Cos'è l'espansione del tubo in uno scambiatore di calore?

Che si tratti di costruire scambiatori di calore a fascio tubiero per processi petrolchimici, di effettuare la manutenzione di condensatori di vapore in una centrale elettrica o di produrre gruppi di batterie ad alette per sistemi HVAC, l'espansione dei tubi è il processo che unisce le pareti dei tubi alle piastre tubiere o ai collari delle alette con deformazione plastica controllata con precisione. Questa guida spiega come funzionano le macchine mandrinatrici per tubi, le principali categorie disponibili, come selezionare la giusta configurazione e le migliori pratiche che separano una tenuta meccanica affidabile da un costoso guasto.

Cos'è l'espansione del tubo in uno scambiatore di calore?

L'espansione del tubo è un processo di lavorazione a freddo che forza il diametro esterno di un tubo verso l'esterno contro la superficie interna del foro in una piastra tubiera, creando un giunto meccanico sicuro e privo di perdite senza saldature o adesivi. L'espansione dei tubi è definita come l'arte di lavorare a freddo le estremità dei tubi in intimo contatto con il metallo dei fori di contenimento dei tubi per formare una tenuta meccanica e/o un giunto a tenuta stagna: un metodo meccanico per stabilire una connessione tra un tubo e un foro del tubo.

La fisica del processo si basa sulla deformazione controllata del materiale. Durante l'espansione, il tubo e la piastra tubiera si espandono fino a quando il tubo raggiunge lo stato plastico e viene contenuto dalle proprietà elastiche della piastra tubiera. Il risultato è un giunto bloccato meccanicamente attraverso il ritorno elastico del materiale della piastra tubiera circostante, senza necessità di sigillante.

Per gli scambiatori di calore a batteria utilizzati nei sistemi HVAC e di refrigerazione, il meccanismo differisce leggermente. L'espansione della bobina utilizza un mandrino o un proiettile per espandere meccanicamente il diametro del tubo del 2–5%, forzandolo contro i collari delle alette. Ciò consente di ottenere un contatto termico superiore per un trasferimento di calore ottimale, integrità strutturale per resistere a pressione, vibrazioni e cicli termici e giunti senza perdite pronti per la brasatura o l'assemblaggio finale.

Come funziona una macchina allargatubi: passo dopo passo

Indipendentemente dal tipo di macchina, l'espansione del tubo segue una sequenza coerente di azioni meccaniche dall'inserimento alla formazione del giunto finale. Selezione e impostazione dell'utensile

Componentei chiave di un espansore meccanico per tubi

Comprendere l'anatomia di una macchina allargatubi è essenziale per la corretta selezione, manutenzione e risoluzione dei problemi. Sebbene esistano vari tipi di espansori per tubi, tutti condividono i componenti comuni di mandrini, rulli e gabbie. Ciascuna parte svolge un ruolo distinto nel controllo del processo di espansione.

Tipi di macchine allargatubi per scambiatori di calore

Il mercato offre un'ampia gamma di macchine mandrilatrici per tubi, dagli utensili manuali a rulli meccanici ai sistemi di produzione CNC completamente automatizzati. La scelta giusta dipende dal materiale del tubo, dallo spessore della piastra tubiera, dal volume di produzione e dalle condizioni del sito.

Espansione meccanica e idraulica: un confronto diretto

La scelta tra espansione meccanica dei rulli ed espansione idraulica è una delle decisioni più dibattute nella costruzione e manutenzione degli scambiatori di calore. Ciascun metodo offre vantaggi distinti a seconda del materiale del tubo, della geometria della piastra tubiera e dell'ambiente di produzione.

Il processo di espansione del tubo idraulico applica una pressione idraulica uniforme alla superficie interna del tubo per provocare la deformazione plastica, ottenendo il giunto tubo-piastra tubiera, un metodo chiamato anche giunto di dilatazione del tubo flessibile. Questa uniformità è particolarmente preziosa per leghe come il titanio, l'Inconel e l'acciaio inossidabile duplex che induriscono rapidamente durante la laminazione meccanica. Lo stress residuo dopo un giunto di dilatazione idraulico è basso ed è meno probabile che si verifichi la corrosione degli spazi; inoltre, il giunto di dilatazione non si allungherà assialmente ma si restringerà leggermente, il che aiuta a ridurre il rumore operativo.

Macchine per l'espansione dei tubi per applicazione del settore

Tipi di espansione: parallela, svasata e perlina

Al di là del tipo di macchina, la geometria del giunto di dilatazione stesso deve corrispondere alle specifiche tecniche dello scambiatore di calore. Diverse configurazioni di giunti soddisfano diversi requisiti strutturali e di pressione.

Espansione parallela (Straight Roll).

Il metodo più comune per gli scambiatori di calore a fascio tubiero. L'espansione parallela dei tubi viene utilizzata principalmente durante l'espansione dei tubi negli scambiatori di calore, condensatori di vapore, caldaie e altri dispositivi simili. La parete del tubo viene espansa in modo uniforme lungo lo spessore della piastra tubiera, creando un giunto a tenuta di pressione senza alterare la geometria dell'estremità del tubo. Gli espansori per tubi per questo tipo di lavoro includono le configurazioni di tipo MB, tipo CB e tipo HB.

Espansione del Flare Roll

La svasatura e la bordatura impediscono il surriscaldamento e la rottura delle estremità dei tubi. Le caldaie a tubi d'acqua richiedono che i tubi siano svasati e poi arrotolati diritti, mentre le caldaie a tubi di fumo svasano il lato di uscita e bordano il lato fuoco. Gli espansori per svasature arrotolano simultaneamente il tubo parallelamente e svasano l'estremità sporgente del tubo, in genere a 15° o 20° dalla linea centrale dell'utensile, in un'unica operazione, risparmiando tempo significativo nelle applicazioni di caldaie e condensatori.

Espansione della bordatura del rotolo

Utilizzati specificatamente nelle applicazioni per caldaie a tubi di fumo, gli espansori a rulli espandono il tubo nella piastra tubiera formando un cordone meccanico all'estremità del tubo. Questo cordone fornisce ulteriore resistenza allo sfilamento del tubo in condizioni di cicli ad alta temperatura ed è un requisito standard nei codici ASME per caldaie per determinate configurazioni di tubi.

Come selezionare l'espansore per tubi giusto

Espansori idraulici per tubi: pneumatici o elettrici

All'interno della categoria idraulica, la scelta tra sistemi ad aria ed elettrici dipende dalla scala dell'applicazione e dalle dimensioni del tubo.

Per gli scambiatori di calore del tipo a fascio tubiero come caldaie, condensatori di grandi dimensioni o riscaldatori ad alta pressione in cui i tubi sono spessi e le piastre tubiere sono grandi, le macchine espandetrici idrauliche per tubi alimentate elettricamente possono produrre una pressione fino a 500 MPa, rendendole la scelta appropriata per applicazioni impegnative. I sistemi elettrici offrono inoltre controllo della pressione tramite touchscreen, lettura digitale e scarico automatico della pressione quando viene raggiunto il valore di espansione target, il che contribuisce a risultati coerenti e ripetibili su grandi quantità di tubi.

Macchine CNC automatizzate per l'allargamento dei tubi per la produzione HVAC

La produzione di scambiatori di calore per il condizionamento dell’aria e la refrigerazione – dove migliaia di alette di alluminio devono essere collegate a gruppi di tubi di rame – richiede una classe di macchine di espansione fondamentalmente diversa. Le macchine allargatubi completamente automatiche sono ideali per la produzione in serie di scambiatori di calore utilizzati negli impianti di climatizzazione. Durante l'espansione, l'asta di espansione e il proiettile di espansione entrano nel tubo di rame per rendere il tubo sufficientemente largo da aderire alle alette, rifinire l'espansione del tubo, l'espansione dell'orifizio e la flangiatura, tutto in un ciclo di lavoro completo.

I moderni espansori CNC servoalimentati hanno ampiamente sostituito i tradizionali cavalli da lavoro idraulici in strutture ad alto volume. Il funzionamento delle macchine servoassistite è molto pulito ed eccezionalmente silenzioso rispetto agli espansori convenzionali ad azionamento idraulico. Anche il consumo di energia è ridotto poiché la macchina consuma elettricità solo quando funziona attivamente. I parametri possono essere memorizzati per diversi tipi di bobine e richiamati istantaneamente, riducendo drasticamente i tempi di cambio sulle linee di produzione.

Gli espansori verticali a ritiro zero risolvono una delle sfide persistenti nella produzione di batterie alettate: l'accorciamento del tubo durante l'espansione. Con il design a restringimento zero, due estremità del pezzo da lavorare vengono mantenute in una posizione fissa, quindi il tubo viene espanso. La lunghezza del pezzo non cambia, senza restringimento, riducendo lo spreco di materiale del 3–5%. Nel corso di migliaia di unità produttive, questo risparmio di materiale diventa economicamente significativo.

Migliori pratiche per l'espansione dei tubi negli scambiatori di calore

Problemi comuni e soluzioni di espansione dei tubi

Anche con la corretta selezione della macchina, si verificano errori di espansione. I problemi più frequenti – e le relative cause – sono ben documentati nella pratica del settore.

Espansione incompleta/Il tubo non raggiunge l'ID target

Le cause includono l'uso di un espansore sovradimensionato per tubi con pareti minime, un'impostazione della coppia insufficiente, rulli usurati o contaminati o una lubrificazione inadeguata. Soluzione: ridurre di una dimensione l'espansore BWG se è presente un tubo a parete minima, verificare la lubrificazione e aumentare in modo incrementale la coppia con la verifica del rullo di prova prima di procedere.

Tubo tirato nell'espansore (migrazione assiale)

Si verifica quando si espandono tubi con una sporgenza e senza collare incassato. La soluzione è utilizzare un espansore dotato di un collare da incavo adeguato alla lunghezza di proiezione specificata. Per i condensatori con proiezioni variabili, un collare telescopico o ad incasso completo consente la proiezione fino a un diametro completo del tubo.

Espansione irregolare sulla piastra tubiera

Comune nei conteggi di tubi di grandi dimensioni con arrotolamento manuale dove la fatica dell'operatore introduce variabilità. Il rimedio è passare a apparecchiature elettriche o idrauliche a coppia controllata, che mantengono una forza costante indipendentemente dalle condizioni dell'operatore. La sovraespansione indebolisce i tubi; la sottoespansione riduce il trasferimento di calore. Le moderne servomacchine con registrazione dei dati rendono semplice il monitoraggio della forza di espansione.

Limitazioni di accesso al tubo perimetrale

Gli scambiatori di calore con canaline o piastre di divisione in cui i tubi sono posizionati troppo vicino a una parete affinché il collare dell'espansore possa accedere ai tubi perimetrali richiedono un collare di attrito: un collare di diametro inferiore rispetto a un collare standard, che consente un maggiore accesso alle aree difficili. Un collare di attrito deve essere utilizzato solo se necessario, poiché non sostituisce un collare del cuscinetto.