Uma parada na refinaria deixa seis semanas de inatividade, uma abertura de duto de 2,4 m e um fluxo de gás de combustão que entra a 340°C e tem que sair a 155°C. Uma unidade de casco e tubo de catálogo construída em torno de diâmetros e comprimentos de tubo padrão irá superdimensionar o feixe ou empurrar a queda de pressão do lado do gás além do que o ventilador de tiragem induzida pode pagar. Essa lacuna entre uma folha de dados e um duto real é onde os trocadores de calor personalizados são especificados.
Este guia aborda o que realmente impulsiona um projeto de trocador de calor personalizado para recuperação de calor industrial: o envelope de serviço, a geometria do tubo e das aletas, as decisões de material e código e as verificações que um comprador deve realizar antes de liberar um pedido de compra.
O que torna um trocador de calor personalizado
Um trocador de calor personalizado é projetado em torno de um envelope de trabalho, em vez de ser selecionado a partir de uma faixa de tamanho fixo. O envelope fixa o fluxo de massa, as temperaturas de entrada e saída, a queda de pressão permitida, o comportamento de incrustação e o espaço no qual a unidade deve caber. O diâmetro do tubo, o tipo de aleta, o passo da aleta, o material e o layout do coletor seguem esses números.
Um trocador de calor personalizado é uma unidade térmica cuja área de superfície, geometria e materiais são calculados para um fluxo específico de gás ou líquido e um envelope de instalação específico, em vez de serem escolhidos em um catálogo de tamanhos padrão.
A diferença aparece em três lugares. A área de superfície é correspondente à tarefa em vez de arredondada para o próximo pacote padrão. A queda de pressão no lado do gás é tratada como uma restrição rígida e não como um subproduto da seleção. E o layout do tubo é construído em torno da abertura do duto que você realmente possui, incluindo a rota de elevação até a posição.
Unidade de catálogo
- Dimensionado para um diâmetro de casco e comprimento de tubo padrão
- A queda de pressão decorre da seleção
- Tolerância de incrustação fixada pelo projeto padrão
- Entregue a partir de uma gama fixa de produtos
Unidade personalizada
- Área de superfície calculada a partir do serviço térmico
- Queda de pressão mantida dentro da curva do ventilador
- A inclinação das aletas e o acesso para limpeza são definidos pela carga de pó
- Construído de acordo com os limites de envelope, peso e elevação
Seis entradas que impulsionam o design
Seis entradas decidem cerca de 80 por cento de um projeto de trocador de calor personalizado: fluxo de massa, temperatura de entrada, temperatura alvo de saída, queda de pressão permitida no lado do gás, carga de poeira ou incrustação e o envelope de instalação. Todo o resto da citação é consequência desses seis números.
| Entrada | Faixa típica | O que isso muda |
| Fluxo de massa de gás | 5 a 200 t/h | Contagem de tubos, área facial e velocidade do gás |
| Temperatura de entrada | 180 a 600ºC | Grau do material e permissão de expansão |
| Meta de temperatura de saída | 120 a 200ºC | Equilíbrio entre recuperação de calor e margem de ponto de orvalho |
| Queda de pressão no lado do gás | 200 a 1200Pa | Passo da aleta, número de linhas e velocidade frontal |
| Carga de poeira ou incrustação | baixo para 300 g/Nm3 | Tipo de aleta, inclinação da aleta e acesso para limpeza |
| Envelope de instalação | tamanho do duto ou abertura | Dimensões do módulo e rota de elevação |
Deixe um deles de fora e a cotação voltará superdimensionada ou otimista. A temperatura de saída é a armadilha usual. O resfriamento dos gases de combustão abaixo do ponto de orvalho ácido do combustível contendo enxofre transforma um projeto de recuperação de calor em um projeto de corrosão dentro de algumas temporadas.
Regra prática: cada redução de 20°C na temperatura da chaminé recupera cerca de 1% da entrada de combustível da caldeira, mas apenas até o ponto de orvalho ácido do combustível que você realmente queima.
Tubos com aletas definem o orçamento térmico
No lado do gás, o tubo aletado carrega o orçamento térmico. Um tubo com aletas bem escolhido multiplica a área da superfície externa por aproximadamente 3 a 6 vezes a de um tubo simples do mesmo diâmetro, o que torna prático a recuperação de calor de um grande fluxo de gás de combustão de baixa pressão.
- Tubo com aletas tipo H. Aletas retangulares são soldadas em pares ao longo do tubo, deixando amplas faixas de gás que resistem à formação de pontes de cinzas e são facilmente limpas com sopradores de fuligem. É a escolha usual em serviços empoeirados ou com combustíveis sólidos.
- Tubo com aletas em espiral. Uma tira contínua é enrolada e soldada ao redor do tubo, proporcionando a maior área de superfície por metro e o passo prático mais estreito. Ele tem melhor desempenho em gases mais limpos, onde a ponte não representa um risco.
- Tubo de calor. Um tubo selado e evacuado move o calor isotermicamente entre dois fluxos sem contaminação cruzada, o que é importante quando um vazamento entre o gás de combustão e o produto é inaceitável.
Tubo com aletas tipo H para aplicações em caldeiras e trocadores de calor Tubo aletado em forma de H com aletas soldadas de alta frequência, adequado para gases de combustão carregados de poeira e transferência de calor de baixa resistência em caldeiras e trocadores de calor industriais. Ver Produto → 3 a 6x área de superfície externa versus um tubo descoberto
2 a 6mm passo típico das aletas em serviço de caldeira
10 a 20 mm altura típica das aletas em tubos economizadores
Fin pitch é um compromisso. O passo mais apertado acumula mais superfície na mesma caixa, mas aumenta o risco de formação de pontes de cinzas e aumenta a frequência de limpeza, de modo que o serviço empoeirado geralmente recompensa um passo um pouco mais largo.
Economizadores recuperam calor na extremidade traseira
Um economizador de gases de combustão traseiro de caldeira é geralmente o local mais barato para adicionar recuperação de calor, porque o gás que sai da caldeira ainda retém calor útil a uma temperatura onde uma unidade compacta e de baixo custo pode fazer o trabalho.
A água de alimentação normalmente entra por volta de 105°C e sai entre 130 e 150°C, e esse calor sai do fluxo de gás em vez de sair do combustível extra. O mesmo princípio abrange três deveres comuns:
- Gás de combustão residual da caldeira, onde a exaustão é comparativamente limpa e a principal restrição é o ponto de orvalho ácido.
- Gás de combustão de fornos industriais, onde o conteúdo de poeira e álcalis determina o passo das aletas e, muitas vezes, o material do tubo.
- Gás de combustão do equipamento de processo, onde a composição muda com o lote e a unidade precisa permanecer estável durante as oscilações.
Economizador de gases de combustão traseiro da caldeira para aquecimento de água de alimentação Recupera o calor da exaustão da caldeira para aumentar a temperatura da água de alimentação e reduzir o uso de combustível, com construção em serpentina ou tubo com aletas em espiral. Ver Produto → Um economizador não precisa de materiais exóticos para ter retorno. Ele precisa do passo correto das aletas, de um tipo de tubo que sobreviva ao ponto de orvalho e de uma queda de pressão que o ventilador existente possa absorver sem a troca do motor.
Caldeiras de calor residual e sistemas HRSG
Quando o calor recuperado é necessário como vapor e não como calor sensível, a unidade personalizada torna-se uma caldeira de calor residual ou um gerador de vapor de recuperação de calor dimensionado para o fluxo de exaustão em vez de para uma entrada de combustível. O projeto começa no lado do gás: fluxo, temperatura e composição fixam a superfície do evaporador, a pressão do tambor e a saída de vapor.
Caldeiras de calor residual industrial recuperam vapor de fornos e linhas de processo. As unidades de usinas de energia ficam atrás de turbinas a gás em usinas de ciclo combinado. As caldeiras de tratamento de resíduos lidam com gases de combustão provenientes da incineração, onde a corrosão e a incrustação moldam o layout mais do que o serviço térmico.
Caldeira de calor residual industrial para recuperação de vapor Produz vapor a partir de gases de combustão em operações siderúrgicas, químicas, de cimento e de fundição, com projetos adaptados a poeira, gases corrosivos e temperaturas variadas. Ver Produto → Um número resolve a maioria dos argumentos de dimensionamento do HRSG: o ponto de aperto. Uma pressão mais apertada recupera mais calor, mas compra esse calor com mais área de superfície e uma maior queda de pressão no lado do gás.
Materiais, Códigos e Qualidade de Solda
A seleção do material segue a temperatura do metal e a química do gás, e não apenas a pressão do projeto. As faixas abaixo cobrem a maioria dos gases de combustão e gases de processo.
| Materiais | Temperatura prática do metal | Serviço típico |
| Aço carbono | até cerca de 425 C | Gás de combustão limpo e seco; opção de menor custo |
| 1,25Cr-0,5Mo | 425 a 540ºC | Caminhos de gás mais quentes com demanda moderada de fluência |
| 2,25Cr-1Mo | 540 a 580ºC | HRSG de alta temperatura e serviço de processo |
| Aço inoxidável austenítico | até 600 C e acima | Gás úmido ou levemente corrosivo, melhor resistência ao ponto de orvalho |
| Duplex e ligas superiores | dever específico | Condições contendo cloreto ou condensado ácido |
A fabricação é tão importante quanto a qualidade do tubo. As peças de pressão são construídas de acordo com códigos reconhecidos de caldeiras ou vasos de pressão, a soldagem é qualificada e documentada e a qualidade da solda é verificada por radiografia ou imagens em tempo real, em vez de apenas por inspeção visual. Os compradores que estão trabalhando nessa revisão podem usar isso Guia de conformidade de peças de pressão ASME para engenheiros como uma lista de verificação.
Solicite que o material do tubo, o material da aleta e o consumível de soldagem sejam listados separadamente no desenho. Freqüentemente, são de graus diferentes e tratá-los como um único item é uma das causas mais comuns de falha precoce de tubos no serviço de gases de combustão.
Como avaliar um fornecedor de trocador de calor personalizado
Solicite o cálculo térmico, a curva de queda de pressão e o procedimento de soldagem antes de perguntar o preço. Esses três documentos separam um fabricante que pode realizar um projeto daquele que só pode cotar um.
Leia a folha de dados de serviço
Fluxo, temperaturas, composição do gás, carga de poeira, pressão de projeto e condições do local devem caber em uma página. Caso o fornecedor não solicite todos, o projeto térmico é um palpite.
Verifique a saída térmica e hidráulica
Área de superfície, velocidade frontal, inclinação das aletas e queda de pressão prevista no lado do gás no projeto e com carga de 110%. Um projeto que funciona apenas no ponto de projeto não sobreviverá a uma partida a frio.
Confirme os materiais e o caso de corrosão
Temperatura mínima do metal em relação ao ponto de orvalho ácido, tolerância à corrosão e método de limpeza que o layout do tubo realmente permite.
Revise a fabricação e inspeção
Procedimento de soldagem, método END, pressão de teste hidráulico e pontos de liberação de inspeção. Verificado fabricação certificada de peças de pressão a capacidade e a inspeção radiográfica interna encurtam consideravelmente o caminho de aprovação.
Combine o cronograma com a planta
Dimensões do módulo, levantamento de peso, escopo de montagem do local e marcos de entrega em relação à janela de interrupção.
Um fornecedor que consegue apresentar um balanço térmico, uma curva de queda de pressão e um plano de inspeção de solda na primeira aprovação técnica carrega um perfil de risco muito diferente daquele que apenas envia um preço.
Perguntas frequentes
O que é um trocador de calor personalizado?
É uma unidade térmica cuja superfície, geometria e materiais são calculados para um fluxo específico e um envelope de instalação. Ele foi projetado para a tarefa, em vez de ser selecionado em uma faixa de tamanho padrão.
Quando uma unidade personalizada é mais barata que uma padrão?
Quando a queda de pressão, a carga de poeira, a química do gás ou o espaço disponível ficam fora da faixa padrão da unidade. O preço unitário é geralmente mais alto, mas a potência do ventilador, o tempo de inatividade para limpeza e a vida útil normalmente influenciam o custo total no sentido contrário.
O que pertence a um pedido de cotação?
Fluxo de massa, temperatura de entrada e saída, composição do gás incluindo enxofre e umidade, carga de poeira, queda de pressão permitida, pressão e temperatura de projeto, tolerância à corrosão e envelope de instalação com restrições de elevação.
Acerte o envelope de serviço e o restante de uma cotação de trocador de calor personalizado se tornará comparável entre fornecedores. Ignore-o e você estará comparando três suposições diferentes.
