I tubi dritti e a U degli scambiatori di calore influenzano il modo in cui uno scambiatore gestisce l'espansione termica, come le sue superfici possono essere pulite e come i tubi danneggiati vengono ispezionati o sostituiti.
I tubi dritti forniscono un accesso diretto attraverso il foro e possono essere utilizzati in diverse configurazioni di scambiatori. I tubi a U forniscono un percorso di ritorno continuo e consentono al fascio tubiero di gestire l'espansione termica differenziale all'interno di un design convenzionale a U.
La scelta appropriata dipende dalla disposizione completa dello scambiatore, dalle condizioni operative e dalla strategia di manutenzione. Per l'approvvigionamento, questi requisiti devono essere tradotti in dimensioni chiare, specifiche dei materiali, requisiti di formatura e criteri di ispezione.
Un tubo dritto descrive la forma di un componente. Non identifica come il fascio tubiero è supportato o come viene gestito il movimento termico.
I tubi dritti possono essere installati sia in scambiatori a piastra tubiera fissa che a testa mobile. In uno scambiatore convenzionale a U, ogni tubo ha due gambe dritte collegate da una curva di ritorno, con entrambe le estremità che terminano sulla stessa piastra tubiera.
ASHRAE descrive disposizioni di tubi dritti con fasci tubieri fissi o rimovibili, nonché fasci tubieri a U rimovibili. Questa distinzione è essenziale quando si confrontano l'accesso alla manutenzione e il comportamento dell'espansione termica.
| Considerazione di progettazione | Tubi dritti: piastre tubiere fisse | Tubi dritti: testa mobile | Tubi a U: fascio tubiero convenzionale a U |
|---|---|---|---|
| Disposizione dei tubi | Tubi dritti tra piastre tubiere fisse | Tubi dritti con un'estremità in grado di muoversi attraverso la disposizione a testa mobile | Due gambe collegate da una curva di ritorno |
| Espansione termica differenziale | Deve essere valutata; potrebbe essere necessaria una disposizione per l'espansione | Gestita dalla disposizione a testa mobile | Gestita attraverso la disposizione a U |
| Pulizia lato tubo | Accesso diretto al foro quando le teste sono accessibili | Accesso diretto al foro quando le teste sono accessibili | La curva limita l'accesso con strumenti rigidi |
| Pulizia meccanica lato mantello | Generalmente limitata dal fascio tubiero fisso | La rimozione del fascio tubiero fornisce accesso | La rimozione del fascio tubiero fornisce comunemente accesso |
| Sostituzione del singolo tubo | Spesso praticabile, soggetto alla progettazione del giunto e all'accesso | Spesso praticabile dopo un'adeguata smontaggio | Può essere difficile, specialmente per le file interne |
| Enfasi sull'approvvigionamento | Lunghezza dritta, condizione dell'estremità e adattamento alla piastra tubiera | Dimensioni del tubo e compatibilità con l'assieme rimovibile | Geometria della curva, spessore finito, identificazione della fila e movimentazione |
La letteratura di selezione del produttore conferma queste distinzioni pratiche, inclusa la pulizia limitata lato mantello per i design a piastra tubiera fissa e le limitazioni sulla sostituzione dei singoli tubi nei fasci tubieri a U.
Il mantello e i tubi possono operare a temperature diverse e possono anche avere diversi coefficienti di espansione termica. La loro crescita termica libera può quindi differire.
In uno scambiatore a piastra tubiera fissa, il vincolo di questo movimento può generare carichi nei tubi, nel mantello, nelle piastre tubiere e nei giunti. La progettazione deve valutare le condizioni operative e transitorie pertinenti.
Una disposizione convenzionale a U consente all'estremità curva di muoversi mentre i tubi si espandono e si contraggono. Xylem identifica la gestione dell'espansione differenziale tra il mantello e i tubi, e tra i singoli tubi, come una caratteristica della sua costruzione a U.
Questa flessibilità è particolarmente utile quando il movimento termico è una preoccupazione di progettazione significativa. L'avvio, lo spegnimento e il riscaldamento non uniforme richiedono ancora una valutazione.
La forma del tubo da sola non stabilisce una classificazione di pressione.
La progettazione della pressione dipende dal materiale, dalla temperatura, dalle dimensioni, dallo spessore minimo disponibile, dalla condizione di fabbricazione e dalle regole di costruzione applicabili. Per i tubi a U, la valutazione deve tenere conto della geometria della curva finita e di qualsiasi assottigliamento della parete introdotto durante la formatura.
Anche la pressione esterna è importante. Un tubo può sperimentare una pressione esterna maggiore rispetto a quella interna durante il funzionamento, lo spegnimento o il collaudo.
Sia i tubi dritti che quelli a U richiedono un supporto adeguato contro le vibrazioni indotte dal flusso.
Per i fasci tubieri a U, la regione della curva merita particolare attenzione perché la sua geometria e la disposizione del supporto differiscono da quelle delle gambe dritte. Gli Standard TEMA includono disposizioni che riguardano i supporti nell'area della curva a U, rafforzando la necessità di trattare questa regione come una specifica considerazione di progettazione.
I requisiti di manutenzione dovrebbero essere stabiliti prima che venga selezionata la configurazione del tubo.
I tubi dritti forniscono un percorso diretto per attrezzature di pulizia adeguate quando la disposizione del canale o della testa consente l'accesso. Questo può essere prezioso quando i depositi richiedono una rimozione meccanica regolare.
Uno strumento di pulizia rigido non può seguire una curva a U. Tuttavia, i tubi a U non sono universalmente limitati alla pulizia chimica. Lance flessibili adeguate e strumenti specializzati a getto d'acqua possono pulire determinate geometrie di tubi a U. StoneAge, ad esempio, offre strumenti destinati a fasci tubieri a U e passaggi di piccolo diametro contenenti curve.
La copertura di pulizia ottenibile dipende da:
Diametro interno del tubo.
Raggio minimo di curvatura.
Dimensioni dello strumento e del tubo flessibile.
Tipo e gravità del deposito.
Accesso attraverso il canale.
Compatibilità del processo di pulizia con il materiale del tubo.
Specificare il metodo di pulizia previsto e confermare che possa raggiungere le superfici richieste.
L'accesso lato mantello dipende principalmente dalla rimovibilità del fascio tubiero, dalla disposizione dei tubi e dallo spazio disponibile tra i tubi.
Un fascio tubiero a U rimovibile può fornire accesso alle superfici esterne dei tubi. Anche un fascio tubiero a testa mobile con tubi dritti può fornire questo accesso.
Per entrambe le disposizioni, la stretta spaziatura dei tubi e i componenti di supporto possono limitare gli strumenti di pulizia. La sola rimozione del fascio tubiero non garantisce l'accesso a ogni superficie.
L'accesso per l'ispezione attraverso una curva a U dipende dalla sonda e dalla geometria effettiva del tubo.
Sonde a correnti parassite flessibili sono disponibili per l'esame di tubazioni a U adatte, inclusi acciai inossidabili austenitici. La loro disponibilità significa che l'ispezione della curva può essere fattibile, ma il passaggio della sonda e le prestazioni dell'esame devono essere confermati per il diametro e il raggio selezionati.
Un piano di ispezione utile identifica eventuali regioni inaccessibili e i metodi utilizzati per valutarle.
I tubi dritti offrono spesso un percorso di sostituzione più diretto, soggetto alla costruzione del giunto e a uno spazio di estrazione adeguato.
Nei fasci tubieri a U, i tubi vicini possono ostacolare la rimozione di un singolo tubo, in particolare nelle file interne. La pianificazione della manutenzione dovrebbe affrontare se i tubi danneggiati possono essere sostituiti, se una strategia di tappatura ingegnerizzata è accettabile e quando diventa necessaria la sostituzione del fascio tubiero.
Né la geometria dritta né quella a U garantiscono prestazioni termiche migliori.
Il confronto deve utilizzare il carico richiesto, le proprietà dei fluidi, le portate, le ipotesi di fouling e le cadute di pressione ammissibili. L'area di scambio termico, la velocità lato tubo, la distribuzione del flusso lato mantello e la disposizione dei passaggi influenzano tutti il risultato.
Un U convenzionale fornisce un percorso di flusso di andata e ritorno. Gli scambiatori a tubi dritti possono anche utilizzare passaggi multipli lato tubo attraverso la loro disposizione di testa e partizione.
Per i design a U, la valutazione idraulica dovrebbe includere la perdita della curva di ritorno e la lunghezza effettiva del percorso di flusso. Diverse file di curve possono anche avere lunghezze di percorso diverse.
Per i confronti di approvvigionamento, richiedere a entrambi i design proposti di soddisfare gli stessi casi operativi e criteri di prestazione. Un diametro esterno del tubo uguale o un'area superficiale nominale uguale non stabiliscono prestazioni dello scambiatore uguali.
Una richiesta come "Tubo a U da 19,05 mm, lungo 6 m" lascia diverse dimensioni indefinite.
Il disegno dovrebbe distinguere la lunghezza della gamba dritta, l'ingombro complessivo e la lunghezza sviluppata del tubo.
| Dimensione | Definizione |
|---|---|
| Diametro esterno, D | Diametro esterno del tubo |
| Spessore della parete, t | Spessore specificato con la sua base nominale, minima o media |
| Raggio della linea centrale della curva, R | Raggio misurato alla linea centrale del tubo |
| Lunghezze delle gambe dritte, L₁ e L₂ | Lunghezze dalle rispettive estremità tagliate ai punti di tangenza della curva |
| Distanza tra le linee centrali delle gambe | Distanza tra le linee centrali delle gambe parallele |
| Ingombro complessivo | Dimensioni esterne massime del componente finito |
| Lunghezza sviluppata | Lunghezza misurata lungo la linea centrale del tubo |
Per una curva semicircolare ideale planare di 180° con gambe parallele:
Distanza tra le linee centrali delle gambe = 2R
Lunghezza sviluppata geometrica = L₁ + L₂ + πR
Il raggio interno della curva è inferiore al raggio della linea centrale della metà del diametro esterno del tubo. Queste definizioni di raggio dovrebbero essere chiaramente identificate sul disegno.
Supponiamo:
Diametro esterno del tubo: 19,05 mm.
Raggio della linea centrale della curva: 75 mm.
Lunghezza della gamba dritta da ciascuna estremità tagliata al suo punto di tangenza: 6.000 mm.
Gambe uguali con le loro estremità tagliate nello stesso piano.
| Dimensione calcolata | Risultato |
|---|---|
| Distanza tra le linee centrali delle gambe | 150,00 mm |
| Larghezza esterna attraverso la curva | 169,05 mm |
| Lunghezza dell'arco semicircolare della linea centrale | 235,62 mm |
| Lunghezza sviluppata geometrica | 12.235,62 mm |
| Ingombro assiale complessivo, dal piano dell'estremità tagliata alla corona esterna della curva | Circa 6.084,53 mm |
Un tubo con due gambe dritte da 6 m ha quindi una lunghezza sviluppata geometrica di circa 12,236 m.
Il fabbricante deve stabilire la lunghezza effettiva del pezzo grezzo di partenza, comprese le tolleranze di taglio e di processo. Il calcolo sopra descrive la geometria ideale e non è un'istruzione di taglio o una tolleranza di formatura.
Per un fascio tubiero contenente raggi multipli, fornire un programma di curve che mostri ogni fila, raggio, lunghezza della gamba e quantità.
Le specifiche comuni per i tubi degli scambiatori di calore in acciaio inossidabile includono:
| Specifica | Ambito del prodotto pertinente |
|---|---|
| ASTM A213/A213M | Tubi senza saldatura per caldaie, surriscaldatori e scambiatori di calore, inclusi gradi specificati di acciaio inossidabile |
| ASTM A249/A249M | Tubi austenitici saldati e saldati pesantemente lavorati a freddo per caldaie, surriscaldatori, scambiatori di calore e condensatori |
| ASTM A688/A688M | Tubi senza saldatura e saldati in acciaio inossidabile austenitico per riscaldatori di acqua di alimento, inclusi tubi a U quando specificato |
A213 include la fornitura a spessore minimo e, quando ordinato, a spessore medio. A249 utilizza una base di spessore nominale nel suo ambito. A688 si occupa specificamente dei tubi per riscaldatori di acqua di alimento. Queste specifiche dovrebbero essere selezionate in base al prodotto e al servizio piuttosto che trattate come etichette intercambiabili.
Indicare separatamente il codice di costruzione di riferimento. ASME BPVC Sezione VIII tratta la progettazione, la fabbricazione, l'ispezione e il collaudo delle recipienti a pressione nel suo ambito. I requisiti TEMA e API 660 possono anche applicarsi quando specificati per lo scambiatore e l'industria interessata.
L'ordine di acquisto dovrebbe identificare le edizioni applicabili e stabilire come verranno risolti i requisiti contrastanti.
Il trattamento termico post-curvatura dipende dal grado del materiale, dalla quantità di lavorazione a freddo, dalle condizioni di servizio e dai requisiti di riferimento.
Il fatto che il tubo di partenza sia stato fornito ricotto non stabilisce la condizione richiesta dopo la curvatura. Allo stesso modo, il termine "tubo a U" da solo non stabilisce un ciclo di trattamento termico obbligatorio.
I produttori offrono diversi trattamenti in base alla specifica e al grado. Alleima elenca la ricottura in soluzione, il rilassamento delle tensioni e la stabilizzazione tra le sue capacità di trattamento per tubi a U; TPS distingue analogamente le opzioni di trattamento per materiale.
Dove è richiesto un trattamento, definire:
La condizione finale richiesta del materiale.
Le regioni della curva e delle gambe adiacenti da trattare.
La procedura di riscaldamento e raffreddamento approvata.
Protezione superficiale e pulizia successiva.
Registrazioni di temperatura richieste e test di verifica.
Termini come "ricotto dopo la curvatura" dovrebbero essere supportati da una procedura identificabile.
L'ispezione del tubo dritto di partenza e l'accettazione del tubo a U finito servono a scopi diversi.
Le registrazioni del materiale di partenza stabiliscono l'identità e la conformità del tubo fornito. L'ispezione del componente finito deve affrontare le modifiche introdotte dalla curvatura, dal trattamento termico, dal taglio e dalla pulizia.
| Elemento di ispezione | Focus sul tubo dritto | Focus aggiuntivo sul tubo a U |
|---|---|---|
| Identificazione del materiale | Grado, numero di lotto e tracciabilità del certificato | Tracciabilità mantenuta attraverso la formatura e l'allocazione della fila |
| Dimensioni | Diametro esterno, spessore, dritto e lunghezza finita | Raggio, distanza tra le gambe, lunghezze delle gambe, parallelismo e allineamento del piano di curvatura |
| Spessore della parete | Conformità alla base di spessore ordinata | Spessore minimo nella curva formata |
| Forma della sezione trasversale | Requisiti di rotondità applicabili | Ovalià o appiattimento della curva |
| Condizione superficiale | Graffi, ammaccature, condizione dell'estremità e pulizia | Rughe, segni di formatura e condizione superficiale correlata al trattamento termico |
| Esame non distruttivo | Metodo richiesto, copertura e criteri di accettazione | Idoneità alla geometria della curva e a eventuali regioni inaccessibili |
| Test di pressione o di tenuta | Requisiti applicabili del prodotto e dell'ordine | Fase di test richiesta dopo la formatura e il trattamento |
| Documentazione | Registrazioni dei materiali e dei test | Programma di curve, registrazioni dimensionali e registrazioni del trattamento |
Il piano di ispezione dovrebbe definire campionamento, posizioni di misurazione e limiti di accettazione. Anche termini come "ovalità" e "appiattimento" necessitano di specificare il metodo di calcolo, poiché documenti diversi possono utilizzare definizioni diverse.
I produttori identificano tra i controlli disponibili per i tubi a U l'ispezione dimensionale, i controlli dello spessore della curva, il test di tenuta, l'esame con liquidi penetranti e i controlli di passaggio. La combinazione richiesta deve essere stabilita nell'ordine.
Un test di passaggio verifica che un calibro specificato possa passare attraverso il tubo. Non stabilisce l'integrità della parete. Allo stesso modo, il test con liquidi penetranti affronta le indicazioni che rompono la superficie e non sostituisce un esame volumetrico richiesto.
Dove è richiesto un test di pressione o di tenuta post-curvatura, identificare esplicitamente la procedura, i criteri di accettazione e i requisiti di rendicontazione.
Una RDO tecnicamente completa dovrebbe consentire ai fornitori di prezzare lo stesso componente finito.
| Elemento RDO | Informazioni da fornire |
|---|---|
| Ambito di fornitura | Tubi dritti, tubi a U finiti, tubi di ricambio o un fascio tubiero assemblato |
| Materiale | Grado, specifica del prodotto, edizione e condizione richiesta |
| Dimensioni del tubo | Diametro esterno, spessore della parete, base dello spessore e tolleranze |
| Lunghezza del tubo dritto | Lunghezza finita e qualsiasi tolleranza di fabbricazione concordata |
| Geometria della curva a U | Disegno approvato, raggio della linea centrale, lunghezze delle gambe, spaziatura e tolleranze |
| Quantità | Quantità di pezzi finiti e ripartizione per fila di curve |
| Accettazione della formatura | Spessore minimo della curva finita, limiti di ovalità o appiattimento, requisiti superficiali |
| Trattamento termico | Procedura richiesta, regione trattata e registrazioni |
| Estremità del tubo | Preparazione dell'estremità, sbavatura, pulizia e requisiti relativi al giunto |
| Ispezione | Metodi, copertura, campionamento, criteri di accettazione e punti di testimonianza |
| Documentazione | Certificati, tracciabilità, rapporti dimensionali e registrazioni dei test |
| Imballaggio | Disposizione di supporto, identificazione, protezione delle estremità e requisiti di scarico |
Un tubo a U finito ha due gambe e due estremità aperte.
Ad esempio, un ordine di 200 tubi a U finiti rappresenta 400 estremità di tubo. L'ordine di acquisto, il programma di curve e la lista di imballaggio dovrebbero distinguere in modo coerente i pezzi finiti dalle gambe, dalle estremità e dai metri sviluppati totali.
L'imballaggio dei tubi a U dovrebbe supportare le gambe dritte e proteggere le curve da distorsioni e danni da contatto.
Ordinare i tubi per raggio o per fila aiuta l'ispezione in ricezione e l'assemblaggio. TPS descrive l'imballaggio basato sul raggio con supporti che fissano i tubi e consentono la rimozione in ordine di assemblaggio.
Concordare un'identificazione che rimanga leggibile dopo il disimballaggio. Proteggere le estremità dei tubi e mantenere la pulizia interna specificata durante il trasporto e lo stoccaggio.
Un preventivo per tubi a U finiti può includere formatura, ispezione aggiuntiva, trattamento termico, smistamento e imballaggio speciale.
A livello di scambiatore, un design convenzionale a U può semplificare la costruzione dell'estremità posteriore, mentre una disposizione a tubi dritti può offrire vantaggi di manutenzione.
Confrontare fabbricazione, installazione, accesso all'ispezione, pulizia, opzioni di riparazione e tempi di fermo previsti accanto al prezzo di acquisto iniziale.
La selezione dipende dall'espansione termica differenziale, dalla capacità del materiale, dalla pressione, dai cicli e dai requisiti di manutenzione. L'alta temperatura da sola non determina la disposizione preferita dei tubi.
Alcuni possono essere puliti utilizzando attrezzature flessibili adeguate o strumenti specializzati a getto d'acqua. Confermare il passaggio attraverso il foro effettivo e il raggio minimo di curvatura, insieme alla capacità di rimuovere i depositi previsti.
Nessun raggio minimo singolo si applica a ogni materiale, diametro, spessore della parete e processo di formatura. Il raggio specificato deve soddisfare i requisiti di progettazione e la capacità dimostrata del produttore, rispettando i limiti di spessore finito e di forma.
Sì, se i tubi di partenza sono specificati per l'operazione di formatura pianificata. Confermare lunghezza di partenza sufficiente, tolleranza di spessore, condizione del materiale, tracciabilità e responsabilità per il trattamento post-curvatura e l'ispezione prima dell'acquisto.
La sostituzione dipende dalla sua posizione, dai tubi vicini, dai supporti e dalla costruzione del giunto. I tubi delle file interne possono essere particolarmente difficili da rimuovere, quindi la strategia di manutenzione dovrebbe essere stabilita durante la selezione dello scambiatore.
Scegli la disposizione dello scambiatore in base al movimento termico, al fouling, all'accesso all'ispezione e ai requisiti di riparazione. Quindi specifica la geometria del tubo, la condizione del materiale e i criteri di accettazione necessari per supportare tale scelta.
Per l'approvvigionamento di tubi a U, un disegno approvato e un programma di curve riga per riga sono particolarmente preziosi. Insieme all'ispezione post-formatura definita e all'imballaggio protettivo, rendono i tubi finiti più facili da verificare e installare.
