¿Cómo limitan los golpes mecánicos y las vibraciones la aplicación de los intercambiadores de calor de grafito?

El grafito es una sustancia-parecida a la cerámica que es resistente a la compresión pero quebradiza. Una sola sacudida, aumento de presión o vibración continua puede fracturar un intercambiador de grafito y provocar que falle catastróficamente de una manera que los tubos flexibles de PTFE nunca lo harían.. 9. El grafito tiene una excelente resistencia a la corrosión y conductividad térmica, pero es mecánicamente frágil y, por lo tanto, bastante limitado en términos de dónde puede instalarse de forma segura. Comprender la limitación del intercambiador de calor de grafito de choque mecánico es importante para seleccionar equipos que sean confiables durante su vida útil especificada.

El grafito es frágil, sin ductilidad, sin advertencias.
El grafito esencialmente no tiene ductilidad ni comportamiento elástico antes de la fractura. Mientras que los metales son plásticamente deformables y se estiran bajo tensión, y el PTFE se alarga mucho antes de romperse, el grafito es un sólido frágil. No es ni flexible ni elástico. Se rompe. La resistencia a la tracción del grafito impermeable suele ser de 10 a 20 MPa, similar a la del PTFE. Sin embargo, la capacidad del PTFE para deformarse plásticamente y absorber energía significa que es mucho más resistente a los impactos. El grafito, por otro lado, acumula energía elástica hasta que se alcanza un nivel de tensión crítico y luego se rompe abruptamente sin ninguna deformación previa.

Tal fragilidad hace que los intercambiadores de calor de grafito sean incapaces de soportar cargas mecánicas rápidas, impactos bruscos o ciclos de tensión repetitivos. La sobrepresión o la vibración moderada con el tiempo pueden provocar grietas que se propagan a través de bloques, tubos o placas de tubos.

Peligros mecánicos particulares para los intercambiadores de calor de grafito
Golpe de ariete La onda de presión secreta
Una parada repentina del flujo, el arranque de una bomba o el cierre de una válvula produce una onda de presión que viaja a través de la tubería a la velocidad del sonido. Este impulso de golpe de ariete puede crear presiones varias veces superiores a la presión de diseño del sistema. Un impulso tan fuerte puede romper instantáneamente bloques o tubos de un intercambiador de grafito. El grafito es cerámico-por naturaleza y no absorbe la energía de un aumento de presión mediante deformación elástica. La onda de presión encuentra un punto débil, normalmente alrededor de las conexiones de las boquillas o en las esquinas de los bloques, y comienza a fracturarse.

El grafito es una opción de alto riesgo en cualquier sistema donde exista la posibilidad de golpes de ariete. Las causas típicas del golpe de ariete son las líneas de vapor de condensación, tramos largos de tuberías con válvulas de cierre rápido-y líneas de descarga de bombas de tamaño inadecuado. Un intercambiador de calor de grafito puede sufrir daños internos por un solo evento severo, incluso cuando no hay daños externos evidentes.

Fatiga por vibración de equipos giratorios
Las bombas, compresores, agitadores y las máquinas de hilar circundantes transfieren vibraciones continuas a través de la tubería y la carcasa del intercambiador. Esta vibración mecánica puede estresar los componentes de grafito con el tiempo, particularmente en las juntas, conexiones de tubo-a-placa de tubos o cuando se conectan tuberías inflexibles directamente a las boquillas del intercambiador. Las vibraciones no tienen por qué ser violentas; Las oscilaciones de amplitud moderada y alta frecuencia pueden producir microfisuras que se propagan de manera constante hasta que se produce una fractura completa.

Los intercambiadores de grafito necesitan un entorno de servicio mecánicamente "silencioso". Montarlo en el mismo patín que una bomba alternativa o justo al lado de un ventilador desequilibrado es una receta para una falla prematura. En algunas situaciones, las frecuencias inherentes de los tubos o bloques de grafito pueden excitarse incluso mediante la vibración inducida por el flujo del fluido turbulento que fluye a través de los canales del intercambiador.

Daño por manipulación y cuidado
La fragilidad también afecta la instalación y el servicio. Una herramienta que se cae, que golpea una boquilla de grafito, una brida de tubería pesada desalineada o incluso un ajuste excesivo de los sujetadores de una cubierta puede generar una grieta. Los intercambiadores de metal pueden sufrir un manejo duro durante el montaje, mientras que las unidades de grafito deben manipularse con cuidado. Otra preocupación importante son los daños durante el envío: una paleta que se cae durante la descarga puede romper un bloque de grafito incluso antes de que entre en servicio.

Acciones de mitigación del intercambiador de grafito
Si se van a utilizar intercambiadores de calor de grafito en lugares donde puede haber golpes mecánicos o vibraciones, existen varios procedimientos de diseño e instalación que podrían mitigar el riesgo:

Medida de mitigación de peligros
Golpe de ariete Utilice válvulas de cierre lento, supresores de sobretensiones o acumuladores. No utilice válvulas solenoides en el flujo de fluido hacia el intercambiador que se cierran rápidamente. Diseñe las tuberías para minimizar las fluctuaciones rápidas en el flujo.
Vibración de las tuberías Coloque conectores flexibles (mangueras metálicas trenzadas o juntas de expansión) entre las tuberías rígidas y las boquillas del intercambiador. Apoye las tuberías por separado cerca del intercambiador para evitar la transmisión de carga.
Vibración de bombas o compresores. Aísle el intercambiador sobre soportes amortiguados por vibraciones. El intercambiador está separado de la maquinaria vibratoria por 2 a 3 metros de tubería flexible.
Protección contra impactos Instale protectores o jaulas alrededor de las boquillas susceptibles. Marque las orejas de elevación directamente en la carcasa del intercambiador. Capacitar a los profesionales de mantenimiento en técnicas de manipulación adecuadas.
Choque térmico Controla las velocidades de calefacción y refrigeración (normalmente<5–10°C/min). Never infuse cold fluid into a hot exchanger abruptly.
Incluso con estos pasos, ninguna mitigación puede reducir totalmente el riesgo que presenta el estrés mecánico. Para aplicaciones en las que no se pueden evitar de forma segura los golpes de ariete o las vibraciones extremas, se deben investigar otros materiales, como haces de tubos de PTFE o intercambiadores de carburo de silicio.

Cuándo funciona el grafito-y cuándo no
Los intercambiadores de calor de grafito son buenos para instalaciones mecánicamente estables de baja-vibración con un flujo constante de fluido, sin aumentos repentinos de presión y operadores cuidadosos. Las aplicaciones típicas aceptables son:

Calentar o enfriar líquido en estado-estable en reactores químicos

Condensación de vapores puros mediante drenaje por gravedad.

Servicio de Rehervidor con aporte térmico controlado.

Aplicaciones no aplicables:

Sistemas de condensado susceptibles al golpe de vapor.

Instalaciones aguas abajo de bombas alternativas

Equipos móviles o marítimos vulnerables al movimiento y a los golpes.

Cualquier servicio que no cuente con conectores flexibles o soportes adecuados para el sistema de tuberías.

Comparación con PTFE: resistencia química frente a tenacidad mecánica
La comparación con el ptfe es reveladora. Los haces de tubos de PTFE se doblan cuando se producen picos de presión y absorben el impacto mecánico sin sufrir daños. El PTFE puede soportar vibraciones frecuentes y abusos de manipulación moderados. Pero el PTFE no puede funcionar a las mismas altas temperaturas que el grafito y no tiene la misma alta conductividad térmica. La decisión entre grafito y PTFE suele ser una solución de compromiso-entre el rendimiento químico/térmico (grafito) y la robustez mecánica (PTFE).

Resumen
La fragilidad del grafito limita su aplicación a instalaciones sólidas y de baja vibración-, mientras que el PTFE es mucho más tolerante. Los golpes de ariete, las vibraciones y los daños por impacto son verdaderos desafíos para la integridad de los intercambiadores de calor de grafito. Un bloque o tubo fracturado no se puede reparar y, por lo general, es necesario reemplazar la unidad. Por tanto, el entorno mecánico es tan esencial como el entorno químico en la elección del material. La dinámica de las tuberías, los tiempos de actuación de las válvulas, la maquinaria giratoria circundante y los procedimientos de manipulación deben evaluarse adecuadamente antes de especificar un intercambiador de calor de grafito. Si no se puede evitar el choque mecánico, aparte de una falla catastrófica y un tiempo de inactividad imprevisto, se deben considerar materiales resistentes a la corrosión-o un diseño diferente del intercambiador.