Kaip PTFE šilumokaitis atsparus silicio dioksido nuosėdoms, kai šildomas geoterminiu sūrymu?
Palik žinutę
Geoterminio sūrymo iššūkis
Geoterminiuose sūrymuose, išgautuose iš gilių šulinių, yra ištirpusio silicio dioksido, kurio koncentracija yra 500{2}}1500 ppm – daug didesnė už soties ribą paviršiaus temperatūroje. Kai sūrymas yra šildomas arba aušinamas per šilumokaitį, silicio dioksidas nusėda kaip amorfinis silicio dioksidas ant šilumos perdavimo paviršių. Apnašos yra stiklinės, kietos ir ypač sunkiai pašalinamos. Jis izoliuoja vamzdžius, sumažina šilumos išeigą ir galiausiai reikalauja mechaninio pašalinimo arba visiško šilumokaičio pakeitimo.
Geoterminių įrenginių metaliniai šilumokaičiai patiria silicio dioksido nuosėdas per kelias savaites ar mėnesius. Nuosėdos prie metalo oksido paviršiaus jungiasi per siloksano (Si-O-Si) cheminius ryšius-tokius pačius ryšius, kurie kartu laiko stiklą. Suklijuotos nuosėdos negali būti ištirpintos rūgštiniu ar šarminiu valymu. Mechaninis pašalinimas pažeidžia metalo paviršių ir sukuria naujas branduolio susidarymo vietas kitam apnašų sluoksniui.
PTFE šilumokaitis atsparus silicio dioksido nuosėdoms dėl iš esmės skirtingos paviršiaus sąveikos. Fluoropolimero paviršiuje nėra metalo oksido grupių, kurios sudarytų siloksano ryšius. Iš sūrymo nusodinamas silicio dioksidas liečiasi su paviršiumi, kuriame nėra cheminių sukibimo vietų ir sukibimas yra minimalus. Apnašos laisvai nusėda, jei iš viso nusėda, ir lengvai pašalinamos.
Silicio dioksido nusodinimo ant metalų mechanizmas
Amorfinio silicio dioksido nusodinimas ant metalo paviršiaus vyksta per cheminio surišimo mechanizmą. Metalo oksido paviršiuje (Fe2O3, Cr2O3, TiO₂) paviršiuje yra hidroksilo grupių (-OH). Sūryme esanti silicio rūgštis (Si(OH)4) reaguoja su šiais paviršiaus hidroksilais: M-OH + Si(OH)4 → M-O-Si(OH)₃ + H2O. Silicio rūgštis chemiškai jungiasi su metalo paviršiumi. Papildomos silicio rūgšties molekulės kondensuojasi ant surišto silicio dioksido, didindamos nuosėdų sluoksnį per siloksano ryšį. Apnašos tampa ištisiniu, prilipusiu amorfinio silicio stiklo sluoksniu.
Nuosėdų susidarymo greitis priklauso nuo silicio dioksido koncentracijos, temperatūros ir sūrymo pH. Šilumokaičio paviršiuje aukštesnė temperatūra sumažina silicio dioksido tirpumą, padidindama vietinį perpildymą. Apnašų augimo greitis pagreitėja dėl paviršiaus šiurkštumo-šiurkštūs paviršiai suteikia daugiau sukibimo vietų ir daugiau vietos nusodinimui.
| Silicio mastelio keitimo parametras | Nerūdijantis plienas | Titanas | PTFE |
|---|---|---|---|
| Paviršiaus hidroksilo grupės (-OH) | Gausu (metalo oksidų) | Gausus (TiO₂) | Nėra (C-F paviršius) |
| Siloksano ryšio su silicio dioksidu formavimas | Taip (cheminis sujungimas) | Taip | Ne (nėra surišimo vietų) |
| Skalės sukibimo stiprumas (santykinis) | 1.0 (pagrindinis) | 0.7-0.9 | 0.05-0.15 |
| Apnašų pašalinimo būdas | Mechaninis (pažeidžia paviršių) | Mechaninis | Nuplaukite vandeniu arba švelniai nuvalykite |
| Tarnavimo laikas geoterminiame sūryme (mėnesiais) | 6-18 | 12-24 | 60+ |
PTFE nesuklijuojantis paviršius
PTFE paviršiuje nėra hidroksilo grupių. Anglies -fluoro jungtys yra chemiškai stabilios. Silicio rūgšties molekulės artėjimas prie PTFE paviršiaus neranda jokių kondensacijos reakcijos, kuri silicio dioksidą suriša su metalų oksidais, reaktyviųjų vietų. Iš sūrymo nusodinamas silicio dioksidas nusėda biriame skystyje arba paviršiuje, bet negali sudaryti cheminio ryšio su PTFE.
Sukibimas dar labiau sumažėja dėl mažos PTFE paviršiaus energijos (18-20 mN/m). Net jei silicio dioksido dalelės nukrenta ant paviršiaus dėl gravitacijos, sukibimo jėgos yra silpnos – tik van der Waals jėgos, nėra jokio cheminio surišimo komponento. Susikaupęs silicio dioksidas pašalinamas plaunant vandeniu arba tiesiog nulupamas per tipišką terminį ciklą, nes PTFE plečiasi ir traukiasi.
Cheminio sujungimo vietų trūkumas ir maža paviršiaus energija reiškia, kad PTFE silicio dioksido nuosėdos yra birios, miltelių pavidalo nuosėdos, o ne prilipęs stiklinis sluoksnis. Jis palaiko šilumos perdavimo paviršių tinkamos būklės ir minimaliai valo.
Temperatūros ciklo pranašumai
Temperatūros ciklai yra dažnas geoterminių šilumokaičių reiškinys dėl sūrymo temperatūros pokyčių, atsirandančių dėl gręžinių sąlygų ir gamybos poreikių. Skirtingas šiluminis plėtimasis tarp skalės (0,5 × 10⁻⁶/laipsnis ) ir metalo (12-17 × 10⁻⁶/laipsnis) metaliniame šilumokaityje su surištomis silicio dioksido nuosėdomis sukuria įtempius masto ir metalo kontakte. Įtempimas gali sugriauti apnašas, tačiau įtrūkimai atskleidžia šviežią metalinį paviršių, kuris greitai sukuria naujas siloksano jungtis su daugiau silicio dioksido. Važiuojant dviračiu, skalė nenustatoma iš naujo, o išvaloma.
PTFE šilumokaičio atveju PTFE šiluminis plėtimasis (120 × 10-6/laipsnis) yra daug didesnis nei bet kurio laisvai uždėto silicio dioksido. Vamzdžio paviršius plečiasi ir susitraukia, todėl visas nusėdęs silicio dioksidas atsisluoksniuoja. Skirtingai nuo metalų, temperatūros ciklas nesukelia tolesnio nuosėdų susidarymo, bet nuvalo PTFE paviršių.
Išvada
PTFE šilumokaičių fluorpolimero paviršiuje nėra jokių hidroksilo grupių, kad būtų sukurtos siloksano jungtys – cheminis mechanizmas, atsakingas už silicio dioksido nuosėdų sujungimą su metalo oksido paviršiais, todėl yra atsparus silicio dioksido nuosėdoms geoterminiame sūryme. Sumažėjusi paviršiaus energija taip pat slopina sukibimą. Terminis ciklas atnaujina metalų apnašas, bet iš tikrųjų pašalina laisvą silicio dioksidą iš PTFE. Rezultatas yra šilumokaitis, kurio šilumos perdavimo efektyvumas yra 5+ metų ir kuris suardo metalinius šilumokaičius per 6–24 mėnesius.
Siūloma techninė pagalba PTFE šilumokaičio specifikacijai geoterminėse ir didelio silicio dioksido sistemose, gavus sūrymo chemiją, silicio dioksido koncentraciją, darbinės temperatūros diapazoną ir esamą mastelio keitimo istoriją.
