadura de penetración completa ≥ 0.5 mm en la pared del tubo
Pruebas de líquidos penetrantes al 100% según ASME VIII-1 UW-51
Procedimiento de soldadura calificado según ASME Sección IX
Fabricación de cajas de cabezal
Construcción de acero soldado con conexiones bridadas ASME B16.5 o B16.47
Dimensiones del cabezal que coinciden con el patrón de agujeros de la placa tubular
Particiones de paso soldadas al interior del cabezal, material y procedimiento de soldadura que coinciden con el material del cabezal
Conexiones de drenaje y ventilación: Accesorios roscados NPT o de socket
Ensamblaje y elevación del serpentín
Tubos insertados y expandidos o soldados en las placas tubulares
Se instalan deflectores o soportes de tubos a la distancia especificada
Se fijan bastidores laterales y orejetas de elevación
Se realiza prueba de elevación a 1.1 × el peso del serpentín si se especifica
Inspección y pruebas por serpentín
Inspección dimensional
| Artículo | Tolerancia | Método |
|---|---|---|
| Diámetro exterior del tubo | ±0.11 mm | Micrómetro (muestra) |
| Altura de la aleta | ±0.5 mm | Calibre o plantilla |
| Paso de aleta | ±0.2 mm por 100 mm de longitud | Plantilla u óptica |
| Longitud total del serpentín | ±1.5 mm | Cinta métrica o láser |
| Patrón de agujeros de la placa tubular | Según dibujo | CMM o comparador óptico |
| Orientación de la brida del cabezal | Según ASME B16.5 | Plantilla o transportador |
Ensayos no destructivos
| Examen | Método | Alcance | Aceptación |
|---|---|---|---|
| Soldaduras tubo-placa tubular | PT (líquido penetrante) | 100% si está soldado | Sin grietas, porosidad ≤ 0.8 mm |
| Soldaduras de aletas (soldadas de alta frecuencia) | Visual y PT (muestra) | 100% visual; 5% PT | Sin grietas, sin aletas sueltas |
| Soldaduras del cabezal | RT o UT | Según ASME VIII-1 UW-51 o UW-52 | Según 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 retención: ≥ 30 minutos
Aceptación: Cero caída de presión; sin fugas visibles de las uniones de los tubos, cabezales o tapones
Prueba de fugas neumática (si se especifica)
Presión de prueba: 0.6 MPa de aire o nitrógeno
Detección de fugas: Aplicación de burbujas de jabón en todas las uniones y soldaduras
Aceptación: Sin burbujas; tasa de fugas ≤ 1×10⁵ Pa·m³/s
Perfiles de aplicación – Por tipo de servicio
Enfriador intermedio y postenfriador de 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 25.4 mm × pared de 2.0 mm; altura de aleta 12.5 mm; 10 FPI
Filas del serpentín: 4 – 6
Velocidad de cara del aire: 2.5 – 3.5 m/s
Caída de presión del lado del aire: ≤ 200 Pa
Condensador de cabeza de refinería
Fluido del lado del tubo: Vapor de hidrocarburo con vapor de agua
Temperatura del lado del tubo: Entrada 100°C – 150°C condensando, 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 agrio
Tipo de aleta: Pie en L o pie KL para servicio estándar; extruido con tubo 316L para servicio H₂S
Geometría de la aleta: Diámetro exterior 25.4 mm × pared de 2.0 mm; altura de aleta 12.5 mm; 10 FPI
Filas del serpentín: 4
Característica especial: Serpentín inclinado 1:50 hacia el cabezal de salida para drenaje de líquido
Enfriador de gas natural después de 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 Dúplex 2205 si hay cloruros presentes
Tipo de aleta: Extruida con aluminio 1100 exterior para protección contra la corrosión en alta mar y costera
Geometría de la aleta: Diámetro exterior 19.05 mm × pared de 2.0 mm; altura de aleta 12.5 mm; 10 FPI
Filas del serpentín: 2 – 3
Velocidad de cara del aire: 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 condensándose a 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 recubierto; acero inoxidable si el vapor contiene amoníaco o cloruros
Tipo de aleta: Soldada de alta frecuencia con unión metalúrgica; aletas de acero al carbono galvanizadas en caliente
Geometría del tubo: Tubos elípticos o planos-ovalados con aletas de placa o aletas soldadas helicoidalmente
Orientación del serpentín: Marco en A o marco en V, inclinado 60° respecto a la horizontal
Flujo de aire: Tiro inducido
Característica especial: Serpentines inclinados 1:80 hacia el cabezal de recolección de condensado; protección contra heladas mediante serpentín de vapor o calefacción eléctrica para operación invernal por debajo de 0°C
Limpieza y mantenimiento
La incrustación 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 de operación, lo que ocurra primero
Métodos de limpieza:
Lavado con agua: Spray a baja presión ≤ 1.0 MPa para depósitos solubles en agua
Soplado de aire: Aire comprimido ≤ 0.6 MPa para polvo suelto seco
Limpieza química: Detergente a base de álcali o ácido aprobado para aletas de aluminio; evitar soluciones de alta alcalinidad
La limpieza del lado del tubo no es mecánicamente factible en un serpentín fijo. Se requiere limpieza química o desobstrucción en línea.
Documentación por envío
Certificados de prueba de materiales según EN 10204 3.1 o 3.2 para tubos, aletas, placas tubulares, cabezales y acero estructural
Hoja de datos completada API 661 o hoja de datos ISO 13706
Hoja de datos TEMA si corresponde
Informe de datos con sello U de ASME si corresponde
Informe de inspección dimensional que incluye longitud del serpentín, diseño de agujeros de la placa tubular, geometría de la aleta y diámetro exterior del tubo
Parámetros del proceso de fijación de aletas, incluida la tensión de enrollado, la presión de extrusión y la corriente de soldadura
Informe de prueba hidrostática con registro de gráfico de presión
Informe de prueba de fugas neumática si se realiza
Informes NDE para PT, UT y RT según se realicen
Especificación del procedimiento de soldadura y registro de calificación del procedimiento para soldaduras tubo-placa tubular y de cabezal
Dibujo del serpentín de tubos tal como se construyó con recuento de tubos, configuración de pasos, dimensiones del cabezal y ubicaciones de las orejetas de elevación
Especificación de pintura y recubrimiento con informe de verificación de espesor
Lista de verificación de selección – Serpentín de tubos de enfriador de aire
Tipo de ACHE: Tiro forzado, tiro inducido, marco en A, marco en V u horizontal
Orientación del serpentín: Horizontal o inclinado con ángulo
Material y tamaño del tubo (diámetro exterior y espesor de pared)
Tipo de aleta: Pie en L, KL, LL, extruida, soldada de alta frecuencia o lisa
Material y geometría de la aleta (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 admisible del lado del tubo
Temperatura de entrada de aire para diseño de verano
Velocidad de cara del aire o flujo de aire total
Caída de presión admisible del lado del aire, típicamente 100 – 300 Pa
Tipo de cabezal: Tapón, placa de cubierta o colector de tubería
Número de pasos del lado del tubo: Uno, dos o cuatro
Recuento y disposición de tubos por bahía existente o nueva
Requisitos de protección contra la corrosión, incluidos recubrimientos, galvanizado o materiales especiales de aletas y tubos
Protección contra heladas para servicio ACC, incluido serpentín de vapor, calefacción eléctrica o recirculación
Restricciones de elevación y transporte, incluido el peso y las dimensiones máximas
Normas aplicables: API 661, ISO 13706, TEMA o especificación del cliente
Declaración de limitación de diseño – Serpentín de tubos de enfriador de aire
El serpentín de tubos del enfriador de aire está sujeto a las siguientes limitaciones:
Está diseñado solo para la presión y temperatura especificadas del lado del tubo. La operación fuera de estos límites anula el diseño.
El rendimiento del lado del aire depende de la temperatura ambiente del aire y de las incrustaciones. La capacidad de enfriamiento disminuye a medida que aumenta la temperatura ambiente.
La limpieza del lado del tubo no es mecánicamente factible en un serpentín fijo. Se requiere limpieza química o desobstrucción en línea para servicios con incrustaciones.
Las incrustaciones del lado del aire aumentan la caída de presión y reducen la transferencia de calor. Se deben mantener programas de limpieza regulares.
Para servicios de condensación en condiciones de congelación, se debe proporcionar protección contra heladas mediante inclinación, drenaje y calefacción.
La temperatura máxima de la punta de la aleta no debe exceder los límites específicos del material: Pie en L ≤ 150°C, extruido ≤ 230°C, soldado de alta frecuencia ≤ 450°C.
Para servicios de ciclos térmicos superiores a 500 ciclos por año, no se recomiendan tipos de aletas enrolladas a tensión como pie en L, pie KL y pie LL. Utilice aletas extruidas o soldadas de alta frecuencia.
El serpentín debe instalarse en una estructura de soporte nivelada. Una desalineación excesiva causa distorsión de la placa tubular y fugas en las juntas.
Para presiones del lado del tubo superiores a 10.0 MPa o vacío extremo, consulte para un diseño personalizado de cabezal y placa tubular.
