Ποια είναι τα όρια θερμοκρασίας και πίεσης των αδιαπέραστων εναλλάκτες θερμότητας γραφίτη;

Ο αδιαπέρατος γραφίτης είναι ισχυρός στη συμπίεση, ο ασθενής σε τάση και τα όρια απόδοσης υπαγορεύονται κυρίως από τη ρητίνη που χρησιμοποιείται για να τον κάνει αδιαπέραστο. Οι μηχανικοί πρέπει να τηρούν αυτούς τους περιορισμούς για να αποφύγουν την απροσδόκητη, εύθραυστη αστοχία. Σε αντίθεση με τα μέταλλα, τα οποία συνήθως έχουν κάποια πλαστική παραμόρφωση πριν σπάσουν, ο γραφίτης σπάει με ελάχιστη ή καθόλου προειδοποίηση. Έτσι, τα όρια αδιαπέραστου εναλλάκτη θερμότητας γραφίτη-της θερμοκρασίας, της πίεσης και του θερμικού σοκ-καθορίζουν την ασφαλή θήκη λειτουργίας ενός κατά τα άλλα πολύ ανθεκτικού στη διάβρωση υλικού.

Όρια θερμοκρασίας Όρια που εξαρτώνται από τη ρητίνη
Η υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας ενός αδιαπέραστου εναλλάκτη θερμότητας γραφίτη περιορίζεται από τη θερμική σταθερότητα της ρητίνης εμποτισμού. Το ίδιο το υπόστρωμα γραφίτη είναι σταθερό σε περισσότερο από 2.500 βαθμούς σε αδρανείς ατμόσφαιρες, ωστόσο η ρητίνη που γεμίζει τις οπές και παρέχει στεγανότητα διαρροής αποσυντίθεται σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες.

Τύπος ρητίνηςΜέγιστη θερμοκρασία συνεχούς λειτουργίαςΣχόλια
Φαινολική ρητίνη 180–200 μοίρες (τυπική) Ορισμένες ποιότητες έως 210 μοίρες Πιο συνηθισμένη και φθηνότερη. υποβαθμίζεται πάνω από το όριο, εκπομπή πτητικών, πορώδες
PTFE (πολυτετραφθοροαιθυλένιο) 220–230 μοίρες Απόδοση σε υψηλή θερμοκρασία, μεγάλη χημική αντοχή αλλά πολύ πιο ακριβό
Ρητίνη φουρανίου 180–200 βαθμούς Φαινολική-όπως; χρησιμοποιείται όταν το φαινολικό δεν είναι κατάλληλο για ορισμένους οργανικούς διαλύτες
Χωρίς ρητίνη εμποτισμένο με άνθρακα Έως 400 βαθμούς (μόνο για μη οξειδωτικές ατμόσφαιρες) Χωρίς ρητίνη για αποικοδόμηση, αλλά ακόμα πορώδης γραφίτης Απαιτείται αδρανής ή αναγωγική ατμόσφαιρα για να αποφευχθεί η οξείδωση
Όταν ξεπεραστεί το όριο θερμοκρασίας, η φαινολική ρητίνη αρχίζει να καίγεται, να συρρικνώνεται και να σπάει. Ο γραφίτης γίνεται και πάλι πορώδης και οδηγεί σε:

Διαρροή διαβρωτικού υγρού μέσω του σώματος του εναλλάκτη.

Διασταυρούμενη μόλυνση μεταξύ του κελύφους και της πλευράς του σωλήνα.

Επιταχυνόμενη σκουριά εξωτερικών μερών.

Ο εμποτισμένος γραφίτης PTFE-καθορίζεται για σέρβις άνω των 200 μοιρών . Ωστόσο, η αύξηση του κόστους μπορεί να είναι σημαντική, γενικά 50-100% μεγαλύτερη από τα ισοδύναμα εμποτισμένα με φαινολικά. Ο εμποτισμένος γραφίτης γενικά δεν είναι προσβάσιμος πάνω από 230 μοίρες και άλλα υλικά όπως καρβίδιο του πυριτίου, ταντάλιο ή κεραμικό πρέπει να διερευνηθούν.

Όριο πίεσης: Αδυναμία τάσης και πρότυπα σχεδίασης
Ο γραφίτης έχει υψηλή αντοχή σε θλίψη (50–100 MPa) αλλά κακή αντοχή σε εφελκυσμό (10–25 MPa). Οι τάσεις στεφάνης και οι αξονικές εφελκυστικές τάσεις παράγονται από την εσωτερική πίεση σε κυλινδρικά κελύφη και σωλήνες. Ο γραφίτης δεν μπορεί να αντέξει εύκολα την υψηλή τάση και έτσι οι τιμές πίεσης των εναλλάκτη θερμότητας γραφίτη είναι μέτριες.

Βαθμολογίες πίεσης - Τυπική
Εναλλάκτες θερμότητας-τύπου μπλοκ (κυλινδρικοί ή ορθογώνιοι ογκόλιθοι με διάτρητα κανάλια): Τα τυπικά σχέδια βαθμολογούνται με 6 bar (87 psi) στις πλευρές του κελύφους και του σωλήνα.

Σχέδια κελύφους και σωλήνων: Συνήθως βαθμολογούνται στα 5-6 bar στην πλευρά του σωλήνα. Η πλευρά του κελύφους μπορεί να είναι σημαντικά χαμηλότερη λόγω των μεγαλύτερων περιοχών που δεν υποστηρίζονται.

Προσαρμοσμένα ενισχυμένα σχέδια Διαθέσιμα για πιέσεις έως 10–12 bar, μέσω εξωτερικών χαλύβδινων κελυφών, παχύτερων τμημάτων γραφίτη ή προεντεταμένων σχεδίων. Αυτά τα αντικείμενα δεν βρίσκονται στο ράφι και απαιτούν εξειδικευμένο μηχανικό.

Η ονομαστική πίεση προσδιορίζεται από ομοιόμορφο σταθερό φορτίο. Οι υπέρτατες πιέσεις, το σφυροκόπημα του νερού ή η γρήγορη ανακύκλωση μπορούν να ασκήσουν δυναμικές τάσεις εφελκυσμού που μπορούν να προκαλέσουν ξαφνική θραύση ακόμη και αν η πίεση σταθερής κατάστασης είναι κάτω από την ονομαστική τιμή.

Συμμόρφωση με τους Κώδικες Σχεδιασμού
Τα μεταλλικά δοχεία πίεσης υπόκεινται στο ASME Section VIII, Division 1 . Οι εναλλάκτες θερμότητας γραφίτη δεν υπόκεινται σε αυτόν τον κωδικό . Το πιο γνωστό πρότυπο σχεδιασμού είναι το γερμανικό AD Merkblatt N1 (Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter) για συσκευές γραφίτη. Άλλοι κατασκευαστές εξαρτώνται από ενδελεχείς δοκιμές εσωτερικών προτύπων. Ο αγοραστής θα πρέπει να ζητήσει μια δήλωση κωδικού σχεδιασμού από τον προμηθευτή και να εγγυηθεί ότι ο εναλλάκτης έχει σφραγιστεί ή πιστοποιηθεί σωστά.

Θερμικό Σοκ: Ένας λειτουργικός περιορισμός
Ένας άλλος σημαντικός περιορισμός στη λειτουργία είναι το θερμικό σοκ, εκτός από τη θερμοκρασία και την πίεση σε σταθερή κατάσταση. Ο γραφίτης έχει σχετικά χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής (περίπου 2–6 × 10-6 / βαθμό, παρόμοιο με το γυαλί ή το πυρίτιο), αλλά κακή θερμική αγωγιμότητα σε σύγκριση με τα μέταλλα και πολύ χαμηλή αντοχή σε εφελκυσμό. Όταν ένας εναλλάκτης θερμότητας γραφίτη υποβάλλεται σε γρήγορες αλλαγές θερμοκρασίας (π.χ. κρύο υγρό εγχέεται σε μια θερμή μονάδα), δημιουργούνται εσωτερικές διαφορικές τάσεις διαστολής στον εναλλάκτη θερμότητας που είναι μεγαλύτερες από την αντοχή εφελκυσμού του γραφίτη και ως εκ τούτου προκαλούν ρωγμές.

Προτεινόμενος ρυθμός αλλαγής θερμοκρασίας
Οι κατασκευαστές καθορίζουν συνήθως μέγιστους ρυθμούς αποδεκτής αλλαγής θερμοκρασίας 5–10 μοιρών ανά λεπτό για συνηθισμένους εναλλάκτες γραφίτη. Ορισμένα σχέδια μπλοκ βαρέων τμημάτων μπορεί να ανέχονται μόνο 2-3 μοίρες /λεπτό. Μόλις ξεπεραστούν αυτοί οι ρυθμοί, έστω και μία φορά, μπορεί να συμβεί ανεπανόρθωτη ρωγμή.

Παράδειγμα σεναρίου αποτυχίας
Ένας εναλλάκτης μπλοκ γραφίτη που λειτουργεί στις 150 μοίρες και αποστραγγίζεται για συντήρηση είναι χαρακτηριστικός. Το μπλοκ στη συνέχεια ψύχεται ομοιόμορφα και τροφοδοτείται κρύο νερό (20 μοίρες) στην πλευρά του κελύφους. Οι εσωτερικές επιφάνειες ψύχονται γρήγορα, ενώ το κέντρο παραμένει ζεστό. Οι καταπονήσεις εφελκυσμού που προκύπτουν σπάζουν το μπλοκ προς τα έξω από τις οπές των καναλιών. Ο εναλλάκτης θα αποτύχει στην επόμενη πίεση.

Για την αποφυγή θερμικού σοκ:

Μην εγχύετε υγρό με διαφορά θερμοκρασίας μεγαλύτερη από 50 μοίρες σε εναλλάκτη σε άλλη θερμοκρασία.

Χρησιμοποιήστε τεχνικές αργής προθέρμανσης-ή ψύξης-.

Ασφαλίζει τη θερμοκρασία ή ελεγχόμενες βαλβίδες για να σταματήσει η ροή μέχρι να εξισωθούν οι θερμοκρασίες.

Συνδυασμένες επιδράσεις θερμοκρασίας και πίεσης
Σε πολλές περιπτώσεις η μέγιστη επιτρεπόμενη πίεση πέφτει με την αύξηση της θερμοκρασίας. Σε υψηλές θερμοκρασίες κοντά στο όριο της ρητίνης (π.χ.. 190 βαθμός για το φαινολικό) η ρητίνη μαλακώνει κάπως, μειώνοντας την αποτελεσματική αντοχή του γραφίτη. Οι συγκεκριμένες καμπύλες υποβάθμισης είναι συγκεκριμένες για τον κατασκευαστή. Μια συνετή προσέγγιση θα ήταν η μείωση της πίεσης εργασίας κατά 20-30% σε θερμοκρασίες 10-15 βαθμούς κάτω από το όριο της ρητίνης. Για σέρβις, η μέγιστη πίεση της τελικής ρητίνης θα πρέπει να μειωθεί περαιτέρω για να αποφευχθεί η χαλάρωση του ερπυσμού ή της φλάντζας.

Σύγκριση ορίων στις εναλλακτικές λύσεις PTFE
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (π.χ. μικρότερες ή ίσες με 110 μοίρες για στερεό PTFE), αλλά μπορούν να αντέξουν υψηλότερες πιέσεις (10–16 bar για σχέδια με οπλισμό) και είναι πρακτικά μη ευαίσθητοι στο θερμικό σοκ λόγω της ευελιξίας του PTFE. Τα όρια για τον αδιαπέραστο εναλλάκτη θερμότητας γραφίτη είναι επομένως πιο περιοριστικά (θερμοκρασία: 200–230 μοίρες, πίεση: 6 bar) και λειτουργικά πιο δύσκολα. Ο γραφίτης είναι μια καλή επιλογή όπου η διαδικασία πρόκειται να πραγματοποιηθεί σε θερμοκρασία άνω των 110 βαθμών αλλά κάτω των 200 βαθμών και σε πίεση εντός 6 bar. Πάνω από 200 μοίρες ή πάνω από 6 bar πρέπει να αξιολογηθούν άλλα υλικά.

Προστασία και επιθεώρηση υπερπίεσης
Η προστασία από υπερπίεση είναι απαραίτητη, καθώς ο γραφίτης αποτυγχάνει χωρίς πλαστική παραμόρφωση. Η πίεση δεν πρέπει να υπερβαίνει την ονομαστική τιμή του εναλλάκτη σε καμία περίπτωση και οι ανακουφιστικές βαλβίδες θα πρέπει να έχουν μέγεθος και να ρυθμίζονται για να διασφαλίζεται αυτό. Η τακτική επιθεώρηση πρέπει να περιλαμβάνει

Υδροστατική δοκιμή (αποτρέψτε τη θερμική καταπόνηση, χρησιμοποιήστε νερό ίδιας θερμοκρασίας-).

Έλεγχος διεισδυτικής χρωστικής στις επιφάνειες των μπλοκ και των φύλλων σωλήνων.

Παρακολουθήστε τις τάσεις στη μείωση της πίεσης. Μια απότομη ακίδα μπορεί να υποδηλώνει κάταγμα ή ρύπανση.

Μια ευρέως διαδεδομένη παρανόηση είναι ότι ένας εναλλάκτης με ονομαστική τιμή 6 bar μπορεί να χειριστεί την περιστασιακή ακίδα των 7 bar. Ο γραφίτης δεν αποδίδει, τα 7 bar θα μπορούσαν να οδηγήσουν στο σχηματισμό μικρορωγμών που θα διαδίδονταν σε διαδοχικούς κύκλους οδηγώντας σε καταστροφική αποτυχία ημέρες ή εβδομάδες αργότερα. Μην λειτουργείτε πέρα ​​από τις χαρακτηριστικές συνθήκες.

Περίληψη του Executive
Για να λειτουργεί με ασφάλεια μακροπρόθεσμα, πρέπει να τηρούνται τα όρια θερμοκρασίας, πίεσης και θερμικού σοκ του αδιαπέραστου γραφίτη. Οι παράμετροι για τον αδιαπέραστο εναλλάκτη θερμότητας γραφίτη, συνήθως 180–200 μοίρες για μονάδες φαινολικής-ρητινής και τυπική πίεση 6 bar, δεν είναι αυθαίρετες. Προκύπτουν αμέσως από τη θερμική σταθερότητα της ρητίνης και την εγγενή αδυναμία στην τάση του γραφίτη. Η ευαισθησία σε θερμικό σοκ είναι ένας άλλος λειτουργικός περιορισμός που δεν είναι παράγοντας με μέταλλα ή PTFE. Αυτοί οι περιορισμοί είναι που διέπουν πραγματικά πού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο γραφίτης σε σύγκριση με πιο επιεικά υλικά όπως το PTFE (χαμηλότερη θερμοκρασία, υψηλότερη ανοχή πίεσης) ή το καρβίδιο του πυριτίου (υψηλότερη θερμοκρασία και πίεση, αλλά περισσότερο κόστος). Η σωστή επιλογή γίνεται με την αντιστοίχιση των πιστοποιημένων ορίων του εναλλάκτη με τις συνθήκες διεργασίας μαζί με κάποια επιπλέον περιθώρια ασφαλείας για μεταβατικά. Όταν τηρούνται αυτά τα όρια, οι αδιαπέρατοι εναλλάκτες θερμότητας γραφίτη προσφέρουν δεκαετίες αξιόπιστης ανθεκτικότητας στη διάβρωση{10}}.