Ako mechanické otrasy a vibrácie obmedzujú použitie grafitových výmenníkov tepla?

Grafit je keramická-látka, ktorá je pri stlačení pevná, ale krehká. Jediný náraz, tlakový ráz alebo pokračujúce vibrácie môžu zlomiť grafitový výmenník a spôsobiť jeho katastrofálne zlyhanie takým spôsobom, akým by flexibilné PTFE rúrky nikdy nedosiahli. 9. Grafit má vynikajúcu odolnosť proti korózii a tepelnú vodivosť, je však mechanicky krehký, a preto je dosť obmedzený z hľadiska miesta, kde ho možno bezpečne nainštalovať. Pochopenie obmedzení grafitového výmenníka tepla s mechanickými nárazmi je dôležité pri výbere zariadenia, ktoré bude spoľahlivé počas svojej špecifikovanej životnosti.

Grafit je krehký, žiadna ťažnosť, žiadne varovania
Grafit nemá v podstate žiadnu ťažnosť alebo ťažnosť pred zlomom. Zatiaľ čo kovy sú plasticky deformovateľné a naťahujú sa pri namáhaní a PTFE sa pred prasknutím značne predĺži, grafit je krehká pevná látka. Nie je ani pružný, ani elastický. Rozbije sa to. Pevnosť v ťahu nepriepustného grafitu je zvyčajne 10–20 MPa, podobne ako PTFE. Avšak schopnosť PTFE plasticky sa deformovať a absorbovať energiu znamená, že je oveľa odolnejší voči nárazom. Grafit na druhej strane akumuluje elastickú energiu, kým sa nedosiahne kritická úroveň napätia, a potom sa náhle zlomí bez akejkoľvek predchádzajúcej deformácie.

Takáto krehkosť spôsobuje, že grafitové výmenníky tepla nie sú schopné odolávať rýchlemu mechanickému zaťaženiu, prudkým nárazom alebo opakovanému cyklovaniu napätia. Pretlak alebo mierne vibrácie môžu v priebehu času spôsobiť trhliny, ktoré sa šíria cez bloky, rúrky alebo rúrkové plechy.

Osobitné mechanické riziká pre grafitové výmenníky tepla
Vodné kladivo Tajná tlaková vlna
Náhle zastavenie prietoku, spustenie čerpadla alebo uzavretie ventilu vytvorí tlakovú vlnu, ktorá sa šíri potrubím rýchlosťou zvuku. Tento impulz vodného rázu môže vytvárať tlaky niekoľkonásobne vyššie ako projektovaný tlak systému. Takýto silný impulz môže okamžite rozbiť bloky alebo rúrky pre grafitový výmenník. Grafit je keramický-ako v prírode a neabsorbuje energiu tlakového rázu prostredníctvom elastickej deformácie. Tlaková vlna nájde slabé miesto, zvyčajne okolo spojov trysiek alebo rohov blokov, a začne sa lámať.

Grafit je vysoko rizikovou voľbou v akomkoľvek systéme, kde je možné vodné rázy. Typickými príčinami vodného rázu sú potrubia kondenzujúcej pary, dlhé potrubia s rýchlo{1}}zatváracími ventilmi a neadekvátne dimenzované výtlačné potrubia čerpadla. Grafitový výmenník tepla môže byť vnútorne poškodený jedinou závažnou udalosťou, aj keď nie je zjavné vonkajšie poškodenie.

Vibračná únava rotujúceho zariadenia
Čerpadlá, kompresory, miešadlá a okolité spriadacie stroje prenášajú nepretržité vibrácie cez rúrku a plášť výmenníka. Tieto mechanické vibrácie môžu časom namáhať grafitové komponenty, najmä v spojoch, spojoch rúr-k-rúrkovým plechom, alebo keď je nepružné potrubie pripojené priamo k dýzam výmenníka. Vibrácie nemusia byť prudké; oscilácie so strednou amplitúdou a vysokou frekvenciou môžu produkovať mikrotrhliny, ktoré sa plynule šíria až do úplného zlomu.

Grafitové výmenníky potrebujú mechanicky "tiché" servisné prostredie. Namontovať ho na rovnakú lyžinu ako piestové čerpadlo alebo hneď vedľa nevyváženého ventilátora je receptom na predčasné zlyhanie. V niektorých situáciách môžu byť vlastné frekvencie grafitových rúrok alebo blokov vybudené aj vibráciami turbulentnej tekutiny prúdiacej cez kanály výmenníka vyvolané prúdením.

Poškodenie pri manipulácii a starostlivosti
Krehkosť ovplyvňuje aj inštaláciu a servis. Spadnutý nástroj, náraz do grafitovej dýzy, ťažká príruba potrubia vyrazená zo súososti, dokonca aj nadmerné utiahnutie upevňovacích prvkov na kryte môže spôsobiť prasknutie. Kovové výmenníky môžu znášať ťažkú ​​manipuláciu počas montáže, zatiaľ čo s grafitovými jednotkami sa musí zaobchádzať opatrne. Ďalším veľkým problémom je poškodenie pri preprave: paleta spadnutá pri vykladaní môže zlomiť grafitový blok ešte predtým, než sa dostane do servisu.

Opatrenia na zmiernenie rizika grafitového výmenníka
Ak sa majú grafitové výmenníky tepla používať na miestach, kde môže dochádzať k mechanickým otrasom alebo vibráciám, existuje niekoľko postupov navrhovania a inštalácie, ktoré môžu znížiť riziko:

Opatrenie na zmiernenie nebezpečenstva
Vodné kladivo Používajte pomaly zatváracie ventily, tlmiče prepätia alebo akumulátory. Na prúd tekutiny do výmenníka nepoužívajte solenoidové ventily, ktoré sa rýchlo zatvárajú. Navrhnite potrubie tak, aby minimalizovalo rýchle kolísanie prietoku.
Vibrácie potrubia Medzi tuhé potrubie a dýzy výmenníka umiestnite pružné spojky (opletené kovové hadice alebo kompenzátory). Potrubie podoprite oddelene v blízkosti výmenníka, aby sa zabránilo prenosu zaťaženia.
Vibrácie čerpadiel, prípadne kompresorovVýmenník izolujte na podložkách tlmiacich vibrácie. Výmenník je oddelený od vibračnej techniky 2 až 3 metrami flexibilného potrubia.
Ochrana proti nárazu Nainštalujte chrániče alebo klietky okolo citlivých trysiek. Označte zdvíhacie oká priamo na plášti výmenníka. Vyškolte odborníkov na údržbu o správnej technike manipulácie.
Tepelný šok Ovládanie rýchlosti ohrevu a chladenia (zvyčajne<5–10°C/min). Never infuse cold fluid into a hot exchanger abruptly.
Ani pri týchto krokoch žiadne zmiernenie nemôže úplne znížiť riziko, ktoré predstavuje mechanické namáhanie. Pre aplikácie, kde sa nedá bezpečne vyhnúť vodnému rázu alebo extrémnym vibráciám, by sa mali preskúmať iné materiály, ako sú zväzky rúrok z PTFE alebo výmenníky z karbidu kremíka.

Kedy grafit funguje{0}}a kedy nefunguje
Grafitové výmenníky tepla sú vhodné pre mechanicky stabilné nízko{0}}vibračné inštalácie so stabilným prietokom tekutiny, bez tlakových rázov a so starostlivou obsluhou. Typické prijateľné aplikácie sú:

Ohrievacia alebo chladiaca kvapalina v ustálenom-stave v chemických reaktoroch

Kondenzácia čistých pár prostredníctvom gravitačného odtoku

Servis kotla s riadeným tepelným príkonom

Neaplikovateľné aplikácie:

Kondenzátové systémy citlivé na parné kladivo

Inštalácie za piestovými čerpadlami

Mobilné alebo námorné vybavenie citlivé na pohyb a otrasy

Každá služba, ktorá nemá flexibilné konektory alebo vhodné podpery pre potrubný systém.

Porovnanie s PTFE: Chemická odolnosť vs. mechanická húževnatosť
Porovnanie s ptfe je výrečné. Zväzky PTFE rúrok sa pri vzniku tlakových rázov ohýbajú a absorbujú mechanické nárazy bez poškodenia. PTFE znesie časté vibrácie a mierne nesprávne zaobchádzanie. Ale PTFE nemôže pracovať pri rovnako vysokých teplotách ako grafit a nemá rovnako vysokú tepelnú vodivosť. Rozhodnutie medzi grafitom a PTFE je zvyčajne kompromisom- medzi chemickým/tepelným výkonom (grafit) a mechanickou odolnosťou (PTFE).

Zhrnutie
Krehkosť grafitu obmedzuje jeho použitie na pevné inštalácie s nízkymi{0}}vibráciami, zatiaľ čo PTFE je oveľa zhovievavejší. Vodné rázy, vibrácie a poškodenie nárazom sú skutočnými výzvami pre integritu grafitových výmenníkov tepla. Zlomený blok alebo rúrka sa nedá opraviť a jednotka sa zvyčajne musí vymeniť. Mechanické prostredie je teda pri výbere materiálu rovnako dôležité ako chemické prostredie. Pred špecifikovaním grafitového výmenníka tepla sa musí primerane vyhodnotiť dynamika potrubia, časy ovládania ventilov, okolité rotačné stroje a manipulačné postupy. Ak nie je možné vyhnúť sa mechanickému nárazu, okrem katastrofického zlyhania a neočakávaného prestoja, mali by sa zvážiť materiály odolné voči korózii- alebo iná konštrukcia výmenníka.