Geotermisessä suolavesilämmittimessä (2000 ppm kloridia, pH 5, 150 astetta) Kuinka kalsiumsulfaatin hilseily titaanivaipassa muuttaa vaadittua seinämän paksuutta 5 vuoden suunnittelun kestämiseksi?

Peruskorjaus titaanilämmittimen suunnittelussa geotermisen suolavesien skaalaukseen
Geotermisissä suolavedessä 150 asteessa on suuria määriä kalsium- ja sulfaatti-ioneja. CaSO4, kalsiumsulfaatti. CaSO4:n liukoisuus heikkenee lämpötilan noustessa ja se saostuu hilseilynä kuumennetuilla pinnoilla. Tämä asteikko on eristävä kerros titaaninen uppolämmitin. Vaadittavassa seinämän paksuudessa 5 vuoden suunnitteluiässä on otettava huomioon korroosionvaran lisäksi myös hilseilevä lämpeneminen, joka lisää sisätilojen vaurioitumista. Paksumpi seinä on aluksi kuumempi ja siksi skaalautuu nopeammin, kun taas ohuempi seinä on viileämpi, mutta sallii vähemmän korroosiota. Tämä työ arvioi kalsiumsulfaatin hilseilyn vaikutusta seinämän paksuuteen, joka vaaditaan selviytyäkseen 5 vuotta geotermisessä suolavedessä 150 asteessa.

Vaikutus mekaaniseen eheyteen: Skaalautuu aiheuttamaan ylikuumenemista
Kalsiumsulfaatin lämmönjohtavuus on noin 1,2 W/m·K, mikä on 15 kertaa pienempi kuin titaanin (17 W/m·K). Vain 0,5 mm:n paksuinen asteikkokerros tuottaa lämpövastuksen ΔT_scale=q × t_scale / k_scale. 0,5 mm:n hilsekerros titaanin ulkopinnalla aiheuttaa 8,3 asteen lämpötilan nousun lämpövuolla 2,0 W/cm2 (tyypillinen geotermisille lämmittimille). Kuumentunut pinta nopeuttaa myöhempää kalkin saostumista, positiivista takaisinkytkentäsilmukkaa. Keskeinen vikamekanismi on muuttunut korroosiorei'ittämisestä sisäisen magnesiumoksidieristeen ylikuumenemiseen{16}}. Jos sisäseinän lämpötila on pitkään yli 350 astetta, MgO-eristys hajoaa. Tämä aiheuttaa sähkövuodon ja lämmittimen toimintahäiriön. Titaaniseinämän paksuuden kasvaessa (eli pinnan peruslämpötilan noustessa) siedettävä hilsepaksuus ennen ylikuumenemista pienenee, eli tarvitaan useammin puhdistusta tai pienempää lämpövirtaa.

Vaikutus lämpösuorituskykyyn: peruspinnan lämpötila ja asteikkosuhde
Kalsiumsulfaatin muodostumisnopeus on Arrhenius-yhteys pintalämpötilaan. 1,0 mm:n titaaniseinällä 2,0 W/cm2 150-asteisessa suolaliuoksessa ulkopinnan lämpötila on noin 157 astetta (ΔTcond=1.2 astetta, ΔTconv olettaen h=2000 W/m2K=10 astetta). Ulkopinta ulottuu 160 astetta 1,8 mm seinälle. Tämä 3 asteen ero vastaa noin 20 %:n lisäystä asteikon laskeutumisnopeudesta. Vielä tärkeämpää on kuitenkin se, että korkeampi peruslämpötila tarkoittaa, että ohuempi hilsekerros laukaisee ylikuumenemisen. t_scale_max=(350 astetta - T_pinta - ΔT_cond - ΔT_conv) * k_scale/q . Tämä on asteikon maksimipaksuus ennen kuin sisäseinämä saavuttaa 350 astetta. 1,0 mm:n seinälle (T_pinta=157 aste), t_scale_max~2,3 mm. Jos seinämän paksuus on 1,8 mm (T_pinta=160 aste), t_scale_max ≈ 2,0 mm. Ero on pieni, mutta paksumpi seinämä hilseilee myös 20 % nopeammin, joten aika kriittisen hilsepaksuuden saavuttamiseen on ~30 % lyhyempi.

Kompromissynteesi: Seinän paksuuden valinta skaalalla
Seinän paksuus (mm) Alkuperäinen T_pinta ( aste ) Laskeumanopeus (mm/kk) Kuukaudesta kriittiseen kokoon (2,0 mm) Korroosion kesto (vuosia) Kokonaiselinkelpoisuus 5 vuotta
0,8 mm 156 astetta C 0,30 mm/kk 6,7 kuukautta > 10 vuotta Ei – liian usein siivottu
1,0 mm 157 astetta 0,32 mm/kk 6,3 kuukautta > 10 vuotta Ei – tarvitsee puhdistusta 6 kuukauden välein
1.2 mm 158°C 0.35 mm/month 5.7 months >10 vuottaEi – puhdista 5 kuukauden välein
1,5 mm 159 astetta 0,38 mm/kk 5,3 kuukautta 8 – 10 vuottaEi – vielä puhdistettava
Mikä tahansa > 0,30 mm/kk < 7 kuukautta Jos hilseilyn hallintaa ei ole, seinämän paksuus ei kestä 5 vuotta.
Tilastot viittaavat siihen, että mikään seinämän paksuus ei kykenisi saavuttamaan 5 vuoden suunniteltua käyttöikää ilman hilseilyn estoa, koska kalsiumsulfaattia kehittyy 0.3 - 0.4 mm/kk ja se vaatii puhdistusta 5 - 7 kuukauden välein titaanin paksuudesta riippumatta. Seinämän paksuus ei juurikaan vaikuta kriittisen mittakaavan saavuttamiseen kuluvaan aikaan.

Suunnittelu seinän ulkopuolella: kalkkikiven ehkäisy ja puhdistus
Ainoat käytännölliset ratkaisut 5 vuoden käyttöiän saavuttamiseksi hilseilevässä geotermisessä suolaliuoksessa ovat kalkkikiven esto tai automaattinen puhdistus. Kalkkikiven estäjän (5–10 ppm polyakrylaattia tai fosfonaattia) lisääminen suolaliuokseen laskee saostumisnopeuden 0,03–0,06 mm/kk (80–90 %). Esto vähentää puhdistustiheyttä 3–4 vuoden välein 1,2 mm paksulla titaaniseinällä, ja seinän korroosionvara (0,01 mm/vuosi kloridihyökkäyksestä) on minimaalinen. Vaihtoehtoisesti kalkki voidaan poistaa ennen 0,3 mm:n paksuuden saavuttamista asentamalla mekaaninen puhdistusjärjestelmä (esim. jousikuormitetut kaapimet, jotka kulkevat usein lämmittimen putkia pitkin). Jos raaputat sitä kerran viikossa, mikä tahansa seinämänpaksuus 0,8–2,0 mm kestää yli 5 vuotta, koska vaaka ei koskaan tule tarpeeksi paksuksi aiheuttamaan ylikuumenemista. Tällöin seinämän paksuuden on vain täytettävä kloridien korroosionsietokyky (maksimi 0,05 mm/vuosi eli . 0.5 mm 10 vuodessa).

Johtopäätös: Geotermisen suolaveden asteikon hallinta on tärkeämpi kuin seinämän paksuus
Esimerkiksi geotermisen suolavesilämmittimen tarvittavaa seinämän paksuutta 150 asteessa ja 2000 ppm kloridi- ja kalsiumsulfaattihilseilyä ei voida ennustaa 5 vuoden suunnittelukäyttöiän ajaksi ottamatta huomioon kalkkikiven muodostumista. Hallitsemattomia kalkkikerrostumia 0,3–0,4 mm/kk, mikä vaatii puhdistusta 5–7 kuukauden välein riippumatta titaaniseinämän paksuudesta (0,8 mm tai 2,0 mm). Kemiallinen hilseilynesto (laskeumanopeuden lasku 90 %) tavallinen 1,2 mm:n seinä antaa käyttöiän 5+ vuotta ja kloridin sallima korroosio on merkityksetön. Geotermisen suolavesipalvelun paras standardi on titaaniseinämäpaksuus 1,2-1,5 mm kalkkikiven injektiojärjestelmällä tai automaattisella mekaanisella puhdistuksella. Vaadi valmistajaa toimittamaan arvioitu kalsiumpitoisuus (ppm Ca 2+ ) ja sulfaattipitoisuus (ppm SO 4 2- ) ennustetun hilseilynopeuden määrittämiseksi ja vaatimaan kattilakiven hallintasuunnitelman osana lämmittimen eritelmiä. Seinämän paksuus ei riitä takaamaan 5 vuoden pitkäikäisyyttä hilseilevässä suolaliuoksessa.