熱傳導(dǎo)
石墨材料的高導(dǎo)熱性(導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá) 100~150 W/(m?K))是高效傳熱的基礎(chǔ),其層狀結(jié)構(gòu)允許電子沿平面方向快速傳導(dǎo)熱量。
壁面厚度影響熱阻:厚度增加會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)熱阻增大,需在強(qiáng)度和傳熱效率間平衡。
對(duì)流傳熱
管程(內(nèi)部通道)通常走冷卻介質(zhì)(如水),殼程(外部空間)走高溫氣體(如 HCl、水蒸氣)。
相變傳熱
當(dāng)殼程氣體冷凝時(shí)(如蒸汽冷凝為液體),釋放汽化潛熱,其傳熱量遠(yuǎn)高于顯熱傳遞(單位質(zhì)量潛熱通常為顯熱的數(shù)十倍)。
冷凝液膜厚度影響傳熱:液膜過厚會(huì)形成熱阻,需通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)(如設(shè)置折流板)促進(jìn)液膜流動(dòng)。
殼程流體分布不均會(huì)導(dǎo)致局部傳熱效率下降(如 “死體積” 區(qū)域),可通過合理設(shè)計(jì)入口結(jié)構(gòu)、折流板間距和數(shù)量改善。
管程流體若存在偏流,會(huì)造成部分管道過載、部分閑置,影響整體性能。
耐腐蝕性
灰分含量高的石墨易被氧化,需選用高純度石墨(純度>99%)。
熔融堿、強(qiáng)氧化性酸(如濃硝酸)可能腐蝕石墨,需謹(jǐn)慎選型。
石墨的化學(xué)惰性使其適用于強(qiáng)腐蝕環(huán)境(如酸性氣體冷凝),但需注意:
力學(xué)性能
石墨的抗壓強(qiáng)度較高(100~300 MPa),但抗折強(qiáng)度較低(10~30 MPa),需避免設(shè)備受沖擊或振動(dòng)導(dǎo)致開裂。
溫度變化會(huì)引起石墨熱膨脹(線膨脹系數(shù)約 1~2×10??/℃),若設(shè)計(jì)中未考慮熱補(bǔ)償(如膨脹節(jié)),可能因熱應(yīng)力導(dǎo)致泄漏。
滲透性
石墨的多孔結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致介質(zhì)滲透,需通過樹脂浸漬(如酚醛樹脂)填充孔隙,提高致密性(滲透率<10?? cm/s)。
溫度與壓力
石墨管程設(shè)計(jì)壓力一般≤0.6 MPa,殼程≤0.3 MPa(取決于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度),超壓可能導(dǎo)致管束變形或連接處泄漏。
石墨的耐溫性通常為 - 200~170℃(樹脂浸漬型),超過此范圍可能導(dǎo)致樹脂碳化或材料脆化。
冷卻介質(zhì)溫度過低可能引起殼程氣體冷凝液結(jié)晶(如硫酸霧冷凝后結(jié)晶),堵塞通道。
操作溫度:
操作壓力:
介質(zhì)特性
氣體中若含顆粒雜質(zhì)(如粉塵、鐵銹),可能磨損石墨管壁或堵塞通道,需設(shè)置預(yù)過濾裝置。
高黏度冷凝液(如重油)流動(dòng)阻力大,需降低殼程流速或增大管徑。
污垢熱阻
長(zhǎng)期運(yùn)行后,石墨壁面可能形成污垢層(如水垢、聚合物),其熱阻遠(yuǎn)高于石墨(水垢熱阻約 1~5 m2?K/W),需定期清洗(如化學(xué)清洗、機(jī)械刮除)。
管束布置
采用同心圓排列或正方形排列:前者傳熱面積大,后者便于機(jī)械清洗。
管間距影響殼程流速和壓降:間距過小易導(dǎo)致流動(dòng)死區(qū),過大則降低傳熱效率。
折流板與支撐板
折流板引導(dǎo)殼程流體橫向沖刷管束,增強(qiáng)湍流程度(提高h),但間距過密會(huì)增加壓降。
支撐板防止管束振動(dòng),需根據(jù)跨度和流體流速計(jì)算間距(跨度一般≤3 m)。
進(jìn)出口結(jié)構(gòu)
采用漸擴(kuò) / 漸縮管減少流體沖擊損失,殼程入口設(shè)置防沖擋板避免高速氣流沖刷石墨管。
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