Как механичният удар и вибрациите ограничават приложението на графитни топлообменници?

Графитът е вещество,-подобно на керамика, което е здраво при натиск, но е крехко. Еднократно сътресение или скок на налягането или продължителна вибрация може да счупи графитен топлообменник и да доведе до катастрофална повреда по начин, по който гъвкавите PTFE тръби никога не биха. 9. Графитът има отлична устойчивост на корозия и топлопроводимост, но е механично крехък и следователно доста ограничен по отношение на мястото, където може да бъде сигурно инсталиран. Разбирането на ограничението на механичния шоков графитен топлообменник е важно при избора на оборудване, което ще бъде надеждно през определения срок на експлоатация.

Графитът е крехък, няма пластичност, няма предупреждения
Графитът по същество няма пластичност или поведение на провлачване преди счупване. Докато металите са пластично деформируеми и се разтягат при напрежение, а PTFE се удължава значително преди разкъсване, графитът е крехко твърдо вещество. Не е нито гъвкав, нито еластичен. Чупи се. Якостта на опън на непроницаемия графит обикновено е 10–20 MPa, подобна на тази на PTFE. Но способността на PTFE да се деформира пластично и да абсорбира енергия означава, че той е много по-устойчив на удар. Графитът, от друга страна, натрупва еластична енергия, докато се достигне критично ниво на напрежение, след което се счупва внезапно без предшестваща деформация.

Такава крехкост прави графитните топлообменници неспособни да издържат на бързи механични натоварвания, резки удари или повтарящи се циклични натоварвания. Свръхналягането или умерените вибрации с течение на времето могат да причинят пукнатини, които се разпространяват през блокове, тръби или тръбни листове.

Особени механични опасности за графитни топлообменници
Воден чук Тайната вълна на натиск
Внезапно спиране на потока, стартиране на помпата или затваряне на вентила създава вълна на налягане, която преминава през тръбопровода със скоростта на звука. Този импулс на воден чук може да създаде налягане няколко пъти над проектното налягане на системата. Такъв силен импулс може моментално да счупи блокове или тръби за графитен обменник. Графитът е керамичен-както в природата и не абсорбира енергията от скока на налягането чрез еластична деформация. Вълната на налягането намира слабо място, обикновено около връзките на дюзите или ъглите на блоковете, и започва да се счупва.

Графитът е високорисков избор във всяка система, където е възможен воден чук. Типичните причини за хидравличен удар са кондензиращи парни линии, дълги участъци от тръби с бързо-затварящи се клапани и неподходящо оразмерени изпускателни линии на помпата. Графитен топлообменник може да бъде вътрешно повреден от едно тежко събитие, дори когато няма видима външна повреда.

Вибрационна умора на въртящо се оборудване
Помпите, компресорите, бъркалките и заобикалящите ги въртящи се машини предават непрекъснати вибрации през тръбата и обвивката на топлообменника. Тази механична вибрация може да натовари графитните компоненти с течение на времето, особено при съединенията, връзките между тръбите-към-тръбната плоча или когато негъвкавите тръбопроводи са свързани директно към дюзите на обменника. Вибрациите не трябва да са силни; трептенията с умерена амплитуда и висока честота могат да произведат микропукнатини, които се разпространяват стабилно, докато настъпи пълно счупване.

Графитните топлообменници се нуждаят от механично "тиха" работна среда. Монтирането му на същия плъзгач като бутална помпа или точно до небалансиран вентилатор е рецепта за преждевременна повреда. В някои ситуации присъщите честоти на графитните тръби или блокове могат да бъдат възбудени дори от вибрации, предизвикани от потока на турбулентна течност, протичаща през каналите на топлообменника.

Повреда при боравене и грижи
Чупливостта също влияе върху монтажа и обслужването. Изпуснат инструмент, удряне на графитна дюза, тежък тръбен фланец, изместен извън центровката, дори пренатягането на крепежни елементи на капака може да предизвика пукнатина. Металните топлообменници могат да понесат трудно боравене по време на монтажа, докато графитните модули трябва да се боравят внимателно. Друго голямо притеснение е повредата при транспортиране: палет, изпуснат по време на разтоварване, може да счупи графитен блок, преди дори да види сервиз.

Действия за смекчаване на графитния обменник
Ако графитните топлообменници трябва да се използват на места, където може да има механични удари или вибрации, има редица процедури за проектиране и монтаж, които могат да намалят риска:

Мярка за намаляване на опасността
Хидроудар Използвайте бавно затварящи се вентили, ограничители на пренапрежение или акумулатори. Не използвайте електромагнитни клапани на потока от течност към обменника, които се затварят бързо. Проектирайте тръбопроводите, за да минимизирате бързите колебания в потока.
Вибрация на тръбопровода Поставете гъвкави съединители (плетени метални маркучи или разширителни фуги) между твърдия тръбопровод и дюзите на обменника. Поддържайте тръбите отделно близо до топлообменника, за да предотвратите предаването на товара.
Вибрации на помпи или компресори Изолирайте топлообменника върху амортизиращи вибрации стойки. Топлообменникът е отделен от вибриращата машина с 2 до 3 метра гъвкав тръбопровод.
Защита от удар Инсталирайте предпазители или клетки около податливите дюзи. Маркирайте повдигащите уши директно върху корпуса на топлообменника. Обучете специалисти по поддръжка на правилни техники за боравене.
Термичен шок Контролирайте скоростите на нагряване и охлаждане (обикновено<5–10°C/min). Never infuse cold fluid into a hot exchanger abruptly.
Дори и с тези стъпки никакво смекчаване не може напълно да намали риска от механичен стрес. За приложения, при които воден удар или екстремни вибрации не могат да бъдат избегнати безопасно, трябва да се проучат други материали като PTFE тръбни снопове или топлообменници от силициев карбид.

Кога Графитът работи-и кога не
Графитните топлообменници са добри за механично стабилни инсталации с ниски-вибрации с постоянен поток от течност, без скокове на налягането и внимателни оператори. Типичните приемливи приложения са:

Нагряваща или охлаждаща течност в стационарно-състояние в химически реактори

Кондензация на чисти пари чрез гравитачен дренаж

Обслужване на ребойлер с контролирана топлинна мощност

Неприложими приложения:

Кондензни системи, податливи на парен чук

Инсталации след бутални помпи

Мобилно или морско оборудване, уязвимо на движение и удари

Всеки сервиз, който няма гъвкави съединители или подходящи опори за тръбопроводната система.

Сравнение с PTFE: Химическа устойчивост спрямо механична якост
Сравнението с ptfe е показателно. PTFE тръбните снопове се огъват, когато възникнат скокове на налягането, и поемат механичния удар без повреда. PTFE може да издържи на чести вибрации и умерено боравене. Но PTFE не може да работи при същите високи температури като графита и няма същата висока топлопроводимост. Решението между графит и PTFE обикновено е компромис-между химическа/термична ефективност (графит) и механична устойчивост (PTFE).

Резюме
Чупкостта на графита ограничава приложението му до твърди инсталации с ниска-вибрация, докато PTFE е много по-щадящ. Хидроударите, вибрациите и щетите от удар са истински предизвикателства за целостта на графитните топлообменници. Счупен блок или тръба не могат да бъдат фиксирани и модулът обикновено трябва да бъде сменен. Така че механичната среда е толкова важна, колкото и химическата среда при избора на материал. Динамиката на тръбопроводите, времената на задействане на клапаните, заобикалящите въртящи се машини и процедурите за манипулиране трябва да бъдат адекватно оценени преди да се определи графитен топлообменник. Ако механичният удар не може да бъде избегнат, различен от катастрофална повреда и неочакван престой, трябва да се обмислят устойчиви-на корозия материали или различен дизайн на топлообменника.