Trocador de calor eletrolítico de cobre: ​​funções essenciais e design industrial

Cobre Eletrolítico: Pureza, Estrutura e Comportamento Térmico

O cobre eletrolítico começa como cobre catódico produzido por refino eletrolítico, no qual ânodos de cobre em blister são dissolvidos em um eletrólito e o cobre puro é redepositado em placas catódicas. A maioria das impurezas metálicas fica no eletrólito, de modo que o cátodo normalmente contém mais de 99,99% de cobre. O cátodo é então derretido, moldado em tarugos e formado em tubo sem costura por extrusão, trefilação flutuante ou laminação a frio.

O grau mais amplamente utilizado para equipamentos de troca de calor é o cobre eletrolítico de passo resistente C11000, especificado com um teor mínimo de cobre de 99,90% e oxigênio mantido na faixa de cerca de 0,02% a 0,04%. O oxigênio está presente como finas partículas de óxido cuproso que aumentam a resistência e a usinabilidade, mas restringem o serviço em atmosferas redutoras. Quando o tubo tiver que ser soldado, brasado em um forno contendo hidrogênio ou operado em contato com hidrogênio ou monóxido de carbono em alta temperatura, são selecionados graus livres de oxigênio, como C10200 com 99,95% de cobre mínimo.

A pureza impulsiona o desempenho. O cobre eletrolítico atinge uma condutividade térmica de aproximadamente 390 W/(m·K) a 20 graus e uma condutividade elétrica próxima de 100% IACS, de modo que o calor atravessa a parede do tubo com uma queda de temperatura muito pequena. A densidade é de cerca de 8,94 g/cm³ e o módulo de elasticidade é de aproximadamente 117 GPa, o que permite paredes finas e dúcteis que mantêm a resistência térmica da parede baixa enquanto ainda contêm a pressão de projeto.

Funções principais de um trocador de calor eletrolítico de cobre

Nos serviços químicos, metalúrgicos e de geração de energia o equipamento desempenha diversas funções ao mesmo tempo, e o tubo de cobre é o que torna essas funções econômicas.

Aquecimento e resfriamento de processo:os fluxos de processo são levados ou mantidos na temperatura que fornece a taxa de reação necessária e a qualidade do produto usando uma superfície de transferência compacta.

Controle de reação:A remoção rápida e uniforme do calor suprime pontos quentes locais e reações colaterais que reduzem o rendimento ou prejudicam as especificações do produto.

Proteção do equipamento:quando cargas de fornos de alta temperatura ou fluxos de gás quente são resfriados, o trocador absorve o calor antes que ele atinja ventiladores, filtros e dutos a jusante.

Condensação e evaporação:a alta condutividade térmica da parede suporta ebulição e condensação estáveis ​​em condensadores, refervedores e evaporadores.

Recuperação de calor:o calor residual dos gases de escape, águas residuais ou condensado de vapor é devolvido ao processo, reduzindo o consumo de combustível e a necessidade de água de resfriamento.

Geometria do tubo, acabamento superficial e base de especificações

O tubo do trocador de calor é definido pelo diâmetro externo, espessura da parede, têmpera e forma da superfície. Tubo simples é a escolha padrão; O tubo com aletas baixas e aprimorado internamente adiciona área de superfície por unidade de comprimento quando a resistência de controle fica no lado do tubo ou no lado do casco. A espessura da parede depende de uma tolerância à corrosão mais um cálculo de pressão, e não apenas da pressão, e é por isso que tubos leves de aproximadamente 0,7 mm a 1,5 mm cobrem muitas tarefas, enquanto paredes mais pesadas são reservadas para meios erosivos.

Os tamanhos típicos entregues para o tubo C11000 cobrem aproximadamente 6 mm a 76 mm de diâmetro externo com espessura de parede de cerca de 0,5 mm a 3 mm, em têmpera recozida, meio dura ou dura, com extremidades lisas ou expandidas prontas para expansão do rolo na folha do tubo.

Resistência à corrosão e ambiente de serviço

O cobre deve sua durabilidade a um filme fino e tenaz de óxido e carbonato básico que se forma no ar e em água neutra e então retarda novos ataques. Em água doce e na maioria das águas de resfriamento industrial tratadas, a taxa de corrosão permanece muito baixa e o metal não está sujeito ao mecanismo de dezincificação que afeta os latões com zinco superior.

O serviço de água do mar exige mais cuidados. Os graus de cobre-níquel, como C70600 e C71500, são frequentemente preferidos onde os níveis de cloreto e a velocidade do fluxo são altos, mas o tubo C11000 funciona de forma confiável quando três condições são respeitadas:

Controle de velocidade:a velocidade lateral do tubo na água do mar é normalmente mantida entre cerca de 1,0 m/s e 2,0 m/s, alta o suficiente para limitar os depósitos e baixa o suficiente para evitar a corrosão por erosão.

Limpeza:as películas de sulfureto e as incrustações biológicas destroem a camada protetora, pelo que os programas de tratamento e limpeza da água são essenciais.

Disciplina de acoplamento:o cobre unido ao aço ou ao alumínio forma uma célula galvânica, portanto, flanges isolados, suportes isolados ou ânodos de sacrifício são usados ​​nas transições.

Dois modos de falha merecem atenção específica. Amônia e compostos de amônio atacam o cobre e podem causar rachaduras por corrosão sob tensão em tubos trabalhados a frio, portanto, fluxos de processo contendo amônia e agentes de limpeza amoniacal são excluídos. A fragilização a vapor ocorre quando o óxido cuproso no cobre resistente reage com o hidrogênio em temperatura elevada; graus livres de oxigênio ou um limite de atmosfera redutora controlada são as respostas padrão.

Prática de seleção, instalação e manutenção

A seleção começa com o serviço: química do fluido, pressão e temperatura de projeto, queda de pressão permitida e tendência de incrustação de ambos os fluxos. Um cálculo do coeficiente global de transferência de calor combinado com a tolerância à corrosão fixa então o material do tubo, o diâmetro externo e a espessura da parede.

Montagem do pacote:as extremidades dos tubos são expandidas por rolo na folha do tubo; sob serviço cíclico ou alta pressão, a expansão é seguida por soldagem de vedação com grau livre de oxigênio.

Controle de vibração:o espaçamento do defletor e as placas de suporte são ajustados de modo que a frequência natural do vão do tubo permaneça livre da excitação induzida pelo fluxo.

Ciclagem térmica:suportes deslizantes e juntas de expansão absorvem o movimento diferencial entre o casco e o tubo, e a ductilidade do cobre acomoda parte da deformação.

Limpeza:escovação mecânica, lanças de náilon ou aço inoxidável e desincrustação com ácido inibido removem incrustações sem agredir o metal são; produtos de limpeza amoniacal são evitados.

Inspeção:o teste de correntes parasitas detecta perda de parede e corrosão no lado do tubo, e o teste hidráulico confirma a estanqueidade após a nova tubulação.

A disciplina operacional é tão importante quanto o hardware. Manter a química da água de resfriamento dentro do programa de tratamento, observar a temperatura de aproximação como um aviso antecipado de incrustações e registrar os intervalos de limpeza cria os dados necessários para programar a nova tubulação antes que um vazamento contamine o fluxo do produto.

Perguntas frequentes

P: Por que o cobre eletrolítico é preferido ao aço para tubos de trocadores de calor?
O cobre eletrolítico conduz o calor várias vezes mais rápido que o aço carbono ou o aço inoxidável, portanto, uma área de superfície menor e um trocador mais compacto alcançam a mesma função e resiste à água doce e à água de resfriamento tratada sem revestimentos.

P: Qual é a diferença entre o tubo de cobre C11000 e C10200?
C11000 é cobre eletrolítico de passo tenaz com 99,90% de cobre mínimo e oxigênio controlado, enquanto C10200 é cobre livre de oxigênio com 99,95% de cobre mínimo e oxigênio insignificante, adequado para soldagem, brasagem e atmosferas redutoras.

P: Qual velocidade de fluxo é segura em um condensador de tubo de cobre?
No serviço de água do mar, a janela de projeto usual é de cerca de 1,0 m/s a 2,0 m/s. Abaixo dessa faixa os depósitos assentam e acima dela a corrosão por erosão acelera, especialmente nas entradas dos tubos e nos primeiros espaços dos defletores.

P: O tubo de cobre eletrolítico pode ser usado com amônia ou soluções amoniacais?
Não. Amônia e compostos de amônio atacam o cobre e podem desencadear rachaduras por corrosão sob tensão em materiais trabalhados a frio, portanto, esses meios exigem uma liga diferente ou exclusão completa do circuito.

P: Com que frequência um trocador de calor de cobre deve ser limpo?
O intervalo é definido pela taxa de incrustação e não pelo calendário. Os resultados de temperatura de aproximação, queda de pressão e correntes parasitas são usados ​​para programar a limpeza e, quando a perda de parede se aproxima da tolerância à corrosão, para planejar a nova tubulação.

P: Por que a designação da classe é importante ao solicitar tubos?
Especificar ASTM B111 com grau C11000, têmpera, diâmetro externo, espessura de parede e comprimento elimina a ambigüidade e permite que o moinho certifique química, dimensões e propriedades mecânicas na mesma base.