Cum sunt folosite schimbătoarele de PTFE pentru răcirea saramurului fierbinte dintr-un puț geotermal?

O fântână atinge un rezervor imens de saramură fierbinte, fierbinte,{0}}încărcată cu minerale, o supă corozivă de săruri dizolvate, silice și gaze adesea acide, adânc sub suprafață. Saramura este nucleul unei centrale geotermale, iar căldura trebuie transferată într-un fluid de lucru curat. Coroziunea și detartrarea atacă în mod constant schimbătorul de căldură principal, unde pământul murdar și agresiv se întâlnește cu ciclul de alimentare curat. Tuburile flexibile, inerte din punct de vedere chimic ale carcasei din PTFE-și-schimbătorul de tuburi sunt calul de lucru robust și rezistent pentru această luptă.

Provocarea saramurului geotermal
Saramura geotermală nu este apă sărată normală. Acestea provin din puțuri la temperaturi de obicei cuprinse între 100 de grade și 150 de grade (uneori mai fierbinți), cu solidele totale dizolvate (TDS) care depășesc adesea 100.000 ppm-de zece ori mai mari decât apa sărată. Saramura conține cloruri, sulfați, carbonați și metale grele precum plumb, zinc, arsen. De asemenea, sunt prezente gazele dizolvate, inclusiv dioxidul de carbon (CO2), hidrogenul sulfurat (H2S) și uneori amoniacul, care creează un mediu acid (pH-ul poate fi de până la 4 sau mai mic).

Cele mai dăunătoare pentru materialele schimbătoarelor de căldură sunt:

Ionii de clorură pot cauza sâmburi și fisurare prin coroziune prin tensiuni a oțelurilor inoxidabile și chiar a aliajelor cu conținut ridicat de-nichel.

Siliciu dizolvat (SiO2): siliciul precipită pe măsură ce saramura se răcește și formează un strat dur, asemănător sticlei-pe suprafețele de transfer de căldură. Acest calcar este foarte greu de îndepărtat și izolează rapid schimbătorul, eliminând performanța termică.

Hidrogen sulfurat: Atacă multe metale feroase și aliaje de cupru.

Problema detartrajului cu silice este încă foarte gravă, având în vedere că un schimbător de căldură metalic convențional (titan sau oțel inoxidabil supraaustenitic) poate tolera clorurile pentru o perioadă de timp. Calcarul se formează pe suprafețele metalice și necesită curățare chimică sau mecanică regulată, ceea ce provoacă timpi de nefuncționare și eventual slăbirea metalului. Perforarea pereților tuburilor înguste va avea loc în cele din urmă chiar și cu rate scăzute de coroziune. În acest context, soluția de răcire cu saramură geotermală cu schimbător PTFE reprezintă o alternativă radicală.

Cum un schimbător de PTFE luptă împotriva coroziunii și a detartrajului
Un schimbător de căldură-și-tuburilor din PTFE este proiectat în mod normal astfel încât saramura geotermală fierbinte să treacă prin partea tubului și un fluid de lucru curat (de exemplu, apă, un fluid organic Rankine sau un lichid de răcire secundar) să treacă prin partea carcasei. Tuburile din PTFE au un diametru exterior tipic de 5-10 mm și o grosime a peretelui de 0,5-1 mm. Sunt fabricate din PTFE virgin, neumplut, un material care este în întregime rezistent la cloruri, hidrogen sulfurat, acizi organici și întregul interval de pH (excluzând metalele alcaline topite și fluorul elementar).

Rezistenta la coroziune
PTFE nu are legături chimice reactive care să fie deteriorate de organismele din saramură geotermală. Nu corodează, nu scapă și nu leșiază ionii metalici. Tuburile din PTFE în funcționare geotermală rezistă decenii, în timp ce tuburile metalice pierd lent din grosimea peretelui sau dezvoltă scurgeri de orificii după luni sau câțiva ani. Nu există nicio posibilitate de fisurare prin coroziune indusă de clorură-la stres, un mod obișnuit de defecțiune pentru schimbătoarele geotermale metalice.

Rezistență la scară (frecare scăzută)
PTFE are o suprafață netedă, antiaderent-, cu o energie de suprafață foarte scăzută (aproximativ 18 mN/m). Aceasta înseamnă că depunerile de silice și alte depuneri minerale (carbonat de calciu, sulfat de calciu, sulfuri metalice) nu se vor atașa ferm de pereții tubului. Scala este probabil să rămână sub formă de pulbere liberă sau o peliculă subțire, ușor de îndepărtat și nu o glazură tare, izolatoare. Ciclul termic și vibrația naturală a tuburilor flexibile îndepărtează orice depuneri lipite. Eficiența transferului de căldură al schimbătorului de PTFE este astfel menținută pentru o perioadă de timp mult mai lungă decât cea a unui schimbător de metal în aceeași aplicație.

Flexibilitate pentru a rezista la cicluri termice
Ciclul termic al schimbătorului de căldură este cauzat de obicei de fluctuațiile debitului și ale temperaturii în care funcționează puțurile geotermale. Tuburile din PTFE sunt, de asemenea, flexibile. Acestea se extind și se comprimă cu schimbările de temperatură fără a produce fisuri de oboseală. Tuburile metalice sunt rigide și sunt supuse stresului termic ciclic la joncțiunile tub-foaia tubulară, ceea ce duce la defecțiuni în timp.

Răcitorul din PTFE este un monstru dur, inert din punct de vedere chimic, care bea apa de pământ-opăritoare și sărată și își transmite ușor focul la ciclul de alimentare curat.

Considerații de proiectare pentru serviciul de energie geotermală
Pentru a asigura o funcționare fiabilă-pe termen lung, schimbătorul de PTFE pentru saramură geotermală trebuie să fie construit utilizând următorii parametri:

Viteza pe partea tubului
Saramura geotermală conține întotdeauna solide în suspensie (particule de siliciu, nisip, sulfuri metalice). Dacă viteza saramurii în interiorul tuburilor este prea mică, particulele se vor depune, ducând la detartrarea locală și blocarea fluxului. În mod normal, este prescrisă o viteză minimă laterală a tubului de 1,5-2,0 m/s pentru a menține solidele antrenate. Cu toate acestea, PTFE are o suprafață netedă, cu frecare mică și o viteză ceva mai mică decât pentru tuburile metalice (unde eroziunea este o îngrijorare) poate fi acceptabilă. Viteza maximă este limitată de pierderea de presiune și de coroziunea capetelor de intrare a tubului (deși PTFE este foarte rezistent la eroziunea particulelor).

Aranjament pachet de tuburi
Tuburile PTFE sunt în mod normal așezate pe un pas triunghiular pentru a maximiza zona de transfer de căldură într-un diametru dat de carcasă. Conductivitatea termică scăzută a PTFE (aproximativ 0,25 W/m·K) necesită reducerea la minimum a grosimii peretelui (0,5–1,0 mm) pentru a păstra un coeficient global satisfăcător de transfer de căldură. Uneori sunt folosite suprafețe extinse (tuburi cu aripioare), dar complexitatea crescută și riscul de murdărire a aripioarelor depășesc adesea beneficiile. Prin urmare, un număr mare de tuburi lungi și subțiri sunt utilizate pentru a maximiza suprafața totală de transmisie a căldurii.

Lichid de lucru pentru partea carcasei
Fluidul de lucru de pe partea carcasei trebuie să fie curat și compatibil cu PTFE (majoritatea fluidelor sunt, altele decât unii solvenți la temperaturi ridicate). Carcasa în sine poate fi realizată din carbon sau oțel inoxidabil protejat intern de căptușeală PTFE sau de o toleranță de coroziune, deoarece carcasa nu intră niciodată în contact cu saramură aspră.

Limite de presiune și temperatură
Schimbătoarele de PTFE sunt în mod normal limitate la o temperatură maximă de funcționare de 100-110 de grade pentru funcționare continuă, în timp ce anumite tipuri excepționale de PTFE pot atinge 120-130 de grade . Dacă saramura geotermală intră la 150 de grade, aceasta trebuie să fie prerăcită (de exemplu, prin amestecare cu saramură răcită recirculată sau prin intermediul unui schimbător de metal din prima treaptă care trece peste temperatura de detartrare). Alternativ, saramura poate fi aburată și saramura lichidă poate fi răcită într-un schimbător de căldură PTFE. Pentru resursele geotermale de joasă temperatură (100-120 grade) se preferă un schimbător direct de PTFE.

Notă de proces Curăţare regulată pentru a îndepărta depunerile
PTFE va rezista aderenței calcarului, dar niciun schimbător de căldură care funcționează pe saramură geotermală nu poate rămâne curat pentru totdeauna. În timp, un strat subțire de silice amorfă sau alte minerale poate continua să se acumuleze în special în regiunile cu viteză scăzută. Prin urmare, se recomandă un program proactiv de curățare:

Jet de apă-înaltă presiune (hidroblast). Un jet de apă la 500–1.000 bari (7.000–14.000 psi) este livrat în orificiile de intrare ale tubului. Presiunea apei îndoaie tuburile PTFE și îndepărtează orice calcar slăbit fără a distruge materialul tubului. Acest lucru se poate face cu schimbătorul în poziție, cu ajutorul unei lănci introduse de pe fața plăcii tubulare.

Spălare chimică: Partea tubului este spălată cu acid clorhidric sau citric diluat (cu inhibitori corespunzători) pentru a dizolva carbonatul și sulfura de metal. Calcarul de silice nu este solubil în acid și poate fi dizolvat utilizând o soluție diluată de acid fluorhidric (aveți grijă) sau un demachiant alcalin (de exemplu, hidroxid de sodiu cu un agent de chelare). PTFE este inert chimic față de aceste substanțe și, prin urmare, tuburile nu sunt afectate de soluția de curățare. Dar partea carcasei și garniturile trebuie protejate.

Curățare online (bile de burete): prin inversarea fluxului, bile de cauciuc spumă ceva mai mari decât diametrul interior al tubului sunt în mod regulat săpate prin fascicul de tuburi. Bilele curăță suprafețele tubului. Acest lucru funcționează bine cu PTFE, deoarece suprafața plană nu abrazează și nu prinde bilele.

Frecvența curățării va depinde de conținutul de saramură. O spălare lunară este necesară pentru unele site-uri geotermale, în timp ce un jet săptămânal de apă-de înaltă presiune poate fi necesar pentru altele. Principalul avantaj al schimbătorului PTFE este că, după curățare, aproape 100% din performanța inițială a transferului de căldură va fi restabilită, deoarece nu există depuneri permanente sau coroziune.

Comparație cu schimbătoare-metalice
Caracteristică Schimbător de metal (de exemplu, titan) Schimbător PTFE
Rezistenta la coroziune Rezistenta buna la cloruri, dar predispus la picking sub depuneri sau la temperaturi ridicate. total impermeabil la toate componentele saramurii geotermale
Aderența cântarilor de dioxid de siliciu Aderență bună Scara este rigidă și izolatoare Aderență slabă; scara tinde să se rupă
Dificultate de curățare: greu. Curățarea chimică poate coroda metalul. Hidroblastarea poate dăuna pereților subțiri. Ușor; toate tehnicile de curățare sunt sigure pentru PTFE
Conductivitate termică ridicată (10-20 W/m·K) scăzută (~0,25 W/m·K) - necesită suprafață suplimentară
Maximum service temperature >200 de grade De obicei<110°C (continuous)
Preț pe unitate de suprafață Mare pentru titan; mediu pentru oțel inoxidabil (deși inoxidabil va rugini) Moderat spre mare din cauza suprafeței mari necesare
Timp de întreținere Frecvent, detartrare și reparare Ocazional, mai ales pentru curățarea de rutină
Schimbătorul de PTFE schimbă o amprentă fizică mai mare (din cauza conductivității termice mai scăzute) pentru o scădere semnificativă a coroziunii și a defecțiunilor de calcar. Acest schimb-este destul de favorabil în multe proiecte geotermale, în special atunci când saramură este atât agresivă, cât și se extinde puternic.

Exemplu de aplicație{0}}Real World
O centrală geotermală cu ciclu binar de 10 MW din vestul Statelor Unite utilizează o resursă de 130 de grade. Saramura cuprinde 120.000 ppm cloruri, 400 ppm silice si H2S. A fost instalat mai întâi un schimbător-și-tuburilor de titan. După șase luni, scara de silice a scăzut coeficientul de transfer de căldură cu 40% și a necesitat 3 zile de oprire în fiecare lună pentru curățare. În vecinătatea orificiilor de admisie a tubului s-a observat coroziune prin pitting.

Fabrica a înlocuit unitatea de titan cu o carcasă PTFE și un schimbător de tuburi, crescând numărul și lungimea tuburilor pentru a obține aceeași sarcină de lucru. Jet de apă de înaltă presiune, frecvența de curățare până la o dată la 6 luni După doi ani de funcționare, tuburile din PTFE nu erau corozive și erau prezente și îndepărtate cu ușurință doar depuneri minime. Factorul de capacitate al centralei a fost sporit de la 85% la 94% doar prin reducerea timpului de nefuncționare la curățare.

Concluzie: Puterea plastică inertă a Pământului
Un schimbător de căldură din PTFE este soluția rezistentă la coroziune, întreținere redusă și robustă pentru mediul dur de scalare al saramurului geotermal. Rezistă fluidului geotermal fierbinte, extrem de salin și acid, evită detartrarea cu dioxid de siliciu cu suprafața sa ne-aderență și supraviețuiește ciclurilor termice fără oboseală. Schimbătorul PTFE este utilizat într-una dintre cele mai durabile surse de energie de bază din lume: energia geotermală. Cei mai inerți din punct de vedere chimic dintre polimeri utilizează puterea Pământului. Pentru operatorii de instalații geotermale, selectarea unui schimbător de PTFE pentru răcirea cu saramură nu este un compromis, ci o decizie deliberată care oferă profituri în timpul de funcționare, costuri mai mici de întreținere și decenii de funcționare fiabilă.