Kako se PTFE izmjenjivači koriste za hlađenje vruće slane vode iz geotermalne bušotine?

Bunar izvlači veliki rezervoar vruće, mineralne-sole, korozivne juhe otopljenih soli, silicija i često kiselih plinova, duboko ispod površine. Slanica je jezgra geotermalne elektrane i toplina se mora prenijeti na čisti radni fluid. Korozija i kamenac neprestano napadaju glavni izmjenjivač topline, gdje se prljava, agresivna zemlja susreće s čistim ciklusom napajanja. Fleksibilne, kemijski inertne cijevi PTFE školjke-i-cijevni izmjenjivač su čvrsta, otporna radna snaga za ovu borbu.

Izazov geotermalne slane vode
Geotermalna slana voda nije normalna slana voda. Dolaze iz bunara na temperaturama koje su obično između 100 i 150 stupnjeva (ponekad i toplije) s ukupnim otopljenim čvrstim tvarima (TDS) koje često prelaze 100 000 ppm-deset puta više od slane vode. Slanica sadrži kloride, sulfate, karbonate i teške metale kao što su olovo, cink, arsen. Također su prisutni otopljeni plinovi uključujući ugljični dioksid (CO2), sumporovodik (H2S) i ponekad amonijak, koji stvaraju kiselu okolinu (pH može biti niži od 4 ili niži).

Najštetniji za materijale izmjenjivača topline su:

Ioni klorida mogu uzrokovati rupičasto i korozijsko pucanje nehrđajućeg čelika, pa čak i legura s-niklom.

Otopljeni silicijev dioksid (SiO2): Silicij se taloži dok se slana otopina hladi i stvara čvrst kamenac poput stakla-na površinama za prijenos topline. Ovaj kamenac je vrlo teško ukloniti i brzo izolira izmjenjivač, eliminirajući toplinske performanse.

Sumporovodik : Napada mnoge željezne metale i legure bakra.

Problem sa stvaranjem kamenca na silicijumu je još uvijek vrlo ozbiljan, s obzirom na to da konvencionalni metalni izmjenjivač topline (titan ili superaustenitni nehrđajući čelik) može tolerirati kloride neko vrijeme. Kamenac se stvara na metalnim površinama i zahtijeva redovito kemijsko ili mehaničko čišćenje, što uzrokuje zastoje i eventualno slabljenje metala. Perforacija uskih stijenki cijevi na kraju će se pojaviti čak i uz niske stope korozije. U tom kontekstu, rješenje za hlađenje geotermalne slane vode PTFE izmjenjivača predstavlja radikalnu alternativu.

Kako se PTFE izmjenjivač bori protiv korozije i kamenca
PTFE školjka-i-cijevni izmjenjivač topline obično je dizajniran na takav način da vruća geotermalna slana voda prolazi kroz stranu cijevi, a čista radna tekućina (npr. voda, tekućina organskog Rankineovog ciklusa ili sekundarno rashladno sredstvo) prolazi kroz stranu školjke. PTFE cijevi imaju tipičan vanjski promjer od 5-10 mm i debljinu stijenke od 0,5-1 mm. Izrađeni su od čistog, neispunjenog PTFE-materijala koji je potpuno otporan na kloride, sumporovodik, organske kiseline i cijeli pH raspon (isključujući rastaljene alkalne metale i elementarni fluor).

Otpornost na koroziju
PTFE nema reaktivne kemijske veze koje bi mogli oštetiti organizmi u geotermalnoj slanoj vodi. Ne korodira, ne izlučuje ione metala. PTFE cijevi u geotermalnom radu izdržavaju desetljeća, dok metalne cijevi polako gube debljinu stijenke ili nakon mjeseci ili nekoliko godina dolazi do curenja. Ne postoji mogućnost kloridom-potaknutog korozivnog pucanja, što je uobičajeni način kvara za metalne geotermalne izmjenjivače.

Otpornost na kamenac (nisko trenje)
PTFE ima glatku,-neljepljivu površinu s vrlo niskom površinskom energijom (oko 18 mN/m). To znači da se naslage silicijevog dioksida i drugih minerala (kalcijev karbonat, kalcijev sulfat, metalni sulfidi) neće čvrsto pričvrstiti za stijenke cijevi. Kamenac će vjerojatno ostati kao rastresiti prah ili tanki film koji se lako uklanja, a ne tvrda, izolacijska glazura. Toplinski ciklusi i prirodne vibracije savitljivih cijevi uklanjaju sve naslage. Učinkovitost prijenosa topline PTFE izmjenjivača tako se održava daleko dulje nego kod metalnog izmjenjivača u istoj primjeni.

Fleksibilnost za izdržavanje toplinskih ciklusa
Toplinski ciklusi izmjenjivača topline obično su uzrokovani fluktuacijama u brzini protoka i temperaturi u kojoj rade geotermalne bušotine. PTFE cijevi su također fleksibilne. Šire se i sabijaju s promjenama temperature bez stvaranja pukotina uslijed zamora. Metalne cijevi su krute i podložne cikličkom toplinskom naprezanju na spojevima između cijevi i ploča, što s vremenom dovodi do kvara.

PTFE hladnjak je kemijski inertan, žilav monstrum, koji pije vrelu, slanu zemljanu{0}}vodu i nježno prenosi svoju vatru u ciklus čistog napajanja.

Razmatranja dizajna usluge geotermalne energije
Kako bi se osigurao dugotrajan-pouzdan rad, PTFE izmjenjivač za geotermalnu slanu vodu mora biti izgrađen pomoću sljedećih parametara:

Brzina na strani cijevi
Geotermalna slana voda uvijek sadrži suspendirane krutine (čestice silicija, pijesak, metalne sulfide). Ako je brzina slane vode unutar cijevi premala, čestice će se taložiti što će dovesti do lokalnog stvaranja kamenca i blokiranja protoka. Normalno je propisana minimalna bočna brzina cijevi od 1,5-2,0 m/s kako bi se krute tvari zadržale. Međutim, PTFE ima glatku površinu s malim trenjem i može biti prihvatljiva nešto manja brzina nego kod metalnih cijevi (gdje je erozija problem). Maksimalna brzina je ograničena gubitkom tlaka i korozijom ulaznih krajeva cijevi (iako je PTFE vrlo otporan na eroziju česticama).

Raspored snopa cijevi
PTFE cijevi obično se polažu na trokut kako bi se povećala površina prijenosa topline u određenom promjeru ljuske. Niska toplinska vodljivost PTFE-a (oko 0,25 W/m·K) zahtijeva smanjivanje debljine stijenke (0,5–1,0 mm) kako bi se zadržao zadovoljavajući ukupni koeficijent prijenosa topline. Proširene površine (rebraste cijevi) se ponekad koriste, ali povećana složenost i rizik od onečišćenja na perajama često nadmašuju prednosti. Stoga se koristi velik broj dugih, tankih cijevi kako bi se povećala ukupna površina prijenosa topline.

Radna tekućina za stranu školjke
Radna tekućina na strani školjke mora biti čista i kompatibilna s PTFE-om (većina tekućina jest, osim nekih otapala na visokim temperaturama). Sama školjka može biti izrađena od ugljičnog ili nehrđajućeg čelika iznutra zaštićena PTFE oblogom ili antikorozivnim dodatkom jer školjka nikada ne dolazi u dodir s oštrom slanom vodom.

Granice tlaka i temperature
PTFE izmjenjivači obično su ograničeni na maksimalnu radnu temperaturu od 100-110 stupnjeva za kontinuirani rad, dok određeni iznimni PTFE stupnjevi mogu doseći 120-130 stupnjeva. Ako geotermalna slana voda ulazi na 150 stupnjeva, mora se prethodno ohladiti (npr. miješanjem s recirkuliranom ohlađenom slanom vodom ili pomoću metalnog izmjenjivača prvog stupnja koji radi iznad temperature stvaranja kamenca). Alternativno se slana otopina može ispariti i tekuća slana otopina ohladiti u PTFE izmjenjivaču topline. Za geotermalne izvore niske temperature (100-120 stupnjeva) poželjan je izravni PTFE izmjenjivač.

Napomena o postupku Redovito čišćenje radi uklanjanja kamenca
PTFE će se oduprijeti prianjanju kamenca, ali nijedan izmjenjivač topline koji radi na geotermalnoj slanoj vodi ne može zauvijek ostati čist. Tijekom vremena tanak sloj amorfnog silicijevog dioksida ili drugih minerala može se nastaviti stvarati, posebno u područjima niske brzine. Stoga se preporučuje proaktivan raspored čišćenja:

Visok{0}}mlaz vode pod visokim pritiskom (hidroblast). Mlaz vode od 500–1000 bara (7000–14000 psi) isporučuje se u ulazne otvore cijevi. Tlak vode savija PTFE cijevi i uklanja svaki labav kamenac bez uništavanja materijala cijevi. To se može učiniti s izmjenjivačem na mjestu, pomoću koplja umetnutog s prednje strane cijevne ploče.

Kemijsko ispiranje: strana cijevi ispire se razrijeđenom klorovodičnom ili limunskom kiselinom (s odgovarajućim inhibitorima) kako bi se otopio kamenac karbonata i metalnog sulfida. Silikatni kamenac nije topiv u kiselini i može se otopiti pomoću razrijeđene otopine fluorovodične kiseline (pazite) ili alkalnog sredstva za čišćenje (npr. natrijev hidroksid s kelatnim sredstvom). PTFE je kemijski inertan na te tvari i stoga otopina za čišćenje ne utječe na cijevi. Ali treba zaštititi stranu školjke i brtve.

Mrežno čišćenje (spužvaste kuglice): Obrnutim protokom, kuglice od pjenaste gume nešto veće od unutarnjeg promjera cijevi redovito se pjeskare kroz snop cijevi. Kuglice čiste površine cijevi. Ovo dobro funkcionira s PTFE-om jer ravna površina ne haba niti zahvaća kuglice.

Učestalost čišćenja ovisit će o sadržaju salamure. Mjesečno ispiranje potrebno je za neka geotermalna nalazišta, dok za druga može biti potreban tjedni-mlaz vode pod visokim pritiskom. Glavna prednost PTFE izmjenjivača je da će se nakon čišćenja vratiti gotovo 100% izvorne učinkovitosti prijenosa topline budući da nema trajnog kamenca ili oštećenja od korozije.

Usporedba s metalnim-izmjenjivačima
Značajka Metalni izmjenjivač (npr. titan) PTFE izmjenjivač
Otpornost na koroziju Dobra otpornost na kloride, ali sklona jamičastoj koroziji ispod naslaga ili pri visokim temperaturama Velika; potpuno nepropusna za sve komponente geotermalne slane vode
Prianjanje kamenca silicijevog dioksida Dobro prianjanje Kamenac je krut i izolator Loše prianjanje; kamenac ima tendenciju otkidanja
Poteškoće čišćenja: teško. Kemijsko čišćenje može nagrizati metal. Hidroblastiranje može oštetiti tanke stijenke. Lako; sve tehnike čišćenja su sigurne za PTFE
Toplinska vodljivost Visoka (10-20 W/m·K) Niska (~0,25 W/m·K) - potrebno je dodatno područje
Maximum service temperature >200 stupnjeva Tipično<110°C (continuous)
Cijena po jedinici površine Visoka za titan; srednje za nehrđajući čelik (iako će nehrđajući čelik hrđati) Umjereno do visoko zbog potrebne velike površine
Zastoji zbog održavanja Često, uklanjanje kamenca i popravak Povremeno, uglavnom za rutinsko čišćenje
PTFE izmjenjivač mijenja veći fizički otisak (zbog niže toplinske vodljivosti) za znatno smanjenu koroziju i kvarove kamenca. Ovaj kompromis-je prilično povoljan u mnogim geotermalnim projektima, osobito kada je slana otopina agresivna i ima jako kamenac.

Primjer primjene-u stvarnom svijetu
Geotermalna elektrana s binarnim ciklusom od 10 MW u zapadnim Sjedinjenim Državama koristi resurs od 130 stupnjeva. Slana otopina sadrži 120 000 ppm klorida, 400 ppm silicija i H2S. Prvo je instaliran izmjenjivač-i-cijevi od titana. Nakon šest mjeseci, kamenac od silicijevog dioksida smanjio je koeficijent prijenosa topline za 40% i bilo je potrebno 3 dana isključivanja svakog mjeseca radi čišćenja. U blizini ulaza cijevi uočena je rupičasta korozija.

Tvornica je zamijenila jedinicu od titana s PTFE školjkom i cijevnim izmjenjivačem, povećavajući broj i duljinu cijevi kako bi se postiglo isto opterećenje. Visokotlačni vodeni mlaz, učestalost čišćenja smanjena na jednom svakih 6 mjeseci. Nakon dvije godine rada, PTFE cijevi nisu bile korozirane i bio je prisutan samo minimalan kamenac koji se lako uklanjao. Faktor kapaciteta postrojenja povećan je s 85% na 94% samo smanjenjem vremena zastoja čišćenja.

Zaključak: Inertna plastična snaga Zemlje
PTFE izmjenjivač topline je otporan na koroziju, koji zahtijeva malo održavanja i robusno rješenje za surovo okruženje geotermalne slane vode. Otporan je na vruću, izrazito slanu i kiselu geotermalnu tekućinu, izbjegava tvrdo kamenje silicija svojom neprianjajućom površinom i preživljava toplinske cikluse bez zamora. PTFE izmjenjivač koristi se u jednom od svjetski najodrživijih izvora osnovne energije: geotermalna energija. Kemijski najinertniji polimeri koriste snagu Zemlje. Za operatere geotermalnih postrojenja, odabir PTFE izmjenjivača za hlađenje slanom vodom nije kompromis već promišljena odluka koja donosi isplate u neprekidnom radu, niže troškove održavanja i desetljeća pouzdanog rada.