Kā PTFE apmainītājus izmanto karstā sālījuma atdzesēšanai no ģeotermālās akas?

Aka dziļi zem virsmas piesit milzīgu, applaucoši karstu, minerālu-piesātinātu sālījumu, kodīgu zupu ar izšķīdušiem sāļiem, silīcija dioksīdu un bieži vien skābām gāzēm. Sālījums ir ģeotermālās spēkstacijas kodols, un siltums jānodod tīram darba šķidrumam. Korozija un zvīņošanās pastāvīgi uzbrūk galvenajam siltummainim, kur netīra, agresīva zeme satiekas ar tīras jaudas ciklu. Elastīgās, ķīmiski inertās PTFE apvalka-un-caurules apmaiņas caurules ir izturīgs, izturīgs darba zirgs šai cīņai.

Ģeotermālā sālsūdens izaicinājums
Ģeotermiskais sālījums nav parasts sālsūdens. Tie nāk no akām, kuru temperatūra parasti ir no 100 grādiem līdz 150 grādiem (reizēm karstāka), un kopējais izšķīdušo cieto vielu daudzums (TDS) bieži pārsniedz 100 000 ppm{5}}desmit reizes vairāk nekā sālsūdens. Sālījumā ir hlorīdi, sulfāti, karbonāti un smagie metāli, piemēram, svins, cinks, arsēns. Ir arī izšķīdušas gāzes, tostarp oglekļa dioksīds (CO2), sērūdeņradis (H2S) un dažreiz amonjaks, kas rada skābu vidi (pH var būt pat 4 vai zemāka).

Visvairāk kaitīgie siltummaiņa materiāli ir:

Hlorīda joni var izraisīt nerūsējošā tērauda un pat augsta -niķeļa sakausējumu punktveida un sprieguma korozijas plaisāšanu.

Izšķīdināts silīcija dioksīds (SiO2): sālījumam atdziestot, silīcija dioksīds izgulsnējas un uz siltuma pārneses virsmām veido cietu, stiklam līdzīgu nogulsnēšanos. Šo skalu ir ļoti grūti noņemt, un tā ātri izolē siltummaini, novēršot siltuma veiktspēju.

Sērūdeņradis: uzbrūk daudziem melnajiem metāliem un vara sakausējumiem.

Silīcija dioksīda mērogošanas problēma joprojām ir ļoti nopietna, ņemot vērā, ka parasts metāla siltummainis (titāna vai superaustenīta nerūsējošais tērauds) kādu laiku var izturēt hlorīdus. Uz metāla virsmām veidojas katlakmens, un tiem nepieciešama regulāra ķīmiska vai mehāniska tīrīšana, kas izraisa dīkstāves un iespējamu metāla vājināšanos. Šauru cauruļu sienu perforācija galu galā notiks pat ar zemu korozijas līmeni. Šajā kontekstā PTFE siltummaiņa ģeotermālā sālsūdens dzesēšanas risinājums ir radikāla alternatīva.

Kā PTFE siltummainis cīnās pret koroziju un mērogošanu
PTFE apvalka-un-caurules siltummainis parasti ir konstruēts tā, lai karstais ģeotermiskais sālījums iziet cauri caurules pusei, bet tīrs darba šķidrums (piemēram, ūdens, organiskais Rankine cikla šķidrums vai sekundārais dzesēšanas šķidrums) iet caur korpusa pusi. PTFE cauruļu tipiskais ārējais diametrs ir 5-10 mm un sieniņu biezums 0,5–1 mm. Tie ir izgatavoti no neapstrādāta, nepildīta PTFE — materiāla, kas ir pilnībā izturīgs pret hlorīdiem, sērūdeņradi, organiskajām skābēm un visu pH diapazonu (izņemot kausētos sārmu metālus un elementāro fluoru).

Izturība pret koroziju
PTFE nav reaktīvu ķīmisku saišu, ko varētu sabojāt ģeotermiskā sālījumā esošie organismi. Tas nerūsē, nekaitē un neizskalo metāla jonus. PTFE caurules ģeotermiskajā darbībā iztur gadu desmitus, savukārt metāla caurules lēnām zaudē sieniņu biezumu vai pēc mēnešiem vai dažiem gadiem veido caurumu noplūdes. Nav iespējama hlorīda -izraisīta sprieguma korozijas plaisāšana, kas ir izplatīts metāla ģeotermālo siltummaiņu atteices veids.

Mēroga pretestība (zema berze)
PTFE ir gluda, -nepiedegoša virsma ar ļoti zemu virsmas enerģiju (apmēram 18 mN/m). Tas nozīmē, ka silīcija dioksīda nogulsnes un citas minerālu nogulsnes (kalcija karbonāts, kalcija sulfāts, metālu sulfīdi) nepiestiprināsies stingri pie caurules sieniņām. Visticamāk, kaļķakmens paliks kā birstošs pulveris vai plāna, viegli noņemama plēve, nevis cieta, izolējoša glazūra. Siltuma cikls un elastīgo cauruļu dabiskā vibrācija atslāņo visus pielipušos nogulsnes. Tādējādi PTFE siltummaiņa siltuma pārneses efektivitāte tiek saglabāta daudz ilgāk nekā metāla apmaiņas efektivitāte tajā pašā pielietojumā.

Elastība, lai izturētu termisko ciklu
Siltummaiņa termisko ciklu parasti izraisa plūsmas ātruma un temperatūras svārstības, kurās darbojas ģeotermālās akas. PTFE caurules ir arī elastīgas. Tie izplešas un saspiežas, mainoties temperatūrai, neradot noguruma plaisas. Metāla caurules ir stingras un ir pakļautas cikliskam termiskam spriegumam cauruļu savienojumos ar caurulēm, kas laika gaitā izraisa bojājumus.

PTFE dzesētājs ir ķīmiski inerts, izturīgs briesmonis, kas dzer applaucējošu, sāļo zemes{0}}ūdeni un maigi nodod savu uguni tīras enerģijas ciklam.

Ģeotermālās enerģijas pakalpojuma projektēšanas apsvērumi
Lai nodrošinātu uzticamu ilgtermiņa darbību, PTFE siltummainis ģeotermālajam sālījumam ir jāveido, izmantojot šādus parametrus:

Ātrums caurules pusē
Ģeotermiskais sālījums vienmēr satur suspendētās cietās vielas (silīcija dioksīda daļiņas, smiltis, metālu sulfīdus). Ja sālījuma ātrums caurulēs ir pārāk mazs, daļiņas nogulsnēsies, izraisot lokālu mērogošanu un plūsmas bloķēšanu. Parasti minimālais caurules sānu ātrums ir 1,5–2,0 m/s, lai saglabātu cieto vielu aiznesšanu. Tomēr PTFE ir gluda virsma ar nelielu berzi un nedaudz mazāks ātrums nekā metāla caurulēm (kur erozija rada bažas), var būt pieņemams. Maksimālo ātrumu ierobežo spiediena zudumi un cauruļu ievades galu korozija (lai gan PTFE ir ļoti izturīgs pret daļiņu eroziju).

Cauruļu komplekta izkārtojums
PTFE caurules parasti tiek izliktas trīsstūra solī, lai palielinātu siltuma pārneses laukumu noteiktā apvalka diametrā. PTFE zemā siltumvadītspēja (apmēram 0,25 W/m·K) liek samazināt sienas biezumu (0,5–1,0 mm), lai saglabātu apmierinošu kopējo siltuma pārneses koeficientu. Dažkārt tiek izmantotas pagarinātas virsmas (caurules ar spurām), taču palielinātā sarežģītība un spuru piesārņojuma risks bieži vien pārsniedz ieguvumus. Tāpēc tiek izmantots liels skaits garu, plānu cauruļu, lai maksimāli palielinātu kopējo siltuma caurlaidības laukumu.

Darba šķidrums korpusa pusei
Darba šķidrumam korpusa pusē jābūt tīram un saderīgam ar PTFE (vairums šķidrumu, izņemot dažus šķīdinātājus, ir augstā temperatūrā). Pats apvalks var būt izgatavots no oglekļa vai nerūsējošā tērauda, ​​kas iekšēji aizsargāts ar PTFE oderi vai korozijas pielaidi, jo apvalks nekad nesaskaras ar skarbo sālījumu.

Spiediena un temperatūras ierobežojumi
PTFE siltummaiņu maksimālā darba temperatūra parasti ir ierobežota līdz 100-110 grādiem nepārtrauktai darbībai, savukārt noteiktas izņēmuma kategorijas PTFE var sasniegt 120-130 grādus. Ja ģeotermiskais sālījums ieplūst 150 grādu temperatūrā, tas ir iepriekš jāatdzesē (piem., sajaucot ar recirkulētu atdzesētu sālījumu vai ar pirmās pakāpes metāla siltummaini, kas darbojas virs mērogošanas temperatūras). Alternatīvi sālījumu var pārtvaicēt un šķidro sālījumu atdzesēt PTFE siltummainī. Zemas temperatūras ģeotermālajiem resursiem (100-120 grādi) priekšroka tiek dota tiešajam PTFE siltummainim.

Process Piezīme Regulāra tīrīšana, lai noņemtu nogulsnes
PTFE izturēs katlakmens saķeri, taču neviens siltummainis, kas darbojas ar ģeotermālo sālījumu, nevar palikt tīrs mūžīgi. Laika gaitā var turpināt uzkrāties plāns amorfā silīcija dioksīda vai citu minerālu slānis, īpaši zema ātruma reģionos. Tāpēc ieteicams veikt aktīvu tīrīšanas grafiku:

Augstspiediena{0}}ūdens strūklas (hidrostrūklas apstrāde). Caurules ieplūdes atverēs tiek ievadīta ūdens strūkla ar spiedienu 500–1000 bāri (7000–14000 psi). Ūdens spiediens saliec PTFE caurules un atbrīvo no tās vaļīgās nogulsnes, nesabojājot caurules materiālu. To var izdarīt, kad siltummainis atrodas vietā, izmantojot lanceti, kas ievietota no caurules loksnes virsmas.

Ķīmiskā skalošana: mēģenes pusi skalo ar atšķaidītu sālsskābi vai citronskābi (ar atbilstošiem inhibitoriem), lai izšķīdinātu karbonātu un metālu sulfīda nogulsnes. Silīcija dioksīds nešķīst skābē, un to var izšķīdināt, izmantojot atšķaidītu fluorūdeņražskābes šķīdumu (uzmanieties) vai sārmainu tīrīšanas līdzekli (piemēram, nātrija hidroksīdu ar helātu veidojošu līdzekli). PTFE ir ķīmiski inerts pret šīm vielām, un tāpēc tīrīšanas šķīdums neietekmē caurules. Bet korpusa puse un blīves ir jāaizsargā.

Tiešsaistes tīrīšana (sūkļa bumbiņas): mainot plūsmu, putu gumijas lodītes, kas ir nedaudz lielākas par caurules iekšējo diametru, tiek regulāri izpūstas cauri cauruļu saišķim. Bumbiņas attīra caurules virsmas. Tas labi darbojas ar PTFE, jo plakanā virsma nenoberž vai neaizķer bumbiņas.

Tīrīšanas biežums būs atkarīgs no sālījuma satura. Dažām ģeotermālajām vietām ir nepieciešama ikmēneša skalošana, savukārt citās vietās var būt nepieciešama iknedēļas augsta spiediena{1}}ūdens strūkla. PTFE siltummaiņa galvenā priekšrocība ir tā, ka pēc tīrīšanas gandrīz 100% no sākotnējās siltuma pārneses tiks atjaunotas, jo nav paliekošu katlakmens vai korozijas bojājumu.

Salīdzinājums ar metāla{0}}maiņiem
Funkcija Metāla apmaiņas (piemēram, titāna) PTFE apmaiņas ierīce
Izturība pret koroziju Laba noturība pret hlorīdiem, bet ir tendence uz bedrēm zem nosēdumiem vai augstā temperatūrā Lieliski; pilnīgi necaurlaidīgs pret visām ģeotermālā sālījuma sastāvdaļām
Silīcija dioksīda skalas adhēzijaLaba adhēzija Mērogs ir stingrs un izolē Slikta saķere; skala mēdz nolūzt
Tīrīšanas grūtības: grūti. Ķīmiskā tīrīšana var izraisīt metāla koroziju. Hidroblastēšana var kaitēt plānām sienām. Viegli; visas tīrīšanas metodes ir drošas attiecībā uz PTFE
Siltumvadītspēja augsta (10-20 W/m·K) zema (~0,25 W/m·K) — nepieciešama papildu platība
Maximum service temperature >200 grādi Parasti<110°C (continuous)
Cena par platības vienībuAugsta titānam; vidēja nerūsējošajam tēraudam (lai gan nerūsējošais tērauds rūsēs) Vidējs līdz augsts, jo nepieciešams liels laukums
Apkopes dīkstāve Bieža, atkaļķošana un remonts Reizēm, galvenokārt ikdienas tīrīšanai
PTFE siltummainis rada lielāku fizisko nospiedumu (jo samazina siltumvadītspēju), lai ievērojami samazinātu koroziju un katlakmens bojājumus. Šis kompromiss-ir diezgan labvēlīgs daudzos ģeotermālajos projektos, jo īpaši, ja sālījums ir gan agresīvs, gan stipri zvīņojošs.

Reālas{0}}pasaules lietojumprogrammas piemērs
10 MW ģeotermālā binārā cikla spēkstacija ASV rietumos izmanto 130 grādu resursus. Sālījumā ir 120 000 ppm hlorīdu, 400 ppm silīcija dioksīda un H2S. Vispirms tika uzstādīts titāna apvalka-un-caurules siltummainis. Pēc sešiem mēnešiem silīcija dioksīda skala samazināja siltuma pārneses koeficientu par 40%, un tīrīšanai katru mēnesi bija nepieciešams 3 dienas. Cauruļu ieplūdes atveru tuvumā tika novērota punktveida korozija.

Rūpnīca aizstāja titāna bloku ar PTFE apvalku un cauruļu apmainītāju, palielinot cauruļu skaitu un garumu, lai sasniegtu tādu pašu darba slodzi. Augstspiediena ūdens strūkla, tīrīšanas biežums līdz 1 reizi 6 mēnešos Pēc divu gadu darbības PTFE caurulēm nebija korozijas, un tajā bija tikai minimāls katlakmens, kas tika viegli noņemts. Rūpnīcas jaudas koeficients tika palielināts no 85% līdz 94%, tikai samazinot tīrīšanas dīkstāves laiku.

Secinājums: Zemes inertais plastmasas spēks
PTFE siltummainis ir izturīgs pret koroziju, zemas apkopes un izturīgs risinājums skarbajai ģeotermālā sālsūdens mērogošanas videi. Tas iztur karstu, īpaši sāļu un skābu ģeotermālo šķidrumu, novērš cietā silīcija dioksīda nogulsnēšanos ar savu nepiedegošo virsmu un iztur termiskos ciklus bez noguruma. PTFE siltummainis tiek izmantots vienā no pasaulē ilgtspējīgākajiem bāzes slodzes enerģijas avotiem: ģeotermālajā enerģijā. Ķīmiski inertākie polimēri izmanto Zemes spēku. Ģeotermālo iekārtu operatoriem PTFE siltummaiņa izvēle sālsūdens dzesēšanai nav kompromiss, bet gan apzināts lēmums, kas nodrošina atdevi darbspējas laikā, zemākas uzturēšanas izmaksas un gadu desmitiem ilgu uzticamu darbību.