Por que os trocadores de calor com tubos de cobre são amplamente utilizados
Os trocadores de calor com tubo de cobre dominam a refrigeração, o ar condicionado, o aquecimento de água e a recuperação de calor industrial leve porque o tubo de cobre oferece quatro coisas ao mesmo tempo: condutividade térmica muito alta, excelente resistência à corrosão em água e refrigerantes, alta ductilidade para flexão e expansão e uma superfície lisa e não{0}}porosa que resiste a incrustações e é fácil de limpar.
Os trocadores de tubo de cobre incluem unidades de casco-e-de tubo com tubos de cobre ou liga de cobre, bobinas de tubo-e-de aletas para condensadores e evaporadores resfriados-a ar, trocadores de tubo-com ventilação de parede dupla para água potável e pequenas unidades soldadas ou montadas mecanicamente usadas em equipamentos empacotados. A mesma família de materiais é usada em todos esses projetos, o que simplifica o estoque de peças sobressalentes e os procedimentos de reparo.
Padrões de tubos e classes típicas
| Nota | ONU | Uso típico em trocadores | Padrões principais |
|---|---|---|---|
| Cobre desoxidado com alto teor de fósforo | C12200 | Tubo lateral-de água, água potável, tubulação de refrigerante geral | ASTM B111/B111M, ASTM B88, GB/T 1527, EN 1057 |
| Cobre eletrolítico de passo resistente | C11000 | Tubo geral, barramento e placa; refrigeração onde alta condutividade é desejada | ASTM B111/B111M, ASTM B152/B152M |
| Cobre-sem oxigênio | C10200 | Tubulação de ar condicionado e refrigeração, vácuo e serviço eletrônico | ASTM B280, EN 12735-1 |
| Bronze do Almirantado | C44300 | Tubo condensador para água doce e salobra com boa resistência ao impacto | ASTM B111/B111M |
| Latão de alumínio | C68700 | Condensador e tubo trocador para água do mar mais limpa em velocidade moderada | ASTM B111/B111M |
| Cobre-níquel 90/10 | C70600 | Tubo trocador de água do mar, salmoura e navio | ASTM B111/B111M, ASME SB111 |
| Cobre-níquel 70/30 | C71500 | Tubo trocador-de água do mar, offshore e dessalinização de alta velocidade | ASTM B111/B111M, ASME SB111 |
O tubo é fornecido em uma variedade de têmperas: tubo recozido para expansão de rolos em placas de tubos e para dobra, e tubo trefilado ou semi-duro, onde o tubo deve ser auto-suportado em longos vãos. O tubo de ar condicionado e refrigeração é geralmente fornecido em bobinas macias conforme ASTM B280 ou EN 12735-1 com extremidades tampadas para que o furo permaneça limpo e seco durante o transporte.
Desempenho Térmico e Hidráulico
Como o cobre conduz calor muito mais rápido que o aço ou o aço inoxidável, um trocador de tubo de cobre precisa de menos área superficial para uma determinada operação e atinge a mesma transferência de calor com uma diferença média de temperatura menor entre os fluxos. É por isso que o cobre é usado onde a diferença de temperatura é pequena, como água gelada e circuitos de refrigeração, e é por isso que as bobinas de cobre podem ser compactas o suficiente para unidades de telhado e embaladas.
O desempenho-do lado do tubo pode ser melhorado ainda mais com tubo aprimorado internamente. Superfícies internas estriadas e em espiral quebram a camada limite e aumentam o coeficiente lateral do tubo-, o que permite um feixe mais curto ou um diâmetro menor para a mesma função; o ganho exato depende da geometria interna, da vazão e das propriedades do fluido, e deve ser obtido dos dados de transferência de calor do fornecedor do tubo para o padrão específico, e não assumido. No lado do casco, o espaçamento e a folga dos defletores controlam o coeficiente lateral do casco e também o risco de vibração do tubo.
Limites de corrosão, incrustação e velocidade
O tubo de cobre mantém um desempenho estável em circuitos de água, vapor condensado e refrigerante, e a camada protetora de óxido que ele forma retarda ataques futuros, o que prolonga a vida útil. Os modos de falha contra os quais projetar são bem conhecidos. Amônia e compostos de amônio na água ou em agentes de limpeza causam rápida tensão-rachaduras por corrosão no tubo de cobre; areia suspensa e ar arrastado causam ataque de impacto, mais frequentemente na entrada do tubo e nas travessias dos defletores; e o fluxo de água acima da velocidade recomendada acelera o desperdício geral e localizado. O cobre também está sujeito à erosão-corrosão nas saídas de cotovelo e à corrosão formicária em circuitos de refrigeração onde certos ácidos orgânicos estão presentes com umidade.
As contramedidas práticas são manter a velocidade do fluxo dentro da faixa estabelecida para a liga do tubo e a química da água, evitar bolsas de ar e zonas estagnadas, instalar mangas protetoras de entrada ou ponteiras onde a água estiver suja, manter o tubo limpo para que a incrustação não aumente a velocidade local na área restante do fluxo e evitar produtos químicos de limpeza amoniacal. O tubo de cobre-níquel deve ser escolhido em vez de cobre puro quando houver água do mar, salmoura ou água poluída.
Fabricação: Expansão, Brasagem e Soldagem
O tubo de cobre é normalmente unido a um espelho por expansão de rolo, às vezes seguido por soldagem de vedação, onde a junta deve ser estanque durante o ciclo térmico. A expansão requer tubo recozido com dureza e espessura de parede consistentes, furos dimensionados corretamente com entradas chanfradas e torque de expansão controlado para que o tubo não seja-enrolado demais e afinado. A brasagem com enchimento de cobre-fósforo é o método padrão para juntas de refrigeração de cobre-a{5}}cobre porque não precisa de fluxo; juntas de cobre-com{7}}aço ou cobre-com{9}}latão exigem o preenchimento e fluxo apropriado-à base de prata. Toda brasagem por refrigeração deve ser feita com purga de nitrogênio para evitar incrustações de óxido dentro do tubo, e o tubo deve estar seco e livre de óleo antes do aquecimento.
Dobragem, estampagem e alargamento são realizados a frio em tubo recozido. Como o trabalho do cobre endurece, os raios de curvatura mínimos e os requisitos de recozimento devem ser obtidos dos dados do fornecedor do tubo, e as bobinas acabadas devem ser testadas sob pressão e limpas antes da instalação.
Aplicações
Refrigeração e ar condicionado: serpentinas de condensador e evaporador, barris de resfriamento, bombas de calor e unidades embaladas.
Potência e processo: condensadores, aquecedores de água de alimentação e resfriadores de óleo usando tubo de liga de cobre em água doce ou salobra.
Aquecimento de água e energia urbana: permutadores de água quente sanitária, colectores solares térmicos e unidades de interface térmica.
Marinha: trocadores-resfriados por água do mar e circuitos de resfriamento de bordo usando tubo de cobre-níquel.
Indústria leve: pós-resfriadores de ar comprimido, resfriadores de óleo hidráulico e equipamentos de transferência de calor para a indústria alimentícia.
Perguntas frequentes
P: Por que os trocadores de calor com tubo de cobre transferem melhor o calor?
O cobre tem uma condutividade térmica de aproximadamente 386 W/(m·K), muito acima do aço carbono em cerca de 50 W/(m·K) e do aço inoxidável em cerca de 16 W/(m·K). A parede do tubo, portanto, acrescenta muito pouca resistência térmica e o trocador necessita de menos área para a mesma tarefa.
P: Os trocadores de calor com tubos de cobre são resistentes à corrosão?
Em circuitos de água, vapor condensado e refrigerante, sim: o cobre forma uma película protetora de óxido que limita ataques futuros e proporciona longa vida útil. As exceções são ambientes amoniacal, ácidos fortemente oxidantes e água de alta{1}}velocidade com ar ou areia arrastados, onde o cobre pode falhar por corrosão sob tensão-ou ataque por impacto.
P: Por que o tubo de cobre resiste à incrustação?
O tubo de cobre tem uma superfície lisa, não{0}}porosa e com boa molhabilidade, de modo que a incrustação e o biofilme aderem menos facilmente do que em superfícies metálicas mais ásperas. Isso mantém o coeficiente de transferência de calor estável e facilita a limpeza, um dos motivos pelos quais as bobinas de cobre são comuns em serviços de resfriamento e refrigeração.
P: O que limita a velocidade da água em trocadores de tubos de cobre?
A velocidade é limitada pelo risco de impacto e erosão-corrosão, que depende da liga do tubo, da química da água, dos sólidos suspensos e da quantidade de ar arrastado. A faixa aceitável deve vir das orientações de projeto para a liga específica do tubo e confirmada com base nos dados do fornecedor do tubo.
P: Os trocadores de tubos de cobre podem ser reparados?
Sim. O tubo de cobre é facilmente re-expandido, re-soldado ou substituído, e tubos individuais podem ser tampados se a tarefa permitir. Os reparos devem usar a mesma liga e têmpera do original, e a junta deve ser testada novamente após o reparo.
P: Qual tubo de liga de cobre deve ser usado para água do mar?
Os graus de cobre-níquel são a escolha padrão: 90/10 (C70600) para água do mar limpa em velocidade moderada e 70/30 (C71500) para maior velocidade, maior pressão ou água contendo areia. O latão Admiralty C44300 é usado para tarefas salobras menos severas.
