Tubi alettati: tipologie, produzione e applicazioni per scambiatori di calore

Un  tubo alettato  è un tubo scambiatore di calore dotato di una superficie esterna estesa — alette — per aumentare notevolmente l'area disponibile per il trasferimento di calore sul lato con il coefficiente di scambio termico più debole. In quasi tutti gli scambiatori gas-liquido quel lato è il lato gas o aria, dove il coefficiente del film può essere da uno a due ordini di grandezza inferiore a quello del liquido all'interno del tubo. L'aggiunta di alette riequilibra i due lati, quindi il tubo trasferisce molto più calore a parità di lunghezza e l'intera unità diventa più piccola, leggera ed economica.

ZC Steel Pipe (ZHENCHENG Steel Co., Ltd.) fornisce tubi alettati e tubi base nudi su ordinazione per i comuni tipi di alette e combinazioni di materiali: alluminio, rame, acciaio al carbonio e alette inossidabili su tubi base in carbonio, lega, acciaio inossidabile e rame-nichel. Questa guida spiega i tipi di alette e i relativi limiti di temperatura, i materiali, come la geometria delle alette favorisce l'efficienza, i percorsi di produzione e come selezionare il tubo alettato giusto per scambiatori raffreddati ad aria, economizzatori, HVAC e servizi di processo.

CONTENUTO

1. Cos'è un tubo alettato?

2. Tipi di tubi alettati e limiti di temperatura

3. Materiali del tubo di base e aletta

4. Spaziatura, altezza ed efficienza delle alette

5. Come sono realizzati i tubi alettati

6. Applicazioni e industrie

7. Come selezionare e specificare i tubi alettati

8. Domande frequenti

1. Cos'è un tubo alettato?

In uno scambiatore di calore, il calore deve passare attraverso la serie di resistenze tra i due fluidi: il film interno, la parete del tubo e il film esterno. La resistenza più grande controlla l'intero trasferimento. Quando un gas scorre all'esterno e un liquido all'interno, la pellicola sul lato del gas costituisce il collo di bottiglia, quindi l'ampliamento della superficie esterna con le alette attacca la resistenza che di fatto limita le prestazioni.

DEFINIZIONE — TUBO ALETTATO (SUPERFICIE ESTESA) Un tubo con alette incollate alla sua superficie esterna per aumentare l'area di trasferimento del calore esterno, utilizzato dove il coefficiente del film esterno (solitamente lato gas/aria) è molto inferiore a quello interno. Le tre funzioni principali sono il miglioramento del trasferimento di calore, il bilanciamento dei coefficienti lato gas e lato liquido e il miglioramento della compattezza e dell'economia. Il rapporto delle alette (area esterna/area nuda) è comunemente compreso tra 10:1 e 25:1.

Poiché l'aletta aiuta solo se il calore può raggiungerla, la qualità del collegamento tra aletta e tubo è importante quanto l'area dell'aletta. Un legame allentato o ad alta resistenza priva l'aletta di calore e fa crollare il guadagno, motivo per cui il metodo di collegamento, descritto di seguito, è la prima decisione.

2. Tipi di tubi alettati e limiti di temperatura

I tubi alettati sono classificati in base al modo in cui l'aletta è unita al tubo. L'integrità del legame stabilisce la temperatura massima di servizio, poiché il disadattamento dell'espansione termica e il ciclismo allentano un giunto puramente meccanico molto prima che il metallo stesso si rompa.

Le temperature sono approssimative e dipendono dal materiale dell'aletta e del tubo base. Le alette saldate conferiscono un legame metallurgico permanente limitato principalmente dal tubo base; le alette meccaniche (avvolte) sono limitate dall'allentamento del legame durante il ciclo termico.

Critico: le pinne del piede L si allentano sotto il ciclo termico.  Una pinna con piede a L avvolta in tensione si mantiene grazie alla sola presa meccanica. Al di sopra del limite di temperatura, o in caso di ripetuti cicli di avvio/arresto, l'espansione differenziale allenta la presa, la resistenza di contatto aumenta e le prestazioni di trasferimento del calore diminuiscono drasticamente, spesso ben prima di qualsiasi danno visibile. Per i sistemi che si accendono e spengono frequentemente o che si surriscaldano, specificare alette incassate o saldate di tipo G, non piedini a L.

Per uno scambiatore che tratta vapore o fluido di processo all'interno del tubo, il tipo e lo standard del tubo nudo determinano ancora la progettazione della pressione; Vedere tubi dello scambiatore di calore →  per la gamma di materiali del tubo base.

3. Materiali del tubo di base e dell'aletta

Due decisioni sui materiali si sovrappongono: il materiale dell'aletta (conduttività e corrosione) e il tubo base (pressione, temperatura, fluido sul lato tubo). Possono differire e spesso differiscono: le alette in alluminio su un tubo in acciaio al carbonio sono la classica combinazione di raffreddamento ad aria.

Aletta in alluminio

Conducibilità:  k ~205 W/m·K

Temperatura:  fino a ~180°C

Perché:  massima efficienza, basso costo

Aletta in rame

Conduttività:  molto alta

Temp:  moderata

Perché:  HVAC, resistenza alla corrosione

Aletta in acciaio al carbonio

Forza:  alta

Temp:  >250°C (saldato)

Perché:  alta temperatura, gas di scarico

Pinna inossidabile

Corrosione:  alta

Temp:  elevata

Perché:  servizio corrosivo + caldo

I tubi di base seguono gli stessi standard dei tubi nudi dello scambiatore di calore: acciaio al carbonio (ASTM A179, A192, A210), lega Cr-Mo (A213 T11/T22), acciaio inossidabile austenitico e duplex (A213/A249) e rame-nichel per uso marino. Le alette saldate in acciaio al carbonio accettano un'efficienza delle alette di circa 0,65–0,75 in cambio della loro capacità di resistere alle alte temperature.

Approfondimento ingegneristico: adatta il materiale delle alette all'ambiente, non solo alla temperatura.  Vicino alla costa o al largo, la coppia galvanica sull'interfaccia alluminio-acciaio con piede a L si corrode e il legame si degrada. La soluzione è un'aletta bimetallica estrusa, in cui l'alluminio riveste completamente il tubo di base e non vi è alcuna fessura esposta di metallo diverso. La conduttività è importante, ma in un'atmosfera marina conta di più la sopravvivenza del legame.

4. Spaziatura, altezza ed efficienza delle alette

La geometria delle alette – spaziatura (alette per pollice o per metro), altezza e spessore – stabilisce sia la superficie guadagnata che la penalità pagata in termini di caduta di pressione lato aria. È qui che molti scambiatori a tubi alettati sono sovra o sotto progettati.

L'efficienza della pinna diminuisce all'aumentare dell'altezza perché la punta della pinna si avvicina alla temperatura dell'aria; le pinne più alte guadagnano area ma ogni unità di area fa meno lavoro.

La spaziatura stretta delle alette sembra attraente sulla carta perché massimizza l'area, ma in un servizio polveroso o sporco gli spazi si chiudono, la caduta di pressione lato aria aumenta, la potenza della ventola aumenta e le prestazioni reali scendono al di sotto del valore di progettazione pulita. La giusta spaziatura è quella che sopravvive all'effettivo caricamento della polvere e all'intervallo di pulizia, non quella con la maggiore superficie.

Nota sul campo: l'aumento della temperatura di uscita del processo è il primo segno di incrostazione delle alette.  Confrontare l'ingresso/uscita del processo con la scheda tecnica di messa in servizio e osservare la corrente del motore del ventilatore. Quando l'uscita si alza e la ventola aspira con maggiore forza, le alette lato aria si incrostano prima che qualsiasi altra cosa fallisca. La progettazione con una spaziatura delle alette realistica e pulibile e una linea di base di manutenzione preserva il valore U molto più a lungo rispetto alla ricerca della massima superficie in fase di costruzione.

5. Come sono realizzati i tubi alettati

Il percorso di produzione segue direttamente dal tipo di pinna:

Le alette saldate, in particolare quelle saldate al laser, forniscono un tasso di adesione vicino al 100% con una piccola zona influenzata dal calore, producendo un tubo resistente che resiste alle ceneri abrasive e alla fuliggine del servizio dei gas di scarico. I tubi estrusi proteggono completamente il tubo base e sono adatti alle atmosfere corrosive. Ogni percorso viene ispezionato per verificarne l'integrità, le dimensioni e il passo delle alette prima della consegna.

6. Applicazioni e industrie

I tubi alettati compaiono ovunque il calore debba spostarsi in modo efficiente tra un flusso di gas/aria e un liquido o fluido di processo con un ingombro compatto:

Gli scambiatori raffreddati ad aria e a tubi alettati in questi servizi sono comunemente costruiti secondo i requisiti API 661 e ASME. Per la selezione del grado di tubo nudo nell'ambito di questi compiti, consultare la nostra guida ai gradi dei tubi della caldaia e ai limiti di temperatura →

7. Come selezionare e specificare i tubi alettati

La selezione viene eseguita in questo ordine: fissare il tubo base in base a pressione/temperatura/fluido lato tubo, quindi il tipo di aletta in base alla temperatura di servizio e all'ambiente, quindi la geometria dell'aletta in base al servizio lato aria e al regime di pulizia.

Engineering Insight: i must-have del PO alettati

• Tubo base:  standard, grado, diametro esterno, parete (ad es. A179 / A213 TP316L, 25,4 mm).

• Tipo di aletta:  L / LL / KL / G incorporata / estrusa / saldata HF.

• Materiale aletta:  alluminio, rame, acciaio al carbonio, inossidabile.

• Geometria delle pinne:  densità (FPI/per m), altezza, spessore, solida o seghettata.

• Servizio:  temperatura massima, cicli termici, corrosione/marina, incrostazioni/polvere.

• Lunghezza e forma:  diritta o piegata a U; lunghezza delle alette rispetto alle estremità nude.

• Codice e test:  API 661 / ASME, test di adesione, ispezione dimensionale e passo aletta, MTR.

ZC produce tubi alettati e nudi su ordinazione, abbinando il tipo, il materiale e la geometria delle alette alla scheda tecnica dello scambiatore. Visualizza il Gamma tubi scambiatori di calore →  o ns tubo d'acciaio senza saldatura →  e acciaio inossidabile senza saldature →  opzioni con tubo base.

8. Domande frequenti

Cos'è un tubo alettato e perché viene utilizzato?

Un tubo alettato è un tubo dello scambiatore di calore con una superficie esterna estesa - alette - aggiunta per aumentare l'area di trasferimento del calore sul lato con il coefficiente di trasferimento del calore più basso, solitamente il lato del gas o dell'aria. Poiché la resistenza del film lato gas prevale nello scambio gas-liquido, l'aggiunta di alette può moltiplicare più volte la superficie esterna effettiva, rendendo lo scambiatore molto più compatto ed economico rispetto a un design a tubo nudo.

Quali sono le principali tipologie di tubo alettato?

I tipi principali sono classificati in base al modo in cui è fissata la pinna: piede L con avvolgimento tensionato, piede LL e piede KL zigrinato; tipo G incorporato, dove la pinna si trova in una scanalatura lavorata; estruso (bimetallico), dove un manicotto di alluminio viene estruso in alette sopra il tubo di base; e alette elicoidali saldate ad alta frequenza (piene o dentellate). Per compiti specifici vengono utilizzati anche tubi chiodati, longitudinali e integrali a basso alettone.

A quale temperatura possono resistere i tubi alettati?

La temperatura massima di servizio dipende dall'attacco dell'aletta. Le pinne con piede a L avvolte in tensione sono limitate a circa 130–150 ° C perché il ciclo termico allenta il legame meccanico; Le alette zigrinate KL raggiungono circa 250°C; alette bimetalliche estruse intorno a 280–300°C; tipo G incassato fino a circa 300°C con alette in alluminio e 400°C con alette in acciaio; e alette saldate le più alte di tutte, limitate principalmente dal tubo base. Questi sono approssimativi e variano a seconda del materiale dell'aletta e del tubo.

Qual è la differenza tra tubi ad alette estrusi e saldati?

I tubi ad alette estrusi formano alette in alluminio da un manicotto estruso sul tubo base, coprendolo e proteggendolo completamente: ideale per ambienti corrosivi, marini e offshore. I tubi ad alette saldati legano una striscia di alette in acciaio al tubo mediante saldatura ad alta frequenza o laser, fornendo un giunto metallurgico permanente che tollera le temperature più elevate e il servizio abrasivo dei gas di scarico, al costo di una superficie in acciaio esposta.

In che modo la spaziatura delle alette influisce sull'efficienza dello scambiatore di calore?

Una spaziatura più ravvicinata delle alette (più alette per pollice) aumenta la superficie di trasferimento del calore ma aumenta anche la caduta di pressione lato aria e intrappola le incrostazioni, che possono ridurre le prestazioni reali e aumentare la potenza della ventola. Una spaziatura più ampia riduce l'area ma rimane più pulita ed è più facile da mantenere. La spaziatura ottimale bilancia l'area della superficie rispetto alla caduta di pressione e alle incrostazioni per lo specifico fluido, carico di polvere e regime di pulizia.

Dove vengono utilizzati i tubi alettati?

I tubi alettati vengono utilizzati negli scambiatori di calore raffreddati ad aria (fin-fan), nei raffreddatori a secco, negli economizzatori e nel recupero del calore di scarto, nelle batterie HVAC e nei riscaldatori di processo negli impianti di raffinazione di petrolio e gas, petrolchimici, di produzione di energia e offshore: ovunque il calore debba spostarsi tra un flusso di gas o aria e un liquido o un fluido di processo in modo efficiente e con un ingombro compatto.

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ZHENCHENG Steel Co., Ltd. (ZC Steel Pipe) produce tubi per scambiatori di calore nudi e alettati su ordinazione: alette a L, KL, G incorporate, bimetalliche estruse e saldate ad alta frequenza, in alluminio, rame, acciaio al carbonio e inossidabile, su tubi con base in carbonio, lega, inossidabile e rame-nichel secondo ASTM, ASME e API 661. Controllo di qualità rigoroso: integrità dei legami, passo delle alette e ispezione dimensionale, NDT e completa tracciabilità. Progetti realizzati in Africa, Medio Oriente e Sud America.

E-mail: mandy. w@zcsteelpipe.com   | Whatsapp: +86-139-1579-1813

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