Tubos Aletados: Tipos, Fabricação e Aplicações de Trocadores de Calor

Um  tubo aletado  é um tubo trocador de calor equipado com uma superfície externa estendida – aletas – para aumentar drasticamente a área disponível para transferência de calor no lado com o coeficiente de transferência de calor mais fraco. Em quase todos os trocadores de gás para líquido, esse lado é o lado do gás ou do ar, onde o coeficiente do filme pode ser de uma a duas ordens de grandeza menor que o do líquido dentro do tubo. A adição de aletas reequilibra os dois lados, de modo que o tubo transfere muito mais calor pelo mesmo comprimento e toda a unidade se torna menor, mais leve e mais barata.

A ZC Steel Pipe (ZHENCHENG Steel Co., Ltd.) fornece tubos com aletas sob encomenda e tubos de base nua em todos os tipos de aletas e combinações de materiais comuns - alumínio, cobre, aço carbono e aletas de aço inoxidável em tubos de base de carbono, liga, aço inoxidável e cobre-níquel. Este guia explica os tipos de aletas e seus limites de temperatura, os materiais, como a geometria das aletas impulsiona a eficiência, as rotas de fabricação e como selecionar o tubo com aletas correto para trocadores resfriados a ar, economizadores, HVAC e serviços de processo.

CONTEÚDO

1. O que é um tubo com aletas?

2. Tipos de tubos com aletas e limites de temperatura

3. Materiais de aleta e tubo base

4. Espaçamento, altura e eficiência das aletas

5. Como os tubos com aletas são feitos

6. Aplicações e Indústrias

7. Como selecionar e especificar tubos com aletas

8. Perguntas frequentes

1. O que é um tubo com aletas?

Num trocador de calor, o calor deve passar através de uma série de resistências entre os dois fluidos: o filme interno, a parede do tubo e o filme externo. A maior resistência controla toda a transferência. Quando um gás flui para fora e um líquido para dentro, a película do lado do gás é o gargalo – portanto, aumentar a superfície externa com aletas ataca a resistência que na verdade limita o desempenho.

DEFINIÇÃO — TUBO COM ALETAS (SUPERFÍCIE ESTENDIDA) Um tubo com aletas coladas à sua superfície externa para aumentar a área externa de transferência de calor, usado onde o coeficiente de filme externo (geralmente gás/ar) é muito menor que o interno. As três funções principais são o aprimoramento da transferência de calor, o equilíbrio dos coeficientes do lado do gás e do lado do líquido e a melhoria da compactação e da economia. A proporção da aleta (área externa/nua) é geralmente de 10:1 a 25:1.

Como a aleta só ajuda se o calor puder alcançá-la, a qualidade da ligação entre aleta e tubo é tão importante quanto a área da aleta. Uma ligação frouxa ou de alta resistência priva a aleta de calor e reduz o ganho - razão pela qual o método de fixação, abordado a seguir, é a primeira decisão.

2. Tipos de tubos com aletas e limites de temperatura

Os tubos com aletas são classificados pela forma como a aleta é unida ao tubo. A integridade da ligação define a temperatura máxima de serviço, porque a incompatibilidade e a ciclagem da expansão térmica afrouxam uma junta puramente mecânica muito antes de o próprio metal falhar.

As temperaturas são aproximadas e dependem do material da aleta e do tubo base. As aletas soldadas proporcionam uma ligação metalúrgica permanente limitada principalmente pelo tubo base; aletas mecânicas (enroladas) são limitadas pelo afrouxamento da ligação durante o ciclo térmico.

Crítico – as nadadeiras L-foot se soltam durante a ciclagem térmica.  Uma barbatana de pé L enrolada em tensão mantém-se apenas por aderência mecânica. Acima do seu limite de temperatura, ou sob repetidos ciclos de partida/parada, a expansão diferencial relaxa a aderência, a resistência de contato aumenta e o desempenho da transferência de calor cai drasticamente – muitas vezes bem antes de qualquer dano visível. Para sistemas que ligam e desligam com frequência ou funcionam a quente, especifique aletas embutidas ou soldadas do tipo G, e não pés L.

Para um trocador que manuseia vapor ou fluido de processo dentro do tubo, o grau e o padrão do tubo descoberto ainda regem o projeto de pressão; ver tubos trocadores de calor →  para a linha de material de tubo base.

3. Materiais de aleta e tubo base

Duas decisões de materiais são empilhadas uma sobre a outra: o material da aleta (condutividade e corrosão) e o tubo base (pressão, temperatura, fluido do lado do tubo). Eles podem ser diferentes e muitas vezes são diferentes – aletas de alumínio em um tubo de aço carbono são a combinação clássica de refrigerador de ar.

Aleta de alumínio

Condutividade:  k ~205 W/m·K

Temperatura:  até ~180°C

Por quê:  Maior eficiência, baixo custo

Barbatana de Cobre

Condutividade:  Muito alta

Temperatura:  moderada

Por quê:  HVAC, resistência à corrosão

Aleta de aço carbono

Força:  Alta

Temperatura:  >250°C (soldado)

Porquê:  Gás de combustão de alta temperatura

Barbatana Inoxidável

Corrosão:  Alta

Temperatura:  Elevada

Por que:  serviço corrosivo + quente

Os tubos base seguem os mesmos padrões do tubo do trocador de calor simples: aço carbono (ASTM A179, A192, A210), liga Cr-Mo (A213 T11/T22), aço inoxidável austenítico e duplex (A213/A249) e cobre-níquel para serviços marítimos. Aletas soldadas de aço carbono aceitam uma eficiência de aleta de aproximadamente 0,65–0,75 em troca de sua capacidade de alta temperatura.

Insights de engenharia — Combine o material da aleta com o ambiente, não apenas com a temperatura.  Perto da costa ou offshore, o par galvânico em uma interface L-pé de alumínio-aço sofre corrosão e a ligação se degrada. A fixação é uma aleta bimetálica extrudada, onde o alumínio reveste totalmente o tubo base e não há fendas expostas de metais diferentes. A condutividade é importante, mas numa atmosfera marinha a sobrevivência da ligação é mais importante.

4. Espaçamento, altura e eficiência das aletas

A geometria das aletas – espaçamento (aletas por polegada ou por metro), altura e espessura – define tanto a área de superfície ganha quanto a penalidade paga pela queda de pressão no lado do ar. É aqui que muitos trocadores de tubos aletados são super ou subprojetados.

A eficiência da aleta cai à medida que a altura aumenta porque a ponta da aleta fica mais próxima da temperatura do ar; nadadeiras mais altas ganham área, mas cada unidade de área realiza menos trabalho.

O espaçamento apertado das aletas parece atraente no papel porque maximiza a área, mas em serviços com poeira ou sujeira as lacunas desaparecem, a queda de pressão do lado do ar aumenta, a potência do ventilador aumenta e o desempenho real cai abaixo do valor do design limpo. O espaçamento certo é aquele que sobrevive ao intervalo real de carregamento de poeira e limpeza – e não aquele com maior área de superfície.

Nota de campo — Um aumento na temperatura de saída do processo é o primeiro sinal de incrustação nas aletas.  Compare a entrada/saída do processo com a folha de dados de comissionamento e observe a corrente do motor do ventilador. Quando a saída sobe e o ventilador puxa com mais força, as aletas do lado do ar ficam sujas antes que qualquer outra coisa falhe. Projetar com um espaçamento de aletas realista e limpável – e uma linha de base de manutenção – preserva o valor U por muito mais tempo do que buscar a área de superfície máxima na construção.

5. Como os tubos com aletas são feitos

A rota de fabricação segue diretamente do tipo de aleta:

As aletas soldadas, especialmente as soldadas a laser, proporcionam uma taxa de ligação de quase 100% com uma pequena zona afetada pelo calor, produzindo um tubo resistente que resiste às cinzas abrasivas e à fuligem do serviço de gases de combustão. Os tubos extrudados protegem completamente o tubo base e são adequados para atmosferas corrosivas. Cada rota é inspecionada quanto à integridade da ligação, dimensões e passo das aletas antes da entrega.

6. Aplicações e Indústrias

Os tubos com aletas aparecem onde quer que o calor deva se mover de forma eficiente entre uma corrente de gás/ar e um líquido ou fluido de processo em um espaço compacto:

Os trocadores refrigerados a ar e de tubos aletados nesses serviços são comumente construídos de acordo com os requisitos API 661 e ASME. Para a seleção de classe de tubo nu sob essas funções, consulte nosso guia de graus de tubos de caldeira e limites de temperatura →

7. Como selecionar e especificar tubos com aletas

A seleção é executada nesta ordem: fixe o tubo base a partir da pressão/temperatura/fluido do lado do tubo, depois o tipo de aleta a partir da temperatura de serviço e do ambiente, depois a geometria da aleta a partir do regime de serviço e limpeza do lado do ar.

Engineering Insight — Itens indispensáveis ​​para PO de tubo aletado

• Tubo base:  padrão, grau, diâmetro externo, parede (por exemplo, A179 / A213 TP316L, 25,4 mm).

• Tipo de aleta:  L / LL / KL / G-embutido / extrudado / soldado HF.

• Material da aleta:  alumínio, cobre, aço carbono, inoxidável.

• Geometria da aleta:  densidade (FPI/por m), altura, espessura, sólida ou serrilhada.

• Serviço:  temperatura máxima, ciclagem térmica, corrosão/marinha, incrustação/poeira.

• Comprimento e forma:  reto ou dobrado em U; comprimento das aletas versus extremidades nuas.

• Código e testes:  API 661 / ASME, teste de aderência, inspeção dimensional e de passo de aleta, MTR.

A ZC fabrica tubos aletados e nus sob encomenda, combinando tipo de aleta, material e geometria com a folha de dados do seu trocador. Veja o linha de tubos trocadores de calor →  ou nossa tubo de aço sem costura →  e aço inoxidável sem costura →  opções de tubo base.

8. Perguntas frequentes

O que é um tubo com aletas e por que é usado?

Um tubo aletado é um tubo trocador de calor com uma superfície externa estendida - aletas - adicionada para aumentar a área de transferência de calor no lado com menor coeficiente de transferência de calor, geralmente o lado do gás ou do ar. Como a resistência da película do lado do gás domina na troca gás-líquido, a adição de aletas pode multiplicar a superfície externa efetiva várias vezes, tornando o trocador muito mais compacto e econômico do que um projeto de tubo descoberto.

Quais são os principais tipos de tubo aletado?

Os principais tipos são classificados pela forma como a nadadeira é fixada: pé L enrolado em tensão, pé LL e pé KL serrilhado; tipo G embutido, onde a aleta fica em uma ranhura usinada; extrudado (bimetálico), onde uma luva de alumínio é extrudada em aletas sobre o tubo base; e aletas helicoidais soldadas de alta frequência (sólidas ou serrilhadas). Tubos de aleta baixa cravejados, longitudinais e integrais também são usados ​​para tarefas específicas.

Que temperatura os tubos com aletas podem suportar?

A temperatura máxima de serviço depende da fixação da aleta. As aletas L-foot enroladas por tensão são limitadas a aproximadamente 130–150°C porque a ciclagem térmica afrouxa a ligação mecânica; As barbatanas serrilhadas KL atingem cerca de 250°C; aletas bimetálicas extrudadas em torno de 280–300°C; embutido tipo G até cerca de 300°C com alumínio e 400°C com aletas de aço; e aletas soldadas as mais altas de todas, limitadas principalmente pelo tubo base. Estes são aproximados e variam de acordo com o material da aleta e do tubo.

Qual é a diferença entre tubos de aletas extrudados e soldados?

Os tubos de aletas extrudados formam aletas de alumínio a partir de uma luva extrudada sobre o tubo base, cobrindo-o e protegendo-o totalmente - ideal para ambientes corrosivos, marinhos e offshore. Os tubos de aletas soldados unem uma tira de aletas de aço ao tubo por soldagem de alta frequência ou a laser, proporcionando uma junta metalúrgica permanente que tolera as mais altas temperaturas e serviços abrasivos de gases de combustão, ao custo de uma superfície de aço exposta.

Como o espaçamento das aletas afeta a eficiência do trocador de calor?

Um espaçamento mais próximo das aletas (mais aletas por polegada) adiciona superfície de transferência de calor, mas também aumenta a queda de pressão no lado do ar e retém incrustações, o que pode reduzir o desempenho no mundo real e aumentar a potência do ventilador. Um espaçamento maior reduz a área, mas permanece mais limpo e é mais fácil de manter. O espaçamento ideal equilibra a área de superfície contra queda de pressão e incrustações para o fluido específico, carga de poeira e regime de limpeza.

Onde os tubos com aletas são usados?

Os tubos com aletas são usados ​​em trocadores de calor resfriados a ar (ventilador de aleta), resfriadores secos, economizadores e recuperação de calor residual, bobinas HVAC e aquecedores de processo em refinarias de petróleo e gás, petroquímicas, geração de energia e instalações offshore — em qualquer lugar que o calor deva se mover entre um fluxo de gás ou ar e um líquido ou fluido de processo de forma eficiente e compacta.

Fonte de tubos com aletas de tubo de aço ZC

(ZC Steel Pipe) fabrica tubos trocadores de calor com aletas e nus sob encomenda - aletas bimetálicas extrudadas e soldadas de alta frequência com pés em L, KL, G embutidas, em alumínio, cobre, aço carbono e inoxidável, em tubos de base de carbono, liga, aço inoxidável e cobre-níquel de acordo com ASTM, ASME e API 661. Controle de qualidade rigoroso: integridade de ligação, passo de aleta e dimensional inspeção, END e rastreabilidade total. Projetos entregues em África, Médio Oriente e América do Sul.

E-mail: Mandy. w@zcsteelpipe.com   | WhatsApp: +86-139-1579-1813

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