I. Classificação de trocadores de calor:
Os trocadores de calor de casco e tubos podem ser divididos nas duas categorias seguintes, de acordo com suas características estruturais.
1. Trocador de calor de casco e tubos com estrutura rígida: este trocador de calor passou a ser do tipo com tubos e placas fixos, geralmente dividido em dois tipos: de tubo único e de múltiplos tubos. Suas vantagens são a estrutura simples e compacta, o baixo custo e a ampla utilização; a desvantagem é a impossibilidade de limpeza mecânica dos tubos.
2. Trocador de calor de casco e tubos com dispositivo de compensação de temperatura: permite a expansão livre da parte aquecida. Sua estrutura pode ser dividida em:
① Trocador de calor tipo cabeçote flutuante: este trocador de calor permite a expansão livre em uma das extremidades do feixe tubular, formando o chamado "cabeçote flutuante". É indicado para aplicações onde a diferença de temperatura entre a parede do tubo e a parede do casco é grande e o espaço entre os tubos é frequentemente limpo. No entanto, sua estrutura é mais complexa e os custos de processamento e fabricação são mais elevados.
② Trocador de calor de tubo em U: possui apenas uma placa tubular, permitindo que o tubo se expanda e contraia livremente quando aquecido ou resfriado. A estrutura deste trocador de calor é simples, porém o trabalho de fabricação da curva é maior e, como o tubo precisa ter um determinado raio de curvatura, a utilização da placa tubular é limitada. Além disso, a limpeza mecânica do tubo é difícil, assim como a desmontagem e a substituição dos tubos, sendo necessário que o fluido que passa pelos tubos esteja limpo. Este trocador de calor pode ser utilizado em situações com grandes variações de temperatura, altas temperaturas ou altas pressões.
③ Trocador de calor tipo gaxeta: possui duas formas. Uma delas consiste em uma gaxeta individual na extremidade de cada tubo, garantindo a livre expansão e contração do mesmo. Essa estrutura era utilizada quando o número de tubos no trocador era muito pequeno, porém a distância entre os tubos era maior do que em trocadores de calor convencionais, resultando em uma estrutura complexa. Outra forma consiste em uma estrutura flutuante com uma extremidade do tubo e o casco separados, onde toda a gaxeta é utilizada na parte flutuante. Essa estrutura é mais simples, porém não é adequada para aplicações com tubos de grande diâmetro e alta pressão. Trocadores de calor tipo gaxeta são raramente utilizados atualmente.
II. Revisão das condições de projeto:
1. No projeto do trocador de calor, o usuário deve fornecer as seguintes condições de projeto (parâmetros do processo):
① Pressão de operação do programa de tubos e cascos (como uma das condições para determinar se o equipamento da classe deve ser fornecido)
② tubo, temperatura de operação do programa de carcaça (entrada / saída)
③ temperatura da parede metálica (calculada pelo processo (fornecido pelo usuário))
④ Nome e características do material
⑤Margem de corrosão
⑥O número de programas
⑦ área de transferência de calor
⑧ Especificações dos tubos do trocador de calor, disposição (triangular ou quadrada)
⑨ placa dobrável ou número de placas de suporte
⑩ Material e espessura do isolamento (para determinar a altura de saliência do assento da placa de identificação)
(11) Pintura.
I. Caso o usuário tenha requisitos especiais, deverá fornecer a marca e a cor.
II. Os usuários não têm requisitos especiais; os próprios designers selecionaram.
2. Diversas condições-chave de projeto
① Pressão de operação: como uma das condições para determinar se o equipamento é classificado, ela deve ser fornecida.
② Características do material: caso o usuário não forneça o nome do material, deverá informar o grau de toxicidade do mesmo.
Como a toxicidade do meio está relacionada ao monitoramento não destrutivo do equipamento, ao tratamento térmico, ao nível de forjamento para equipamentos de classe superior, mas também à divisão do equipamento:
a, GB150 10.8.2.1 (f) desenhos indicam que o recipiente contendo meio extremamente perigoso ou altamente perigoso de toxicidade 100% RT.
Os desenhos b, 10.4.1.3 indicam que os recipientes que contêm substâncias extremamente perigosas ou altamente perigosas devido à toxicidade devem ser submetidos a tratamento térmico pós-soldagem (as juntas soldadas de aço inoxidável austenítico não podem ser tratadas termicamente).
c. Peças forjadas. O uso de toxicidade média para peças forjadas extremamente perigosas ou altamente perigosas deve atender aos requisitos da Classe III ou IV.
③ Especificações da tubulação:
Aço carbono comumente usado φ19×2, φ25×2,5, φ32×3, φ38×5
Aço inoxidável φ19×2, φ25×2, φ32×2,5, φ38×2,5
Disposição dos tubos do trocador de calor: triângulo, triângulo de canto, quadrado, quadrado de canto.
★ Quando for necessária limpeza mecânica entre os tubos do trocador de calor, deve-se utilizar um arranjo quadrado.
1. Pressão de projeto, temperatura de projeto, coeficiente de junta soldada
2. Diâmetro: DN < 400 cilindro, uso de tubo de aço.
Cilindro com diâmetro nominal (DN) ≥ 400, fabricado com chapa de aço laminada.
Tubo de aço de 16 polegadas ------ com o usuário para discutir o uso de chapa de aço laminada.
3. Diagrama de layout:
De acordo com a área de transferência de calor e as especificações dos tubos de transferência de calor, é necessário elaborar o diagrama de layout para determinar a quantidade de tubos de transferência de calor.
Se o usuário fornecer um diagrama de tubulação, é necessário também verificar se a tubulação está dentro do círculo limite.
★Princípio de assentamento de tubos:
(1) no círculo limite da tubulação deve estar cheio de tubo.
② O número de tubos de múltiplos estágios deve ser igualado ao número de estágios.
③ Os tubos do trocador de calor devem ser dispostos simetricamente.
4. Material
Quando a própria placa tubular possui um ressalto convexo e é conectada a um cilindro (ou cabeçote), deve-se utilizar o processo de forjamento. Devido ao uso dessa estrutura, as placas tubulares geralmente são utilizadas em situações extremas de alta pressão, com materiais inflamáveis, explosivos e tóxicos, exigindo maior espessura. Para evitar a formação de escória no ressalto convexo e a delaminação, além de melhorar as condições de tensão das fibras nessa região, reduzir o tempo de usinagem e economizar material, o ressalto convexo e a placa tubular são forjados diretamente em um único processo.
5. Conexão do trocador de calor e da placa tubular
A conexão dos tubos na placa tubular é uma parte crucial do projeto de um trocador de calor de casco e tubos. Além de processar a carga de trabalho, é fundamental garantir que cada conexão, durante a operação do equipamento, esteja livre de vazamentos e suporte a pressão do fluido.
A conexão entre tubos e placas tubulares ocorre principalmente de três maneiras: a) expansão; b) soldagem; c) soldagem por expansão.
A expansão do fluido entre o casco e o tubo, em caso de vazamento, não causará consequências adversas, especialmente se o material tiver baixa soldabilidade (como tubos de trocadores de calor de aço carbono) e a carga de trabalho da fábrica for muito grande.
Devido à expansão da extremidade do tubo durante a soldagem e à deformação plástica, ocorre uma tensão residual. Com o aumento da temperatura, essa tensão residual desaparece gradualmente, reduzindo a capacidade de vedação e adesão da extremidade do tubo. Portanto, a expansão da estrutura é limitada pela pressão e temperatura, sendo geralmente aplicável a pressões de projeto ≤ 4 MPa, temperaturas de projeto ≤ 300 graus Celsius e operação sem vibrações violentas, variações excessivas de temperatura ou corrosão sob tensão significativa.
A soldagem oferece as vantagens de produção simples, alta eficiência e conexão confiável. Através da soldagem, o tubo se integra melhor à placa tubular, além de reduzir a necessidade de usinagem dos furos, economizando tempo de processamento e facilitando a manutenção. Por isso, deve ser priorizada.
Além disso, quando a toxicidade do fluido é muito alta, a mistura entre o fluido e a atmosfera pode facilmente causar explosões. Se o fluido for radioativo, ou se houver mistura entre os materiais internos e externos da tubulação, isso terá um efeito adverso. Para garantir a vedação das juntas, também é comum o uso da soldagem. Embora a soldagem apresente muitas vantagens, ela não elimina completamente a corrosão por frestas e a corrosão sob tensão nos nós de solda, além de dificultar a obtenção de uma solda confiável entre tubos de parede fina e tubos de chapa grossa.
O método de soldagem pode atingir temperaturas mais elevadas do que a expansão, mas sob a ação de tensões cíclicas em altas temperaturas, a solda torna-se muito suscetível a fissuras por fadiga, abertura de frestas entre o tubo e o furo, e, quando submetida a meios corrosivos, acelera a deterioração da junta. Portanto, existe a utilização simultânea de soldagem e expansão em juntas. Isso não só melhora a resistência à fadiga da junta, como também reduz a tendência à corrosão por frestas, prolongando significativamente sua vida útil em comparação com o uso exclusivo da soldagem.
Não existe um padrão uniforme para determinar em quais ocasiões e métodos é adequado o uso de juntas de expansão e soldagem. Geralmente, em temperaturas não muito altas, mas com pressão muito elevada ou em fluidos muito propensos a vazamentos, utiliza-se solda de expansão com vedação (a solda de vedação refere-se simplesmente à prevenção de vazamentos e à sua aplicação, não garantindo a resistência).
Quando a pressão e a temperatura são muito altas, utiliza-se soldagem de alta resistência com expansão por pasta (a soldagem de alta resistência garante que, mesmo que a solda esteja bem vedada, a junta também apresente alta resistência à tração, geralmente considerando que a resistência da solda seja igual à resistência do tubo sob carga axial durante a soldagem). A função da expansão é principalmente eliminar a corrosão por frestas e melhorar a resistência à fadiga da solda. As dimensões estruturais específicas da norma (GB/T151) já foram estipuladas e não serão detalhadas aqui.
Para os requisitos de rugosidade da superfície do furo do tubo:
a) Quando a conexão de soldagem do tubo e da placa do trocador de calor for feita, o valor de rugosidade superficial do tubo (Ra) não deve ser superior a 35 µm.
b, em uma conexão de expansão de tubo único e placa tubular de trocador de calor, o valor de rugosidade da superfície do furo do tubo Ra não deve ser maior que 12,5uM na conexão de expansão, a superfície do furo do tubo não deve afetar a estanqueidade da expansão devido a defeitos, como ranhuras longitudinais ou espirais.
III. Cálculo de projeto
1. Cálculo da espessura da parede do casco (incluindo seção curta da caixa de tubulação, cabeçote e cálculo da espessura da parede do cilindro do programa do casco): a espessura da parede do tubo e do cilindro do programa do casco deve atender à espessura mínima da parede na norma GB151. Para aço carbono e aço de baixa liga, a espessura mínima da parede é definida considerando a margem de corrosão C2 = 1 mm. Caso C2 seja maior que 1 mm, a espessura mínima da parede do casco deve ser aumentada proporcionalmente.
2. Cálculo do reforço de furos abertos
Para o casco que utiliza sistema de tubo de aço, recomenda-se o uso de reforço total (aumentar a espessura da parede do cilindro ou usar tubo de parede grossa); para caixas de tubo mais grossas com furos grandes, deve-se considerar a economia geral.
Nenhum outro reforço deve atender aos requisitos de vários pontos:
① pressão de projeto ≤ 2,5Mpa;
② A distância entre os centros de dois furos adjacentes não deve ser inferior ao dobro da soma dos diâmetros dos dois furos;
③ Diâmetro nominal do receptor ≤ 89 mm;
④ A espessura mínima da parede deve estar de acordo com os requisitos da Tabela 8-1 (considerando uma margem de corrosão de 1 mm).
3. Flange
Em equipamentos que utilizam flanges padrão, deve-se atentar para a compatibilidade entre a flange e a junta, bem como para a fixação dos parafusos. Caso contrário, o dimensionamento da flange deverá ser refeito. Por exemplo, uma flange plana de solda tipo A, conforme o padrão, utiliza uma junta não metálica macia; quando se utiliza uma junta helicoidal, o dimensionamento da flange deverá ser refeito.
4. Placa de tubo
É preciso prestar atenção aos seguintes pontos:
① Temperatura de projeto da placa tubular: De acordo com as normas GB150 e GB/T151, a temperatura deve ser considerada no mínimo igual à temperatura do metal do componente. No entanto, no cálculo da temperatura da placa tubular, não é possível garantir a influência do fluido de processo no casco do tubo, e como a temperatura do metal da placa tubular é difícil de calcular, geralmente adota-se um valor ligeiramente superior à temperatura de projeto da placa tubular.
② Trocador de calor multitubular: na área da tubulação, devido à necessidade de configurar o espaçamento e a estrutura da barra de ligação, e não ser suportado pela área do trocador de calor Ad: fórmula GB/T151.
③ A espessura efetiva da placa tubular
A espessura efetiva da placa tubular refere-se à separação entre a distância entre os tubos e a espessura da ranhura da antepara na placa tubular, menos a soma dos dois fatores seguintes.
a, margem de corrosão do tubo além da profundidade da ranhura de partição da faixa do tubo
b, margem de corrosão do programa de casco e placa tubular no lado do programa de casco da estrutura da profundidade da ranhura das duas maiores instalações
5. Conjunto de juntas de dilatação
Em trocadores de calor de placas e tubos fixos, devido à diferença de temperatura entre o fluido no interior dos tubos e o fluido no interior dos tubos, e à conexão fixa entre o trocador de calor e o casco e as placas tubulares, existe, durante a operação, uma diferença de expansão entre o casco e os tubos, sujeitando-os a cargas axiais. Para evitar danos ao casco e ao trocador de calor, instabilidade do trocador de calor e desprendimento dos tubos das placas tubulares, devem ser instaladas juntas de expansão para reduzir a carga axial no casco e no trocador de calor.
Geralmente, quando a diferença de temperatura entre o casco e a parede do trocador de calor é grande, é necessário considerar a instalação de uma junta de expansão. No cálculo da placa tubular, calculam-se os valores de σt, σc e q de acordo com a diferença de temperatura entre as diversas condições comuns. Caso algum desses valores não seja atendido, é necessário aumentar a junta de expansão.
σt - tensão axial do tubo do trocador de calor
σc - tensão axial do cilindro do processo de revestimento
q--A força de desprendimento da conexão entre o tubo e a placa tubular do trocador de calor
IV. Projeto Estrutural
1. Caixa de tubos
(1) Comprimento da caixa de tubulação
a. Profundidade interna mínima
① Na abertura do percurso de tubo único da caixa de tubos, a profundidade mínima no centro da abertura não deve ser inferior a 1/3 do diâmetro interno do receptor;
② A profundidade interna e externa do curso do tubo deve garantir que a área mínima de circulação entre os dois cursos não seja inferior a 1,3 vezes a área de circulação do tubo do trocador de calor por curso;
b, a profundidade interna máxima
Considere se é conveniente soldar e limpar as partes internas, especialmente para o diâmetro nominal do trocador de calor multitubular menor.
(2) Partição de programa separada
A espessura e a disposição da divisória devem estar de acordo com a Tabela 6 e a Figura 15 da norma GB151. Para divisórias com espessura superior a 10 mm, a superfície de vedação deve ser recortada para 10 mm. No caso de trocadores de calor tubulares, a divisória deve ser instalada sobre o orifício de drenagem, cujo diâmetro é geralmente de 6 mm.
2. Feixe de tubos e casco
①Nível do feixe de tubos
Os feixes tubulares de nível I e II, que utilizam tubos de aço carbono e aço de baixa liga para trocadores de calor, são fabricados segundo as normas nacionais. Existem ainda os níveis "superior" e "comum". Assim que os tubos para trocadores de calor nacionais puderem ser fabricados com aço de nível "superior", a classificação em níveis I e II para feixes tubulares de aço carbono e aço de baixa liga deixará de existir.
A principal diferença entre os feixes de tubos I e II reside no diâmetro externo dos tubos do trocador de calor, na variação da espessura da parede e nas dimensões e variações dos orifícios correspondentes.
Feixe de tubos de grau 1 para requisitos de alta precisão; para tubos de aço inoxidável em trocadores de calor, somente feixe de tubos de grau 1; para tubos de aço carbono comumente usados em trocadores de calor.
② Placa tubular
a, desvio no tamanho do furo do tubo
Observe a diferença entre os feixes de tubos de nível I e II.
b, o sulco de partição do programa
A profundidade da ranhura Ⅰ geralmente não é inferior a 4 mm.
Largura do slot de partição do subprograma II: aço carbono 12 mm; aço inoxidável 11 mm
O chanfro do canto da ranhura de partição de faixa de minutos III é geralmente de 45 graus, a largura do chanfro b é aproximadamente igual ao raio R do canto da junta de faixa de minutos.
③Placa dobrável
a. Diâmetro do furo da tubulação: diferenciado por nível do feixe
b, altura do entalhe da placa dobrável do arco
A altura do entalhe deve ser tal que o fluido que passa pela abertura, com uma vazão através do feixe de tubos semelhante à altura do entalhe, seja geralmente considerada de 0,20 a 0,45 vezes o diâmetro interno do canto arredondado. O entalhe é geralmente cortado na fileira de tubos abaixo da linha central ou em duas fileiras de furos de tubos entre uma pequena ponte (para facilitar a montagem do tubo).
c. Orientação do entalhe
Fluido limpo unidirecional, com entalhe para cima e para baixo;
Gás contendo uma pequena quantidade de líquido, faça um entalhe para cima em direção à parte mais baixa da placa dobrável para abrir a porta de líquido;
Líquido contendo uma pequena quantidade de gás; faça um entalhe em direção à parte superior da placa dobrável para abrir a porta de ventilação.
Coexistência gás-líquido ou líquido contendo materiais sólidos, entalhe disposto à esquerda e à direita, e abertura da porta de líquido no local mais baixo.
d. Espessura mínima da chapa dobrável; vão máximo sem suporte
e. As placas dobráveis em ambas as extremidades do feixe de tubos estão o mais próximas possível dos receptores de entrada e saída do casco.
④Barra de direção
a, o diâmetro e o número de barras de ligação
O diâmetro e o número de barras de ligação devem ser selecionados de acordo com as Tabelas 6-32 e 6-33, de forma a garantir que a área da seção transversal da barra de ligação seja maior ou igual à indicada na Tabela 6-33. Considerando que o diâmetro e o número de barras de ligação podem ser alterados, o diâmetro não deve ser inferior a 10 mm e o número não deve ser inferior a quatro.
b) As barras de ancoragem devem ser dispostas da maneira mais uniforme possível na borda externa do feixe de tubos. Para trocadores de calor de grande diâmetro, na área dos tubos ou próximo ao vão da placa de dobra, deve-se dispor um número adequado de barras de ancoragem. Cada placa de dobra deve ter pelo menos 3 pontos de apoio.
c. Porca da barra de direção; alguns usuários exigem a seguinte porca e soldagem de placa dobrável:
⑤ Placa anti-descarga
a. A instalação da placa anti-fluxo tem como objetivo reduzir a distribuição irregular do fluido e a erosão da extremidade do tubo do trocador de calor.
b. Método de fixação da placa anti-lavagem
Na medida do possível, a placa anti-deslizamento deve ser fixada no tubo de passo fixo ou próximo à placa tubular da primeira placa dobrável. Quando a entrada do casco estiver localizada na haste não fixa na lateral da placa tubular, a placa anti-deslizamento pode ser soldada ao corpo do cilindro.
(6) Instalação de juntas de dilatação
a. Localizado entre os dois lados da placa dobrável
Para reduzir a resistência do fluido na junta de expansão, se necessário, na junta de expansão interna do tubo de revestimento, o tubo de revestimento deve ser soldado à carcaça na direção do fluxo do fluido. Para trocadores de calor verticais, quando o fluxo do fluido for ascendente, devem ser instalados orifícios de descarga na extremidade inferior do tubo de revestimento.
b. Juntas de expansão do dispositivo de proteção para evitar que o equipamento seja danificado durante o transporte ou uso.
(vii) a ligação entre a placa tubular e o casco
a. A extensão também funciona como flange.
b. Placa de tubo sem flange (GB151 Apêndice G)
3. Flange de tubulação:
① Para temperaturas de projeto iguais ou superiores a 300 graus, deve-se utilizar flange de topo.
② Para o trocador de calor que não pode ser usado para assumir a interface para desistir e descarregar, deve-se instalar no tubo, o ponto mais alto do curso do casco do sangrador, o ponto mais baixo da porta de descarga, com diâmetro nominal mínimo de 20 mm.
③ O trocador de calor vertical pode ser configurado com uma porta de transbordamento.
4. Suporte: Espécies GB151 de acordo com as disposições do Artigo 5.20.
5. Outros acessórios
① Olhais de içamento
Qualidade superior a 30 kg. A caixa oficial e a tampa da caixa do tubo devem ter olhais de fixação.
② fio superior
Para facilitar a desmontagem da caixa de tubos, a tampa da caixa de tubos deve ser fixada na placa oficial, com o fio superior da tampa da caixa de tubos.
V. Requisitos de fabricação e inspeção
1. Placa de tubo
① emendas de placas tubulares para inspeção de raios 100% ou UT, nível de qualificação: RT: Ⅱ UT: Ⅰ nível;
② Além do aço inoxidável, tratamento térmico de alívio de tensão para chapas de tubos emendados;
③ Desvio da largura da ponte do furo da placa tubular: de acordo com a fórmula para calcular a largura da ponte do furo: B = (S - d) - D1
Largura mínima da ponte de furo: B = 1/2 (S - d) + C;
2. Tratamento térmico da caixa de tubos:
Aço carbono, aço de baixa liga soldado com uma divisória de faixa dividida da caixa de tubulação, bem como a caixa de tubulação das aberturas laterais com mais de 1/3 do diâmetro interno da caixa de tubulação cilíndrica, na aplicação de tratamento térmico de alívio de tensão por soldagem, a superfície de vedação do flange e da divisória deve ser processada após o tratamento térmico.
3. Teste de pressão
Quando a pressão de projeto do processo na carcaça for inferior à pressão de processo nos tubos, é necessário verificar a qualidade das conexões entre os tubos e as placas tubulares do trocador de calor.
① Aumentar a pressão do programa de teste da carcaça com o programa de tubulação consistente com o teste hidráulico, para verificar se há vazamento nas juntas da tubulação. (No entanto, é necessário garantir que a tensão primária do filme da carcaça durante o teste hidráulico seja ≤0,9ReLΦ)
② Quando o método acima não for apropriado, a carcaça pode ser submetida a um teste hidrostático de acordo com a pressão original após a aprovação, e então a carcaça pode ser submetida a um teste de vazamento de amônia ou a um teste de vazamento de halogênio.
VI. Alguns pontos a serem observados nos gráficos
1. Indique o nível do feixe de tubos.
2. O número de identificação do tubo do trocador de calor deve ser escrito na etiqueta.
3. Linha de contorno da tubulação da placa tubular fora da linha sólida espessa fechada
4. Os desenhos de montagem devem ser identificados com a orientação da folga da placa dobrável.
5. Os orifícios de descarga padrão das juntas de expansão, os orifícios de exaustão nas juntas dos tubos e os tampões dos tubos devem estar fora da imagem.
Data da publicação: 11 de outubro de 2023