Kaip PTFE keitikliai naudojami karštam sūrymui iš geoterminio gręžinio aušinimui?

Šulinys išlieja didžiulį karšto, mineralinio-sūrymo rezervuarą, ėsdinančią ištirpusių druskų, silicio dioksido ir dažnai rūgščių dujų sriubą giliai po paviršiumi. Sūrymas yra geoterminės elektrinės šerdis ir šiluma turi būti perduota į švarų darbinį skystį. Korozija ir apnašos nuolat atakuoja pagrindinį šilumokaitį, kur nešvari, agresyvi žemė susitinka su švarios energijos ciklu. Lankstūs, chemiškai inertiški PTFE apvalkalo{4}}ir

Geoterminio sūrymo iššūkis
Geoterminis sūrymas nėra įprastas sūrus vanduo. Jie gaunami iš šulinių, kurių temperatūra paprastai yra nuo 100 laipsnių iki 150 laipsnių (kartais karštesnė), o bendras ištirpusių kietųjų dalelių kiekis (TDS) dažnai viršija 100 000 ppm{5}} dešimt kartų daugiau nei sūriame vandenyje. Sūryme yra chloridų, sulfatų, karbonatų ir sunkiųjų metalų, tokių kaip švinas, cinkas, arsenas. Taip pat yra ištirpusių dujų, įskaitant anglies dioksidą (CO2), vandenilio sulfidą (H2S) ir kartais amoniaką, kurios sukuria rūgštinę aplinką (pH gali būti iki 4 ar žemiau).

Labiausiai kenksmingos šilumokaičio medžiagoms yra šios:

Chlorido jonai gali sukelti nerūdijančio plieno ir net didelio -nikelio lydinių įtrūkimus dėl įtempių korozijos.

Ištirpęs silicio dioksidas (SiO2): silicio dioksidas nusėda, kai sūrymas vėsta, ir ant šilumą perduodančių paviršių susidaro kietos, panašios į stiklą nuosėdos. Šią apnašą labai sunku pašalinti ir ji greitai izoliuoja šilumokaitį, pašalindama šilumines savybes.

Vandenilio sulfidas: atakuoja daugelį juodųjų metalų ir vario lydinių.

Silicio dioksido nuosėdų susidarymo problema vis dar yra labai rimta, atsižvelgiant į tai, kad įprastas metalinis šilumokaitis (titanas arba superaustenitinis nerūdijantis plienas) tam tikrą laiką gali toleruoti chloridus. Ant metalinių paviršių susidaro apnašos, todėl jas reikia reguliariai valyti cheminiu ar mechaniniu būdu, dėl to atsiranda prastovos ir galiausiai metalas susilpnėja. Siaurų vamzdžių sienelių perforacija ilgainiui įvyks net esant mažam korozijos greičiui. Šiame kontekste PTFE šilumokaičio geoterminio sūrymo aušinimo sprendimas yra radikali alternatyva.

Kaip PTFE mainai kovoja su korozija ir pleiskanojimu
PTFE apvalkalo{0}}ir vamzdžio Tipiškas PTFE vamzdžių išorinis skersmuo yra 5-10 mm, o sienelės storis – 0,5–1 mm. Jie gaminami iš gryno, neužpildyto PTFE – medžiagos, kuri yra visiškai atspari chloridams, vandenilio sulfidui, organinėms rūgštims ir visam pH diapazonui (išskyrus išlydytus šarminius metalus ir elementinį fluorą).

Atsparumas korozijai
PTFE neturi reaktyvių cheminių jungčių, kurias galėtų pažeisti organizmai geoterminiame sūryme. Jis nerūdija, neduobės ir neišplauna metalo jonų. Geoterminio veikimo PTFE vamzdžiai atlaiko dešimtmečius, o metaliniai vamzdžiai lėtai praranda sienelių storį arba po kelių mėnesių ar kelerių metų atsiranda skylių nuotėkis. Nėra galimybės chloro -sukeltam įtempių korozijos įtrūkimui, kuris yra įprastas metalinių geoterminių šilumokaičių gedimo būdas.

Atsparumas masteliui (maža trintis)
PTFE paviršius yra lygus, -nelipnus, o paviršiaus energija labai maža (apie 18 mN/m). Tai reiškia, kad silicio dioksido nuosėdos ir kitos mineralinės nuosėdos (kalcio karbonatas, kalcio sulfatas, metalų sulfidai) tvirtai neprisilies prie vamzdžio sienelių. Tikėtina, kad apnašos išliks birios pudros arba plonos, lengvai pašalinamos plėvelės, o ne kietos izoliacinės glazūros pavidalu. Šiluminis ciklas ir natūrali lanksčių vamzdelių vibracija pašalina visas prilipusias nuosėdas. Taigi PTFE šilumokaičio šilumos perdavimo efektyvumas išlaikomas daug ilgiau nei metalo šilumokaičio, naudojant tą patį panaudojimą.

Lankstumas atlaikyti šiluminį ciklą
Šilumokaičio šiluminį ciklą dažniausiai sukelia srauto greičio ir temperatūros, kurioje veikia geoterminiai gręžiniai, svyravimai. PTFE vamzdžiai taip pat yra lankstūs. Jie plečiasi ir suspaudžiami keičiantis temperatūrai, nesukeldami nuovargio įtrūkimų. Metaliniai vamzdžiai yra standūs ir yra cikliškai veikiami šiluminio įtempimo vamzdžių ir lakštų sandūrose, todėl laikui bėgant jie sugenda.

PTFE aušintuvas yra chemiškai inertiškas, kietas monstras, geriantis degantį sūrų žemės-vandenį ir švelniai perduodantis ugnį į švarios energijos ciklą.

Geoterminės energijos paslaugos projektavimo svarstymai
Kad būtų užtikrintas patikimas ilgalaikis{0}}perdirbimas, geoterminio sūrymo PTFE šilumokaitį reikia pastatyti naudojant šiuos parametrus:

Greitis vamzdžio pusėje
Geoterminiame sūryme visada yra suspenduotų kietųjų dalelių (silicio dalelių, smėlio, metalų sulfidų). Jei sūrymo greitis vamzdeliuose yra per mažas, dalelės nusės, o tai sukels vietinį apnašų susidarymą ir srauto blokavimą. Paprastai minimalus vamzdžio šoninis greitis yra 1,5–2,0 m/s, kad kietosios medžiagos būtų įtrauktos. Tačiau PTFE paviršius yra lygus ir trintis, o greitis yra šiek tiek mažesnis nei metalinių vamzdžių (kur erozija kelia nerimą) gali būti priimtinas. Didžiausią greitį riboja slėgio praradimas ir vamzdžio įvesties galų korozija (nors PTFE yra labai atsparus dalelių erozijai).

Vamzdžių ryšulio išdėstymas
PTFE vamzdžiai paprastai yra išdėstyti trikampiu žingsniu, kad būtų maksimaliai padidintas šilumos perdavimo plotas tam tikrame korpuso skersmenyje. Dėl mažo PTFE šilumos laidumo (apie 0,25 W/m·K) būtina sumažinti sienelės storį (0,5–1,0 mm), kad būtų išlaikytas patenkinamas bendras šilumos perdavimo koeficientas. Kartais naudojami pailginti paviršiai (vamzdžiai su pelekais), tačiau padidėjęs sudėtingumas ir rizika, kad pelekai užsiterš, dažnai nusveria naudą. Todėl, siekiant maksimaliai padidinti bendrą šilumos perdavimo plotą, naudojama daug ilgų, plonų vamzdžių.

Darbinis skystis korpuso pusei
Darbinis skystis korpuso pusėje turi būti švarus ir suderinamas su PTFE (dauguma skysčių, išskyrus kai kuriuos tirpiklius, yra aukštoje temperatūroje). Pats korpusas gali būti pagamintas iš anglies arba nerūdijančio plieno, iš vidaus apsaugotas PTFE pamušalu arba atsparumu korozijai, nes korpusas niekada nesiliečia su atšiauriu sūrymu.

Slėgio ir temperatūros ribos
Nepertraukiamai eksploatuojant PTFE šilumokaičių maksimali darbinė temperatūra paprastai ribojama iki 100-110 laipsnių, o kai kurios išskirtinės PTFE klasės gali siekti 120-130 laipsnių. Jei geoterminis sūrymas patenka į 150 laipsnių, jis turi būti iš anksto atšaldytas (pvz., sumaišant su recirkuliuojamu aušinamu sūrymu arba naudojant pirmos pakopos metalinį šilumokaitį, kuris veikia virš skalės temperatūros). Arba sūrymas gali būti išpūstas iki garų, o skystas sūrymas aušinamas PTFE šilumokaityje. Žemos temperatūros geoterminiams ištekliams (100-120 laipsnių) pirmenybė teikiama tiesioginiam PTFE šilumokaičiui.

Procesas Pastaba Reguliarus valymas, siekiant pašalinti apnašas
PTFE bus atsparus nuosėdų sukibimui, bet joks šilumokaitis, veikiantis geoterminiu sūrymu, negali likti švarus amžinai. Laikui bėgant gali toliau kauptis plonas amorfinio silicio dioksido ar kitų mineralų sluoksnis, ypač mažo greičio regionuose. Todėl rekomenduojamas aktyvus valymo grafikas:

Aukšto{0}}slėgio vandens srovė (hidroblastavimas). Į vamzdžio įleidimo angas tiekiama 500–1 000 barų (7 000–14 000 psi) vandens srovė. Vandens slėgis sulenkia PTFE vamzdžius ir pašalina visas laisvas apnašas, nepažeisdamas vamzdžio medžiagos. Tai galima padaryti, kai šilumokaitis yra vietoje, naudojant vamzdžio lakšto paviršių įkištą įtvarą.

Cheminis plovimas: mėgintuvėlio pusė nuplaunama praskiesta druskos arba citrinos rūgštimi (su tinkamais inhibitoriais), kad ištirptų karbonatas ir metalo sulfido nuosėdos. Silicio dioksido nuosėdos netirpsta rūgštyje ir gali būti ištirpintos praskiestu vandenilio fluorido tirpalu (saugokitės) arba šarminiu valikliu (pvz., natrio hidroksidu su kompleksonu). PTFE yra chemiškai inertiškas šioms medžiagoms, todėl valymo tirpalas neveikia vamzdelių. Tačiau reikia apsaugoti korpuso pusę ir tarpiklius.

Internetinis valymas (kempinės rutuliai): keičiant srautą, putplasčio gumos rutuliai, šiek tiek didesni už vamzdžio vidinį skersmenį, reguliariai prapučiami per vamzdelio pluoštą. Kamuoliukai valo vamzdžių paviršius. Tai gerai veikia su PTFE, nes plokščias paviršius nebraižo ir neužkabina kamuoliukų.

Valymo dažnumas priklausys nuo sūrymo kiekio. Kai kurias geotermines vietas būtina nuplauti kas mėnesį, o kitose gali prireikti kassavaitinio aukšto{1} slėgio vandens srovės. Pagrindinis PTFE šilumokaičio privalumas yra tas, kad po valymo beveik 100% pradinės šilumos perdavimo charakteristikos bus atkurtos, nes nėra nuolatinių apnašų ar korozijos pažeidimų.

Palyginimas su metalo{0}}keitikliais
Funkcinis metalo keitiklis (pvz., titano) PTFE keitiklis
Atsparumas korozijai Geras atsparumas chloridams, bet linkęs į duobes po nuosėdomis arba esant aukštai temperatūrai Puikus; visiškai nepralaidus visiems geoterminio sūrymo komponentams
Silicio dioksido apnašų sukibimasGeras sukibimas. Svarstyklės yra standžios ir izoliuojančiosPrastas sukibimas; apnašos linkusios nutrūkti
Valymo sunkumas: sunkus. Cheminis valymas gali sugadinti metalą. Hidroblastavimas gali pažeisti plonas sienas. Lengva; visi valymo būdai yra saugūs PTFE
Šilumos laidumas didelis (10-20 W/m·K) Žemas (~0,25 W/m·K) – reikia papildomo ploto
Maximum service temperature >200 laipsnių paprastai<110°C (continuous)
Kaina už ploto vienetąDidelė titano; vidutinė nerūdijančiam plienui (nors nerūdijantis plienas rūdys) Nuo vidutinio iki didelio, nes reikia didelio ploto
Priežiūros prastovos Dažnas, kalkių šalinimas ir taisymas Retkarčiais, dažniausiai įprastiniam valymui
PTFE šilumokaičiui tenka didesnis fizinis pėdsakas (dėl mažesnio šilumos laidumo), todėl labai sumažėja korozija ir masto gedimai. Šis kompromisas- yra gana palankus daugelyje geoterminių projektų, ypač kai sūrymas yra agresyvus ir smarkiai besikeičiantis.

Realaus{0}}pasaulio taikymo pavyzdys
10 MW geoterminė dvejetainio ciklo jėgainė Vakarų JAV naudoja 130 laipsnių išteklius. Sūryme yra 120 000 ppm chloridų, 400 ppm silicio dioksido ir H2S. Pirmiausia buvo sumontuotas titano apvalkalas-ir-vamzdis. Po šešių mėnesių silicio dioksido skalė sumažino šilumos perdavimo koeficientą 40% ir kiekvieną mėnesį valymui reikėjo išjungti 3 dienas. Netoli vamzdžių įleidimo angų buvo pastebėta taškinė korozija.

Gamykla titano bloką pakeitė PTFE apvalkalu ir vamzdžių keitikliu, padidindama vamzdžių skaičių ir ilgį, kad būtų pasiektas toks pat darbo krūvis. Aukšto slėgio vandens srove, valymo dažnis iki 1 kartą per 6 mėnesius Po dvejų metų eksploatavimo PTFE vamzdeliai buvo be korozijos ir buvo tik minimalios apnašos, kurios buvo lengvai pašalintos. Gamyklos pajėgumo koeficientas buvo padidintas nuo 85 % iki 94 % tik sumažinus valymo prastovos laiką.

Išvada: inertiška plastikinė žemės galia
PTFE šilumokaitis yra atsparus korozijai, mažai priežiūros reikalaujantis ir tvirtas sprendimas atšiaurioje geoterminio sūrymo aplinkoje. Jis atsparus karštam, itin druskingam ir rūgštiniam geoterminiam skysčiui, išvengia kieto silicio dioksido nuosėdų dėl savo nepridegančiu paviršiumi ir be nuovargio išlaiko terminius ciklus. PTFE šilumokaitis naudojamas viename tvariausių bazinės apkrovos energijos šaltinių pasaulyje: geoterminėje enerijoje. Chemiškai inertiškiausi polimerai naudoja Žemės galią. Geoterminių elektrinių operatoriams PTFE šilumokaičio pasirinkimas sūrymu aušinimui yra ne kompromisas, o apgalvotas sprendimas, kuris duoda naudos per veikimo laiką, mažesnes priežiūros išlaidas ir dešimtmečius trunkantį patikimą veikimą.