W jaki sposób wstrząsy mechaniczne i wibracje ograniczają zastosowanie grafitowych wymienników ciepła?

Grafit to substancja-podobna do ceramiki, która jest wytrzymała pod wpływem ściskania, ale krucha. Pojedynczy wstrząs, gwałtowny wzrost ciśnienia lub ciągłe wibracje mogą spowodować pęknięcie wymiennika grafitowego i spowodować jego katastrofalną awarię w sposób, jakiego nigdy nie zrobiłyby elastyczne rurki PTFE.. 9. Grafit ma doskonałą odporność na korozję i przewodnictwo cieplne, ale jest delikatny mechanicznie, w związku z czym miejsca, w których można go bezpiecznie zainstalować, są dość ograniczone. Zrozumienie ograniczeń wstrząsów mechanicznych wymiennika ciepła grafitowego jest ważne przy wyborze sprzętu, który będzie niezawodny w określonym okresie użytkowania.

Grafit jest kruchy, nie ma plastyczności, nie ma ostrzeżeń
Grafit zasadniczo nie wykazuje plastyczności ani plastyczności przed pęknięciem. Podczas gdy metale są odkształcalne plastycznie i rozciągają się pod wpływem naprężenia, a PTFE znacznie się wydłuża przed pęknięciem, grafit jest kruchym ciałem stałym. Nie jest ani elastyczny, ani elastyczny. To się łamie. Wytrzymałość na rozciąganie nieprzepuszczalnego grafitu wynosi zwykle 10–20 MPa, podobnie jak PTFE. Jednakże zdolność PTFE do odkształcenia plastycznego i pochłaniania energii oznacza, że ​​jest on znacznie bardziej odporny na uderzenia. Z drugiej strony grafit gromadzi energię sprężystą aż do osiągnięcia krytycznego poziomu naprężenia, a następnie gwałtownie pęka, bez wcześniejszego odkształcenia.

Taka kruchość sprawia, że ​​grafitowe wymienniki ciepła nie są w stanie wytrzymać szybkich obciążeń mechanicznych, ostrych uderzeń lub powtarzających się cykli naprężeń. Nadciśnienie lub umiarkowane wibracje z biegiem czasu mogą powodować pęknięcia, które rozprzestrzeniają się przez bloki, rury lub arkusze rur.

Szczególne zagrożenia mechaniczne dla grafitowych wymienników ciepła
Młot wodny Sekretna fala ciśnienia
Nagłe zatrzymanie przepływu, uruchomienie pompy lub zamknięcie zaworu powoduje powstanie fali ciśnienia, która przemieszcza się w rurociągu z prędkością dźwięku. Impuls uderzenia wodnego może wytworzyć ciśnienie kilkakrotnie przekraczające ciśnienie projektowe systemu. Tak silny impuls może błyskawicznie rozbić bloki lub rurki wymiennika grafitowego. Grafit ma-z natury ceramikę i nie pochłania energii wzrostu ciśnienia w wyniku odkształcenia sprężystego. Fala ciśnienia znajduje słaby punkt, zwykle w pobliżu połączeń dysz lub narożników bloków, i rozpoczyna pękanie.

Grafit jest wyborem wysokiego ryzyka w każdym systemie, w którym możliwe jest uderzenie wodne. Typowymi przyczynami uderzeń hydraulicznych są przewody pary kondensacyjnej, długie odcinki rur z szybko zamykającymi się-zaworami i przewody tłoczne pompy o nieodpowiednich rozmiarach. Grafitowy wymiennik ciepła może zostać uszkodzony wewnętrznie w wyniku pojedynczego poważnego zdarzenia, nawet jeśli nie ma widocznych uszkodzeń zewnętrznych.

Zmęczenie wibracyjne sprzętu wirującego
Pompy, sprężarki, mieszadła i otaczające je maszyny przędzalnicze przenoszą ciągłe wibracje przez rurę i płaszcz wymiennika. Te wibracje mechaniczne mogą z biegiem czasu powodować naprężenia elementów grafitowych, zwłaszcza na złączach, połączeniach rur-z-płaszczami rurowymi lub gdy nieelastyczny rurociąg jest podłączony bezpośrednio do dysz wymiennika. Wibracje nie muszą być gwałtowne; Oscylacje o umiarkowanej amplitudzie i wysokiej częstotliwości mogą powodować mikropęknięcia, które stale się rozprzestrzeniają, aż do wystąpienia całkowitego pęknięcia.

Wymienniki grafitowe wymagają mechanicznie „cichego” środowiska pracy. Zamontowanie go na tej samej płozie co pompa tłokowa lub tuż obok niezrównoważonego wentylatora to przepis na przedwczesną awarię. W niektórych sytuacjach częstotliwości właściwe rurom lub blokom grafitowym mogą być wzbudzane nawet przez wibracje wywołane przepływem turbulentnego płynu przepływającego przez kanały wymiennika.

Uszkodzenia powstałe w wyniku obsługi i pielęgnacji
Kruchość ma również wpływ na instalację i serwisowanie. Upuszczone narzędzie, uderzenie w grafitową dyszę, przesunięcie kołnierza ciężkiej rury, a nawet nadmierne dokręcenie elementów mocujących pokrywę może spowodować pęknięcie. Wymienniki metalowe mogą być trudne podczas montażu, natomiast z wymiennikami grafitowymi należy obchodzić się ostrożnie. Innym poważnym problemem są uszkodzenia w transporcie: paleta upuszczona podczas rozładunku może zniszczyć blok grafitowy, zanim w ogóle trafi do użytku.

Działania łagodzące dotyczące wymiennika grafitu
Jeżeli grafitowe wymienniki ciepła mają być stosowane w miejscach, w których mogą występować wstrząsy mechaniczne lub wibracje, istnieje szereg procedur projektowania i instalacji, które mogą zmniejszyć ryzyko:

Środek ograniczający zagrożenie
Uderzenie wodne Stosować zawory wolno zamykające, tłumiki przepięć lub akumulatory. Nie używaj zaworów elektromagnetycznych na strumieniu płynu do wymiennika, który szybko się zamyka. Projektowanie rurociągów tak, aby zminimalizować szybkie wahania przepływu.
Wibracje rurociągów Umieścić elastyczne złącza (węże metalowe w oplocie lub kompensatory) pomiędzy sztywnymi rurociągami a dyszami wymiennika. Rury podporowe oddzielnie w pobliżu wymiennika, aby zapobiec przenoszeniu obciążenia.
Wibracje pomp lub sprężarek Odizoluj wymiennik na mocowaniach tłumiących drgania. Wymiennik jest oddzielony od wibrujących maszyn 2-3 metrowym elastycznym rurociągiem.
Ochrona przed uderzeniami Zainstaluj osłony lub klatki wokół wrażliwych dysz. Zaznaczyć uchwyty do podnoszenia bezpośrednio na płaszczu wymiennika. Szkolić specjalistów ds. konserwacji w zakresie prawidłowych technik obsługi.
Szok termiczny Kontroluj prędkość ogrzewania i chłodzenia (zwykle<5–10°C/min). Never infuse cold fluid into a hot exchanger abruptly.
Nawet przy zastosowaniu tych kroków żadne środki łagodzące nie są w stanie całkowicie zmniejszyć ryzyka związanego z naprężeniami mechanicznymi. W przypadku zastosowań, w których nie można bezpiecznie uniknąć uderzeń wodnych lub ekstremalnych wibracji, należy zbadać inne materiały, takie jak wiązki rurek PTFE lub wymienniki z węglika krzemu.

Kiedy grafit działa-a kiedy nie
Grafitowe wymienniki ciepła nadają się do stabilnych mechanicznie instalacji o niskim-wibracji, ze stałym przepływem płynu, bez skoków ciśnienia i przy ostrożnej obsłudze. Typowe akceptowalne zastosowania to:

Ogrzewanie lub chłodzenie cieczy w stanie ustalonym-w reaktorach chemicznych

Kondensacja czystych oparów poprzez drenaż grawitacyjny

Serwis reboilera z kontrolowanym dopływem ciepła

Nieodpowiednie zastosowania:

Systemy kondensatu podatne na uderzenia pary

Instalacje za pompami tłokowymi

Sprzęt mobilny lub morski wrażliwy na ruch i wstrząsy

Wszelkie usługi, które nie mają elastycznych złączy lub odpowiednich wsporników dla systemu rur.

Porównanie z PTFE: odporność chemiczna a wytrzymałość mechaniczna
Porównanie z ptfe jest wymowne. Wiązki rurek PTFE wyginają się pod wpływem skoków ciśnienia i pochłaniają wstrząsy mechaniczne bez uszkodzeń. PTFE może wytrzymać częste wibracje i umiarkowane nadużycia podczas obsługi. Jednak PTFE nie może pracować w tak wysokich temperaturach jak grafit i nie ma tak samo wysokiej przewodności cieplnej. Decyzja pomiędzy grafitem a PTFE jest zazwyczaj kompromisem-pomiędzy właściwościami chemicznymi/termicznymi (grafit) a wytrzymałością mechaniczną (PTFE).

Streszczenie
Kruchość grafitu ogranicza jego zastosowanie w solidnych instalacjach o niskim-wibracji, podczas gdy PTFE jest znacznie bardziej wyrozumiały. Uderzenia wodne, wibracje i uderzenia stanowią prawdziwe wyzwanie dla integralności grafitowych wymienników ciepła. Pękniętego bloku lub rurki nie da się naprawić i zazwyczaj należy wymienić jednostkę. Zatem środowisko mechaniczne jest tak samo istotne przy wyborze materiału, jak środowisko chemiczne. Przed określeniem grafitowego wymiennika ciepła należy odpowiednio ocenić dynamikę rurociągów, czasy uruchamiania zaworów, otaczające maszyny wirujące i procedury obsługi. Jeśli nie można uniknąć wstrząsu mechanicznego, innego niż katastrofalna awaria i nieprzewidziany przestój, należy rozważyć zastosowanie materiałów odpornych na korozję-lub inną konstrukcję wymiennika.