Kuinka PTFE-vaihtimia käytetään kuuman suolaveden jäähdyttämiseen geotermisestä kaivosta?

Kaivo kaataa syvällä pinnan alla valtavan palovamman kuuman, mineraali-kuormaisen suolaveden säiliön, liuenneiden suolojen, piidioksidin ja usein happamien kaasujen syövyttävän keiton. Liuos on geotermisen voimalaitoksen ydin ja lämpö on siirrettävä puhtaaseen käyttönesteeseen. Korroosio ja hilseily hyökkäävät jatkuvasti päälämmönvaihtimeen, jossa likainen, aggressiivinen maa kohtaa puhtaan tehokierron. PTFE-kuoren-ja-putkenvaihtimen joustavat, kemiallisesti inertit putket ovat vankka ja kestävä työhevonen tähän taisteluun.

Geoterminen suolavesihaaste
Geoterminen suolavesi ei ole tavallista suolavettä. Ne tulevat kaivoista, joiden lämpötila on yleensä 100-150 astetta (joskus kuumempi), ja liuenneiden kiintoaineiden kokonaismäärä (TDS) on usein yli 100 000 ppm{5}}kymmenkertainen suolaveteen verrattuna. Suolaliuos sisältää klorideja, sulfaatteja, karbonaatteja ja raskasmetalleja, kuten lyijyä, sinkkiä, arseenia. Mukana on myös liuenneita kaasuja, kuten hiilidioksidia (CO2), rikkivetyä (H2S) ja joskus ammoniakkia, jotka luovat happaman ympäristön (pH voi olla niinkin alhainen kuin 4 tai alle).

Lämmönvaihtimen materiaaleille haitallisimmat ovat:

Kloridi-ionit voivat aiheuttaa ruostumattomien terästen ja jopa runsaiden -nikkelimetalliseosten piste- ja jännityskorroosiohalkeamia.

Liuennut piidioksidi (SiO2): Piidioksidi saostuu suolaveden jäähtyessä ja muodostaa kovan lasin kaltaisen kalkin lämmönsiirtopinnoille. Tämä hilse on erittäin vaikea poistaa ja eristää nopeasti vaihtimen, mikä eliminoi lämpösuorituskyvyn.

Rikkivety : Syövyttää monia rautametalleja ja kupariseoksia.

Piidioksidin hilseilyongelma on edelleen erittäin vakava, kun otetaan huomioon, että perinteinen metallilämmönvaihdin (titaani tai superausteniittinen ruostumaton teräs) voi sietää klorideja jonkin aikaa. Kalkkia muodostuu metallipinnoille ja vaatii säännöllistä kemiallista tai mekaanista puhdistusta, mikä aiheuttaa seisokkeja ja mahdollisesti metallin heikkenemistä. Kapeiden putkiseinien rei'itys tapahtuu lopulta jopa alhaisilla korroosionopeuksilla. Tässä yhteydessä PTFE-vaihtimen geoterminen suolaveden jäähdytysratkaisu on radikaali vaihtoehto.

Kuinka PTFE-vaihdin taistelee korroosiota ja hilseilyä vastaan
PTFE-kuori-ja-putkilämmönvaihdin on yleensä suunniteltu siten, että kuuma geoterminen suolaliuos kulkee putken puolen läpi ja puhdas käyttöneste (esim. vesi, orgaaninen Rankinen-kiertoneste tai toissijainen jäähdytysneste) kulkee vaipan puolen läpi. PTFE-putkien tyypillinen ulkohalkaisija on 5-10 mm ja seinämän paksuus 0,5-1 mm. Ne on valmistettu neitseellisestä, täyttämättömästä PTFE:stä - materiaalista, joka kestää täysin klorideja, rikkivetyä, orgaanisia happoja ja koko pH-aluetta (pois lukien sulat alkalimetallit ja alkuainefluori).

Korroosionkestävyys
PTFE:ssä ei ole reaktiivisia kemiallisia sidoksia, joita geotermisen suolaveden organismit voivat vahingoittaa. Se ei syöpy, kuoppa tai huuhtoudu metalli-ioneihin. Geotermisessä käytössä olevat PTFE-putket kestävät vuosikymmeniä, kun taas metalliputket menettävät seinämän paksuutta hitaasti tai aiheuttavat reikävuotoja kuukausien tai muutaman vuoden kuluttua. Ei ole mahdollista kloridin -aiheuttamaa jännityskorroosiohalkeilua, joka on yleinen metallin geotermisten vaihtimien vikatila.

Skaalausvastus (pieni kitka)
PTFE:llä on sileä, -tarttumaton pinta, jolla on erittäin alhainen pintaenergia (noin 18 mN/m). Tämä tarkoittaa, että piidioksidihilse ja muut mineraaliesiintymät (kalsiumkarbonaatti, kalsiumsulfaatti, metallisulfidit) eivät kiinnity lujasti putken seinämiin. Kalkki jää todennäköisesti irtonaisena jauheena tai ohuena, helposti poistettavana kalvona eikä kovana, eristävänä lasiteena. Lämpökierto ja taipuisten putkien luonnollinen värähtely irtoavat tartuntajäämät. PTFE-vaihtimen lämmönsiirtohyötysuhde säilyy näin ollen paljon pidempään kuin samassa sovelluksessa olevan metallinvaihtimen.

Joustavuus kestää lämpöpyöräilyä
Lämmönvaihtimen lämpökierto johtuu yleensä virtausnopeuden ja lämpötilan vaihteluista, joissa geotermiset kaivot toimivat. PTFE-putket ovat myös joustavia. Ne laajenevat ja puristuvat lämpötilan muutosten myötä aiheuttamatta väsymishalkeamia. Metalliputket ovat jäykkiä ja ovat alttiina sykliselle lämpörasitukselle putkien ja putkien välisissä liitoksissa, mikä johtaa vaurioihin ajan myötä.

PTFE-jäähdytin on kemiallisesti inertti, sitkeä hirviö, joka juo polttavaa, suolaista maavettä{0}} ja siirtää tulensa hellävaraisesti puhtaaseen tehokiertoon.

Geotermisen sähköpalvelun suunnittelunäkökohdat
Luotettavan pitkän{0}}toiminnan takaamiseksi geotermisen suolaveden PTFE-vaihdin on rakennettava seuraavilla parametreilla:

Nopeus putken puolella
Geoterminen suolavesi sisältää aina kiintoaineita (piidioksidihiukkasia, hiekkaa, metallisulfideja). Jos suolaliuoksen nopeus putkien sisällä on liian alhainen, hiukkaset laskeutuvat, mikä johtaa paikalliseen hilseilyyn ja virtauksen tukkeutumiseen. Normaalisti putken sivunopeus on vähintään 1,5-2,0 m/s, jotta kiintoaine pysyy mukana. PTFE:llä on kuitenkin sileä pinta, jossa on vähän kitkaa, ja jonkin verran pienempi nopeus kuin metalliputkilla (joissa eroosio on huolenaihe) voi olla hyväksyttävää. Maksiminopeutta rajoittaa painehäviö ja putken tulopäiden korroosio (vaikka PTFE kestää hyvin hiukkaseroosiota).

Putkipaketin järjestely
PTFE-putket asetetaan tavallisesti kolmiojakoon lämmönsiirtoalueen maksimoimiseksi tietyssä vaipan halkaisijassa. PTFE:n alhainen lämmönjohtavuus (noin 0,25 W/m·K) edellyttää seinämän paksuuden (0,5–1,0 mm) minimoimista tyydyttävän kokonaislämmönsiirtokertoimen säilyttämiseksi. Joskus käytetään pidennettyjä pintoja (ripaputkia), mutta lisääntynyt monimutkaisuus ja evien likaantumisen riski ovat usein suurempia kuin hyödyt. Siksi suuri määrä pitkiä, ohuita putkia käytetään maksimoimaan kokonaislämmönsiirtopinta-ala.

Käyttöneste kuoren puolelle
Vaipan puolella olevan käyttönesteen tulee olla puhdasta ja PTFE:n kanssa yhteensopivaa (useimmat nesteet ovat korkeissa lämpötiloissa muita kuin jotkin liuottimet). Itse kuori voi olla valmistettu hiili- tai ruostumattomasta teräksestä, joka on sisäisesti suojattu PTFE-vuorauksella tai korroosionsuojalla, koska kuori ei koskaan joudu kosketuksiin kovan suolaveden kanssa.

Paineen ja lämpötilan rajat
PTFE-vaihtimien käyttölämpötila on normaalisti rajoitettu 100-110 asteeseen jatkuvassa käytössä, kun taas tietyt poikkeukselliset PTFE-laadut voivat saavuttaa 120-130 astetta. Jos geoterminen suolaliuos tulee sisään 150 asteen lämpötilassa, se on esijäähdytettävä (esim. sekoittamalla kierrätetyn jäähdytetyn suolaliuoksen kanssa tai käyttämällä ensimmäisen vaiheen metallinvaihdinta, joka kulkee skaalauslämpötilan yläpuolella). Vaihtoehtoisesti suolaliuos voidaan leimata höyryksi ja nestemäinen suolaliuos jäähdyttää PTFE-lämmönvaihtimessa. Matalan lämpötilan geotermisille resursseille (100-120 astetta) suora PTFE-vaihdin on edullinen.

Prosessi Huomautus Säännöllinen puhdistus kalkin poistamiseksi
PTFE vastustaa kalkkikiinnitystä, mutta mikään geotermisellä suolavedellä toimiva lämmönvaihdin ei voi pysyä puhtaana ikuisesti. Ajan myötä ohut kerros amorfista piidioksidia tai muita mineraaleja voi jatkaa muodostumista erityisesti hitaiden nopeusalueiden alueilla. Siksi ennakoivaa puhdistusaikataulua suositellaan:

Korkeapaine{0}}vesisuihkutus (hydropuhallus). Vesisuihku, jonka paine on 500–1 000 bar (7 000–14 000 psi), syötetään putken tuloaukkoon. Vedenpaine taivuttaa PTFE-putkia ja irrottaa mahdollisen irtonaisen kalkin tuhoamatta putken materiaalia. Tämä voidaan tehdä lämmönvaihtimen ollessa paikallaan käyttämällä putken levyn pinnasta työnnettyä lansettia.

Kemiallinen huuhtelu: Putken puoli huuhdellaan laimealla kloorivetyhapolla tai sitruunahapolla (oikeilla estäjillä) karbonaatin ja metallisulfidihilse liuottamiseksi. Piidioksidi ei ole happoliukoinen ja se voidaan liuottaa laimealla fluorivetyhappoliuoksella (varo) tai emäksisellä puhdistusaineella (esim. natriumhydroksidi kelatoivalla aineella). PTFE on kemiallisesti inertti näille aineille, joten puhdistusliuos ei vaikuta putkiin. Mutta kuoren puoli ja tiivisteet on suojattava.

Online-puhdistus (sienipallot): Kääntämällä virtausta putken sisähalkaisijaa hieman suuremmat vaahtokumipallot puhalletaan säännöllisesti putkikimpun läpi. Pallot puhdistavat putken pinnat. Tämä toimii hyvin PTFE:n kanssa, koska tasainen pinta ei hankaa tai tartu palloihin.

Puhdistuksen tiheys riippuu suolaveden sisällöstä. Kuukausittainen huuhtelu on tarpeen joissakin geotermisissä kohteissa, kun taas viikoittainen korkeapaineinen vesisuihku-joillekin saattaa olla tarpeen. PTFE-vaihtimen tärkein etu on, että puhdistuksen jälkeen lähes 100 % alkuperäisestä lämmönsiirtokyvystä palautuu, koska pysyviä hilseily- tai korroosiovaurioita ei ole.

Vertailu metallin{0}}vaihtimiin
Metallinvaihdin (esim. titaani) PTFE-vaihdin
Korroosionkestävyys Kestää hyvin klorideja, mutta altis pistesyöpymiselle kerrostumien alla tai korkeissa lämpötiloissa. täysin läpäisemätön kaikille geotermisen suolaliuoksen komponenteille
Piidioksidin tarttuvuusHyvä tarttuvuus Vaaka on jäykkä ja eristäväHuono tarttuvuus; suomu pyrkii katkeamaan
Puhdistuksen vaikeus: Kova. Kemiallinen puhdistus voi syövyttää metallia. Hydropuhallus saattaa vahingoittaa ohuita seiniä. Helppoa; kaikki puhdistustekniikat ovat turvallisia PTFE:lle
Lämmönjohtavuus Korkea (10-20 W/m·K) Matala (~0,25 W/m·K) - tarvitsee lisäaluetta
Maximum service temperature >200 astetta tyypillisesti<110°C (continuous)
Hinta pinta-alayksikköä kohtiKorkea titaanille; keskitaso ruostumattomalle teräkselle (vaikka ruostumaton teräs ruostuu) Kohtalainen tai korkea, koska tarvitaan suuri alue
Huollon seisokit Usein, kalkinpoisto ja korjaus Satunnaisesti, lähinnä rutiinipuhdistukseen
PTFE-vaihtimella on suurempi fyysinen jalanjälki (alempi lämmönjohtavuus) ja vähentää merkittävästi korroosiota ja kattilavikoja. Tämä kompromissi-on varsin suotuisa monissa geotermisissä projekteissa, etenkin kun suolaliuos on sekä aggressiivista että voimakkaasti hilseilevää.

Esimerkki todellisesta-maailmansovelluksesta
Länsi-Yhdysvalloissa sijaitseva 10 MW geoterminen binäärivoimalaitos käyttää 130 asteen resurssia. Suolaliuos sisältää 120 000 ppm klorideja, 400 ppm piidioksidia ja H2S:a. Titaanivaippa-ja-putkivaihdin asennettiin ensin. Kuuden kuukauden kuluttua piidioksidivaaka alensi lämmönsiirtokerrointa 40 % ja vaati 3 päivän seisokin joka kuukausi puhdistukseen. Putken tuloaukkojen läheisyydessä havaittiin pistekorroosiota.

Tehdas korvasi titaaniyksikön PTFE-kuorella ja putkenvaihtimella, mikä lisäsi putkien määrää ja pituutta saman työmäärän saavuttamiseksi. Korkeapaineinen vesisuihku, puhdistustiheys jopa kerran 6 kuukaudessa Kahden vuoden käytön jälkeen PTFE-putket olivat korroosiottomia ja niissä oli vain vähän hilsettä ja ne poistettiin helposti. Tehtaan kapasiteettikerrointa nostettiin 85 %:sta 94 %:iin vähentämällä vain siivousseisokkeja.

Johtopäätös: Maan inertti muovivoima
PTFE-lämmönvaihdin on korroosionkestävä, vähän huoltoa vaativa ja kestävä ratkaisu geotermisen suolaveden ankaraan hilseilevään ympäristöön. Se kestää kuumaa, erittäin suolaista ja hapanta geotermistä nestettä, välttää kovan piidioksidin hilseilyn tarttumattomalla pinnallaan ja kestää lämpöjaksoja väsymättä. PTFE-vaihdinta käytetään yhdessä maailman kestävimmistä perusvoiman lähteistä: geotermisestä energiasta. Kemiallisesti inerteimmät polymeerit käyttävät maapallon voimaa. Geotermisten laitosten käyttäjille PTFE-vaihtimen valitseminen suolaliuoksen jäähdytykseen ei ole kompromissi, vaan tietoinen päätös, joka tuottaa hyödyt käytettävyydessä, alhaisemmat ylläpitokustannukset ja vuosikymmeniä kestävän luotettavan toiminnan.