Jak mechanické rázy a vibrace omezují použití grafitových výměníků tepla?

Grafit je keramická-látka, která je při stlačení pevná, ale křehká. Jediný otřes, tlakový ráz nebo pokračující vibrace mohou zlomit grafitový výměník a způsobit jeho katastrofální selhání způsobem, který by ohebné PTFE trubice nikdy neudělaly. 9. Grafit má vynikající odolnost proti korozi a tepelnou vodivost, ale je mechanicky křehký, a proto je značně omezený, pokud jde o místo, kde jej lze bezpečně nainstalovat. Pochopení omezení mechanického rázu grafitového výměníku tepla je důležité při výběru zařízení, které bude spolehlivé po dobu své stanovené životnosti.

Grafit je křehký, žádná tažnost, žádná varování
Grafit nemá v podstatě žádnou tažnost nebo chování před lomem. Zatímco kovy jsou plasticky deformovatelné a pod napětím se roztahují a PTFE se před prasknutím značně prodlužuje, grafit je křehká pevná látka. Není ani pružný, ani elastický. Rozbije se to. Pevnost v tahu nepropustného grafitu je obvykle 10–20 MPa, podobně jako u PTFE. Schopnost PTFE plasticky deformovat a absorbovat energii však znamená, že je mnohem odolnější proti nárazu. Grafit na druhé straně akumuluje elastickou energii, dokud není dosaženo kritické úrovně napětí, a pak se náhle zlomí bez jakékoli předchozí deformace.

Tato křehkost způsobuje, že grafitové výměníky tepla nejsou schopné odolat rychlému mechanickému zatížení, prudkým nárazům nebo opakovanému cyklování namáhání. Přetlak nebo mírné vibrace v průběhu času mohou způsobit praskliny, které se šíří skrz bloky, trubky nebo trubkovnice.

Zvláštní mechanická nebezpečí pro grafitové výměníky tepla
Vodní kladivo Tajná tlaková vlna
Náhlé zastavení průtoku, spuštění čerpadla nebo uzavření ventilu vytvoří tlakovou vlnu, která se šíří potrubím rychlostí zvuku. Tento impuls vodního rázu může vytvořit tlaky několikanásobně vyšší než návrhový tlak systému. Takový silný impuls může okamžitě rozbít bloky nebo trubky pro grafitový výměník. Grafit je keramický-jako v přírodě a neabsorbuje energii tlakového rázu prostřednictvím elastické deformace. Tlaková vlna najde slabé místo, obvykle kolem spojů trysek nebo rohů bloků, a začne se lámat.

Grafit je vysoce rizikovou volbou v jakémkoli systému, kde je možný vodní ráz. Typickými příčinami vodního rázu jsou potrubí kondenzující páry, dlouhá potrubí s rychle{1}}uzavíracími ventily a neadekvátně dimenzovaná výtlačná potrubí čerpadla. Grafitový výměník tepla může být vnitřně poškozen jedinou závažnou událostí, i když není patrné žádné vnější poškození.

Vibrační únava rotujícího zařízení
Čerpadla, kompresory, míchadla a okolní spřádací stroje přenášejí kontinuální vibrace skrz trubku a plášť výměníku. Tyto mechanické vibrace mohou v průběhu času namáhat grafitové komponenty, zejména ve spojích, spojích trubek-k{2}}trubkovce nebo když je nepružné potrubí připojeno přímo k tryskám výměníku. Vibrace nemusí být prudké; oscilace střední amplitudy a vysoké frekvence mohou vytvářet mikrotrhliny, které se neustále šíří, dokud nedojde k úplnému zlomu.

Grafitové výměníky potřebují mechanicky "tiché" servisní prostředí. Montáž na stejnou lištu jako pístové čerpadlo nebo přímo vedle nevyváženého ventilátoru je receptem na předčasné selhání. V některých situacích mohou být vlastní frekvence grafitových trubic nebo bloků vybuzeny i prouděním vyvolaným vibracím turbulentní tekutiny proudící kanály výměníku.

Poškození při manipulaci a péči
Křehkost ovlivňuje také instalaci a servis. Upadlý nástroj, náraz do grafitové trysky, těžká trubková příruba vyražená z vyrovnání, dokonce i přílišné utažení upevňovacích prvků na krytu může způsobit prasklinu. Kovové výměníky mohou během montáže snášet těžké zacházení, zatímco s grafitovými jednotkami je třeba zacházet opatrně. Dalším velkým problémem je poškození při přepravě: paleta upuštěná při vykládce může zlomit grafitový blok ještě předtím, než se vůbec dostane do provozu.

Zmírňující akce grafitového výměníku
Pokud mají být grafitové výměníky tepla použity v místech, kde může docházet k mechanickým rázům nebo vibracím, existuje řada konstrukčních a instalačních postupů, které mohou zmírnit riziko:

Opatření ke zmírnění nebezpečí
Vodní ráz Používejte pomalu zavírací ventily, tlumiče přepětí nebo akumulátory. Nepoužívejte solenoidové ventily na proudění kapaliny do výměníku, které se rychle uzavírají. Navrhněte potrubí tak, abyste minimalizovali rychlé kolísání průtoku.
Vibrace potrubí Mezi tuhé potrubí a trysky výměníku umístěte pružné spojky (opletené kovové hadice nebo kompenzátory). Potrubí podepřete odděleně v blízkosti výměníku, aby se zabránilo přenosu zatížení.
Vibrace čerpadel nebo kompresorů Výměník izolujte na uložení tlumených vibrací. Výměník je od vibračního zařízení oddělen 2 až 3 metry pružného potrubí.
Ochrana proti nárazu Nainstalujte chrániče nebo klece kolem citlivých trysek. Označte zvedací oka přímo na plášti výměníku. Vyškolte odborníky na údržbu o správné technice manipulace.
Tepelný šok Řízení rychlosti ohřevu a chlazení (obvykle<5–10°C/min). Never infuse cold fluid into a hot exchanger abruptly.
Ani pomocí těchto kroků nemůže žádné zmírnění zcela snížit riziko, které představuje mechanické namáhání. Pro aplikace, kde se nelze bezpečně vyhnout vodním rázům nebo extrémním vibracím, je třeba prozkoumat jiné materiály, jako jsou svazky trubek z PTFE nebo výměníky z karbidu křemíku.

Kdy grafit funguje-a kdy ne
Grafitové výměníky tepla jsou vhodné pro mechanicky stabilní nízko{0}}vibrační instalace se stálým průtokem kapaliny, bez tlakových rázů a pečlivou obsluhou. Typické přijatelné aplikace jsou:

Ohřívací nebo chladicí kapalina v ustáleném-stavu v chemických reaktorech

Kondenzace čistých par gravitačním odtokem

Servis vařáku s řízeným tepelným příkonem

Nepoužitelné aplikace:

Kondenzační systémy citlivé na parní rázy

Instalace za pístovými čerpadly

Mobilní nebo námořní zařízení citlivé na pohyb a otřesy

Jakákoli služba, která nemá flexibilní konektory nebo vhodné podpěry pro potrubní systém.

Srovnání s PTFE: Chemická odolnost vs. mechanická houževnatost
Výmluvné je srovnání s ptfe. Svazky PTFE trubek se při vzniku tlakových rázů ohýbají a absorbují mechanické rázy bez poškození. PTFE snese časté vibrace a středně hrubé zacházení. Ale PTFE nemůže pracovat při stejně vysokých teplotách jako grafit a nemá stejně vysokou tepelnou vodivost. Rozhodnutí mezi grafitem a PTFE je obvykle kompromisem- mezi chemickým/tepelným výkonem (grafit) a mechanickou odolností (PTFE).

Shrnutí
Křehkost grafitu omezuje jeho použití na pevné instalace s nízkými -vibracemi, zatímco PTFE je mnohem shovívavější. Vodní rázy, vibrace a poškození nárazem jsou skutečnou výzvou pro integritu grafitových výměníků tepla. Zlomený blok nebo trubku nelze opravit a jednotku je obvykle nutné vyměnit. Mechanické prostředí je tedy při výběru materiálu stejně zásadní jako chemické prostředí. Před specifikací grafitového výměníku tepla musí být adekvátně vyhodnocena dynamika potrubí, doby ovládání ventilů, okolní rotační stroje a manipulační postupy. Pokud nelze zabránit mechanickému nárazu, jinému než katastrofickému selhání a neočekávanému odstavení, je třeba zvážit materiály odolné proti korozi nebo jinou konstrukci výměníku.