Como é construído um trocador de calor de grafite em bloco e quais são seus recursos exclusivos de montagem?

Muitos trocadores de calor de grafite são construídos como um único bloco com canais perfurados, assemelhando-se mais a um coletor usinado do que a um feixe de tubos, ao contrário da configuração de-concha-e{2}}de tubos bem conhecida. Esta estrutura apresenta certas vantagens em termos de compactação, mas também restringe o reparo. Em atividades corrosivas, onde o espaço é escasso ou a integridade do vazamento é vital, é necessário conhecimento do processo de construção de trocadores de calor de bloco de grafite para especificar o equipamento adequado.

Construção do núcleo: blocos perfurados cimentados em monólito
O procedimento começa com enormes blocos de grafite impermeável. A grafite torna-se resistente à corrosão pela impregnação da grafite de carbono porosa com resina fenólica ou furânica, de modo a vedar a grafite contra a penetração de fluidos. Os blocos são perfurados com precisão com dois conjuntos de furos perpendiculares, um para o fluido de processo e outro para o fluido de serviço (meio de aquecimento ou resfriamento). Os dois canais de fluido são geralmente perpendiculares entre si, formando ângulos retos e não se cruzam.

Os blocos individuais são então empilhados e cimentados com um cimento resinoso específico. O cimento deve ter o mesmo coeficiente de expansão térmica do grafite e resistência semelhante à corrosão. A pilha forma um núcleo de grafite monolítico após montagem e cura. A pilha de blocos é terminada por coletores (câmaras de distribuição) que são aparafusados ​​nas extremidades, normalmente com juntas, para direcionar o fluido para dentro e para fora dos canais perfurados. Todo este conjunto é então encerrado numa carcaça de aço ou fornecido com revestimentos exteriores.

Recursos especiais de montagem de trocadores de grafite em bloco
Modularidade para dimensionamento
A natureza do design do bloco proporciona modularidade. Vários blocos podem ser empilhados horizontalmente ou verticalmente para melhorar a área de transmissão de calor. Diferentes comprimentos de bloco podem ser usados ​​dentro de um único invólucro, de modo que a tarefa necessária possa ser atendida sem a necessidade de fabricação sob medida. Esta modularidade reduz o inventário de peças sobressalentes, uma vez que um bloco defeituoso pode, teoricamente, ser substituído, embora na realidade a substituição do bloco raramente seja realizada, especialmente quando se consideram complicações de ligação.

Extrema compactação
Todo o volume do bloco é uma superfície ativa de transferência de calor – cada centímetro cúbico possui canais que se cruzam, tornando a unidade extremamente compacta. Sem tubos, defletores ou placas tubulares para ocupar espaço. O trocador de bloco de grafite pode usar 50{3}}70% menos área de piso do que os trocadores de carcaça-e tubos metálicos da mesma função. Essa compacidade é especialmente útil para reformas ou instalações em instalações químicas existentes onde o espaço é escasso.

Eliminação de juntas entre tubos e espelhos
O design do bloco elimina junções de tubo-com{1}}folha de tubo, uma causa comum de vazamentos em trocadores de calor convencionais. Não há extremidades mecanicamente enroladas ou soldadas no tubo. A grafite sólida forma uma barreira entre o processo e os fluidos de serviço. As juntas são usadas exclusivamente no coletor-para-bloquear conexões onde ambos os fluidos estão com pressões diferenciais modestas. Isto minimiza drasticamente os possíveis canais de vazamento e melhora a segurança com fluidos perigosos ou venenosos.

Sem juntas entre fluidos de serviço e de processo
Uma característica importante de segurança do projeto do bloco é que as duas correntes de fluido não são separadas por juntas. O bloco de grafite é uma barreira monolítica contínua. As juntas do coletor podem vazar, mas, como as câmaras do coletor são isoladas, há pouca chance de os fluidos de processo e de serviço ficarem contaminados. Esta propriedade é especialmente valiosa em aplicações onde a mistura dos dois líquidos produziria reações severas ou perda de produto.

A principal limitação é a não{0}}capacidade de reparo
A construção única também apresenta uma grande limitação. Se um bloco fraturar internamente, como resultado de choque térmico, pico de pressão ou estresse mecânico, ele não poderá ser soldado, remendado ou preenchido. As passagens internas não são acessíveis para reparo. Você deve substituir todo o bloco ou toda a pilha de blocos. Na verdade, isso geralmente significa abandonar todo o trocador, pois a substituição de blocos individuais envolve a quebra de juntas coladas e a recolocação de novos blocos, o que raramente é barato.

Em alguns serviços severos, os trocadores de blocos são, na verdade, componentes consumíveis. A resistência aos ciclos de temperatura e à fadiga mecânica rege sua vida. Se forem esperadas fissuras periódicas, numerosas unidades de blocos menores em paralelo podem ser fornecidas para que uma falha não interrompa todo o processo.

Comparação entre trocadores de calor Shell e Tube Graphite
Os trocadores de calor de grafite também são construídos em um projeto de casco-e{1}}tubo, usando tubos de grafite (normalmente de 20 a 50 mm de diâmetro) e folhas de tubo de grafite. A comparação revela as compensações:

Característica: Bloco de grafiteGrafite, casca e tubo
Densidade de fluxo de calorMuito alta (firme)Moderada
Caminhos de vazamento Poucos (sem junções de tubo)Muitos (cada junção de tubo)
Reparabilidade Nenhuma (bloco rachado=substituir) Bom (tubos individuais podem ser conectados ou substituídos)
Pressão máxima de operaçãoMais baixa (geralmente 6–10 bar)Maior (talvez 10-16 bar)
Limpeza/incrustação Orifícios bloqueados mais difíceis de limpar É possível a limpeza mecânica dos tubos
Tarefas típicas Condensação Líquidos monofásicosReboilers, aquecimento, resfriamento
Os trocadores de bloco são frequentemente empregados para atividades de condensação e líquidos monofásicos, onde o choque térmico é efetivamente controlado. Para serviços onde entupimentos, incrustações ou variações de temperatura são mais preocupantes, os sistemas de grafite de casco e tubo são preferidos, uma vez que os tubos individuais podem ser substituídos.

Considerações Práticas para Especificação
Ao considerar a construção de um trocador de calor em bloco de grafite para uma tarefa específica, as seguintes variáveis ​​devem ser consideradas:

Frequência de ciclagem térmica - O aumento da frequência de ciclagem aumenta o risco de trincas. Os designs de blocos adoram correr o tempo todo.

Transientes de pressão - Picos repentinos de pressão (golpe de aríete) podem quebrar blocos. O projeto da tubulação e o alívio de pressão devem estar corretos.

Fluid purity – Ports to blocks are small (usually 6-15 mm diameter). Suspended particles >1–2 mm correm o risco de entupimento, o que não é fácil de ser removido.

Criticidade do serviço - Em um único-processo de treinamento, onde a falha de um trocador causa a interrupção da produção, pode não ser aceitável não ser capaz de reparar unidades de bloco. Unidades redundantes ou outro tipo de construção seriam recomendadas.

Conclusão:
O trocador de calor em bloco de grafite é um projeto especializado de alto desempenho que sacrifica a capacidade de reparo para obter extrema compacidade e menos rotas de vazamento. Sua construção consiste em blocos perfurados empilhados e unidos para formar um núcleo monolítico, proporcionando grande densidade de transferência de calor e sem conexões de tubo-a{2}}tubo. Mas um bloco rachado não pode ser consertado, ele deve ser totalmente substituído. O estilo de construção deve ser consistente com a filosofia de manutenção e a criticidade do serviço. O grafite em bloco é uma solução elegante e que economiza espaço para atividades monofásicas, contínuas, limpas e com baixo choque térmico. Para serviços severos ou relacionados-à segurança, onde a reparabilidade é importante, outros materiais ou grafite-e{9}}tubo podem ser mais adequados.