محدودیت های دما و فشار مبدل های حرارتی گرافیتی غیرقابل نفوذ چیست؟

گرافیت غیرقابل نفوذ از نظر فشرده سازی قوی است، از نظر کشش ضعیف است و محدودیت های عملکرد اساساً توسط رزین مورد استفاده برای غیرقابل نفوذ بودن آن تعیین می شود. مهندسان باید این محدودیت ها را رعایت کنند تا از شکست غیرمنتظره و شکننده جلوگیری کنند. بر خلاف فلزات، که معمولاً قبل از شکستن مقداری تغییر شکل پلاستیکی دارند، گرافیت با هشدار کم یا بدون هشدار می شکند. بنابراین محدودیت‌های مبدل حرارتی گرافیتی غیرقابل نفوذ-دما، فشار و شوک حرارتی{4}} پوشش کارکرد ایمن یک ماده بسیار مقاوم در برابر خوردگی را تعریف می‌کند.

محدودیت های دما محدودیت های وابسته به رزین
بالاترین دمای سرویس یک مبدل حرارتی گرافیت غیرقابل نفوذ توسط پایداری حرارتی رزین آغشته‌کننده محدود می‌شود. بستر گرافیت به خودی خود تا بیش از 2500 درجه در اتمسفرهای بی اثر پایدار است، با این حال رزین که سوراخ ها را پر می کند و نشتی محکم می کند در دماهای بسیار پایین تر تجزیه می شود.

نوع رزین حداکثر دمای عملیاتی مداوم نظرات
رزین فنولیک 180-200 درجه (معمولی) برخی از گریدها تا 210 درجه رایج ترین و ارزان ترین. تخریب بیش از حد، انتشار مواد فرار، تخلخل
PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن) ​​220-230 درجه عملکرد دمای بالا، مقاومت شیمیایی عالی اما بسیار گران تر
رزین فوران 180-200 درجه فنلی-مانند؛ در مواردی که فنولیک برای حلال های آلی خاص مناسب نیست استفاده می شود
بدون رزین آغشته به کربن تا 400 درجه (فقط-در اتمسفرهای غیر اکسید کننده) بدون رزین برای تجزیه
هنگامی که از حد دما فراتر رفت، رزین فنلی شروع به سوختن، انقباض و ترک می کند. گرافیت دوباره متخلخل می شود و منجر به موارد زیر می شود:

نشت مایع خورنده از بدنه مبدل.

آلودگی متقاطع بین پوسته و سمت لوله.

تسریع زنگ زدگی قطعات بیرونی.

PTFE{0}}گرافیت آغشته شده برای سرویس دهی بیش از 200 درجه مشخص شده است. با این حال، افزایش هزینه ممکن است قابل توجه باشد، به طور کلی 50-100٪ بیشتر از معادل های آغشته به فنل. گرافیت آغشته شده معمولاً در دمای بالای 230 درجه قابل دسترسی نیست و سایر مواد مانند کاربید سیلیکون، تانتالیوم یا سرامیک باید بررسی شوند.

محدودیت فشار: ضعف تنش و استانداردهای طراحی
گرافیت دارای مقاومت فشاری بالا (50 تا 100 مگاپاسکال) اما مقاومت کششی ضعیف (10 تا 25 مگاپاسکال) است. تنش های کششی حلقه ای و محوری توسط فشار داخلی در پوسته ها و لوله های استوانه ای ایجاد می شود. گرافیت نمی تواند کشش بالا را به راحتی تحمل کند و بنابراین رتبه بندی فشار مبدل های حرارتی گرافیت متوسط ​​است.

رتبه بندی فشار - استاندارد
مبدل‌های حرارتی بلوکی{0} (بلوک‌های استوانه‌ای یا مستطیلی با کانال‌های سوراخ‌شده): طرح‌های معمولی دارای درجه‌بندی ۶ بار (۸۷ psi) در طرف‌های پوسته و لوله هستند.

طرح های پوسته و لوله: معمولاً 5-6 بار در سمت لوله درجه بندی می شوند. سمت پوسته ممکن است به دلیل بزرگتر بودن مناطق پشتیبانی نشده به طور قابل توجهی پایین تر باشد.

طرح های تقویت شده سفارشی برای فشارهای تا 10 تا 12 بار، با استفاده از پوسته های فولادی خارجی، مقاطع گرافیتی ضخیم تر یا طرح های پیش تنیده موجود است. این اقلام خارج از قفسه نیستند و نیاز به مهندسی ماهر دارند.

فشار نامی با بار ثابت یکنواخت تعیین می شود. فشارهای موجی، کوبش آب یا چرخش سریع می توانند تنش های کششی دینامیکی ایجاد کنند که می تواند باعث شکستگی ناگهانی شود، حتی اگر فشار حالت پایدار کمتر از حد مجاز باشد.

انطباق با کدهای طراحی
مخازن تحت فشار فلزی مشمول ASME Section VIII, Division 1 . مبدل های حرارتی گرافیت مشمول این کد نیستند. شناخته شده ترین استاندارد طراحی، AD Merkblatt N1 آلمان (Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter) برای دستگاه های گرافیتی است. سایر تولیدکنندگان به آزمایش کامل استانداردهای داخلی وابسته هستند. خریدار باید اعلامیه کد طراحی را از تامین کننده بخواهد و تضمین کند که مبدل به درستی مهر یا تایید شده است.

شوک حرارتی: یک محدودیت عملیاتی
یکی دیگر از محدودیت های مهم در عملکرد، شوک حرارتی، علاوه بر دما و فشار حالت پایدار است. گرافیت ضریب انبساط حرارتی نسبتاً کمی دارد (حدود 2-6 × 10-6 / درجه، مشابه شیشه یا سیلیکون) اما رسانایی حرارتی ضعیفی نسبت به فلزات و استحکام کششی بسیار پایین دارد. هنگامی که یک مبدل حرارتی گرافیت در معرض تغییرات دمایی سریع قرار می گیرد (مثلاً مایع سرد به یک واحد داغ تزریق می شود)، تنش های انبساط دیفرانسیل داخلی در مبدل حرارتی ایجاد می شود که از مقاومت کششی گرافیت بیشتر است و در نتیجه باعث ایجاد ترک می شود.

نرخ تغییر دمای پیشنهادی
سازندگان معمولاً حداکثر نرخ تغییر دمای قابل قبول 5-10 درجه در دقیقه را برای مبدل های گرافیت معمولی مشخص می کنند. برخی از طرح های بلوک بخش سنگین ممکن است فقط 2-3 درجه در دقیقه را تحمل کنند. هنگامی که از این نرخ ها فراتر رفت، حتی یک بار، ترک های جبران ناپذیری ممکن است رخ دهد.

نمونه ای از سناریوی شکست
یک مبدل بلوک گرافیتی که در 150 درجه کار می کند و برای تعمیر و نگهداری تخلیه می شود، معمولی است. سپس بلوک به طور یکنواخت سرد می شود و آب سرد (20 درجه) به سمت پوسته وارد می شود. سطوح داخلی به سرعت خنک می شوند، در حالی که مرکز داغ می ماند. کرنش های کششی که به وجود می آیند، بلوک را از سوراخ های کانال به سمت بیرون می شکنند. مبدل در فشار بعدی شکست خواهد خورد.

برای جلوگیری از شوک حرارتی:

سیال با اختلاف دمای بیش از 50 درجه را به مبدل در دمای دیگر تزریق نکنید.

از تکنیک‌های آهسته گرم کردن-یا سرد کردن- استفاده کنید.

اینترلاک دما یا دریچه های کنترل شده برای توقف جریان تا زمانی که دماها یکسان شود.

اثرات ترکیبی دما و فشار
در بسیاری از موارد حداکثر فشار مجاز با افزایش دما کاهش می یابد. در دماهای بالا نزدیک به حد مجاز رزین (مثلاً{2}} درجه برای فنول) رزین تا حدودی نرم می شود و استحکام مؤثر گرافیت را کاهش می دهد. منحنی های درجه بندی خاص مختص تولید کننده است. یک رویکرد محتاطانه کاهش فشار کاری به میزان 20 تا 30 درصد در دماهای 10 تا 15 درجه زیر حد مجاز رزین است. برای سرویس، حداکثر فشار رزین نهایی باید بیشتر کاهش یابد تا از خزش یا شل شدن واشر جلوگیری شود.

مقایسه محدودیت ها در گزینه های PTFE
مبدل های حرارتی PTFE در دماهای پایین تر کار می کنند (به عنوان مثال کمتر یا مساوی 110 درجه برای PTFE جامد)، اما می توانند فشارهای بالاتری را تحمل کنند (10 تا 16 بار برای طرح هایی با تقویت کننده) و به دلیل انعطاف پذیری PTFE عملاً به شوک حرارتی حساس نیستند. بنابراین، مرزهای مبدل حرارتی گرافیت غیرقابل نفوذ، هم محدودتر هستند (دما: 200-230 درجه، فشار: 6 بار) و هم از نظر عملیاتی دشوارتر. گرافیت انتخاب خوبی است که این روش در دمای بیش از 110 درجه اما زیر 200 درجه و در فشار 6 بار انجام شود. بالای 200 درجه یا بالاتر از 6 بار مواد دیگر باید ارزیابی شوند.

حفاظت و بازرسی در برابر فشار بیش از حد
حفاظت در برابر فشار بیش از حد ضروری است، زیرا گرافیت بدون تغییر شکل پلاستیک از بین می رود. فشار نباید به هیچ وجه از درجه بندی مبدل تجاوز کند، و برای اطمینان از این امر، شیرهای تخلیه باید اندازه و تنظیم شوند. بازرسی منظم باید شامل باشد

آزمایش هیدرواستاتیک (جلوگیری از تنش حرارتی، استفاده از آب با همان دمای-).

بازرسی نافذ رنگ سطوح بلوک و ورق های لوله.

روند کاهش فشار را تماشا کنید. یک سنبله ناگهانی می تواند نشان دهنده شکستگی یا رسوب باشد.

یک تصور نادرست رایج این است که یک مبدل درجه بندی شده 6 باری می تواند سنبله های گاه به گاه 7 بار را مدیریت کند. گرافیت تسلیم نمی‌شود، ۷ بار می‌تواند منجر به تشکیل ریزترک‌هایی شود که در طول چرخه‌های متوالی منتشر می‌شوند که روزها یا هفته‌ها بعد منجر به شکست فاجعه‌بار می‌شوند. فراتر از شرایط رتبه بندی شده عمل نکنید.

خلاصه اجرایی
برای کارکرد ایمن در درازمدت، دما، فشار و محدودیت های شوک حرارتی گرافیت غیرقابل نفوذ باید رعایت شود. پارامترهای مبدل حرارتی گرافیت غیرقابل نفوذ، معمولاً 180-200 درجه برای واحدهای فنولی{3}}و فشار استاندارد 6 بار، دلخواه نیستند. آنها بلافاصله از پایداری حرارتی رزین و ضعف ذاتی در کشش گرافیت ناشی می شوند. حساسیت شوک حرارتی یکی دیگر از محدودیت های عملیاتی است که در فلزات یا PTFE عاملی نیست. این محدودیت‌ها همان چیزی است که واقعاً در مورد استفاده از گرافیت در مقایسه با موادی مانند PTFE (دمای کمتر، تحمل فشار بیشتر) یا کاربید سیلیکون (دما و فشار بالاتر، اما هزینه بیشتر) حاکم است. انتخاب مناسب با تطبیق محدودیت های تایید شده مبدل با شرایط فرآیند همراه با برخی از حاشیه های ایمنی اضافی برای موارد گذرا انجام می شود. هنگامی که این مرزها رعایت شود، مبدل‌های حرارتی گرافیتی غیرقابل نفوذ دهه‌ها خدمات قابل اعتماد مقاوم در برابر خوردگی{10}} ارائه می‌کنند.