Як PTFE обмінники використовуються для охолодження гарячого розсолу з геотермальної свердловини?

Свердловина відкриває величезний резервуар гарячої, насиченої мінералами-розсолу, корозійного супу з розчинених солей, кремнезему та часто кислих газів, глибоко під поверхнею. Розсіл є ядром геотермальної електростанції, і тепло має передаватися чистій робочій рідині. Корозія та накип постійно атакують головний теплообмінник, де брудна, агресивна земля зустрічається з чистим циклом живлення. Гнучкі, хімічно інертні труби корпусу з PTFE-і-трубного теплообмінника є міцною, пружною робочою конячкою в цій боротьбі.

Виклик геотермального розсолу
Геотермальний розсіл - це не звичайна солона вода. Вони надходять зі свердловин із температурами зазвичай від 100 до 150 градусів (іноді вищими), із загальною кількістю розчинених твердих речовин (TDS), яка часто перевищує 100 000 частин на мільйон-у десять разів більше, ніж у солоній воді. Розсіл містить хлориди, сульфати, карбонати і важкі метали, такі як свинець, цинк, миш'як. Також присутні розчинені гази, включаючи вуглекислий газ (CO2), сірководень (H2S) і іноді аміак, які створюють кисле середовище (pH може бути низьким до 4 або нижче).

Найбільш шкідливими для теплообмінника матеріалами є:

Іони хлориду можуть спричинити піттинг і корозійне розтріскування під напругою нержавіючих сталей і навіть сплавів із високим -нікелем.

Розчинений кремнезем (SiO2): кремнезем випадає в осад, коли розсіл охолоджується, і утворює тверду, схожу на скло{1}}накип на поверхнях теплопередачі. Цей накип дуже важко видалити, він швидко ізолює теплообмінник, усуваючи теплові характеристики.

Сірководень: руйнує багато чорних металів і мідних сплавів.

Проблема кремнезему залишається дуже серйозною, враховуючи, що звичайний металевий теплообмінник (титан або супераустенітна нержавіюча сталь) може терпіти хлориди протягом певного періоду часу. Накип утворюється на металевих поверхнях і вимагає регулярного хімічного або механічного очищення, що спричиняє простої та можливе ослаблення металу. Перфорація вузьких стінок трубок згодом відбудеться навіть при низькій швидкості корозії. У цьому контексті рішення для охолодження геотермального розсолу теплообмінника PTFE є радикальною альтернативою.

Як PTFE теплообмінник бореться з корозією та утворенням накипу
Кожухотрубний-{1}}теплообмінник із ПТФЕ зазвичай розроблений таким чином, що гарячий геотермальний розсіл проходить через трубу, а чиста робоча рідина (наприклад, вода, органічна рідина циклу Ренкіна або вторинний теплоносій) проходить через оболонку. PTFE труби мають типовий зовнішній діаметр 5-10 мм і товщину стінки 0,5-1 мм. Вони виготовлені з первинного ненаповненого PTFE-матеріалу, який повністю стійкий до хлоридів, сірководню, органічних кислот і всього діапазону pH (за винятком розплавлених лужних металів і елементарного фтору).

Стійкість до корозії
ПТФЕ не має реактивних хімічних зв’язків, які могли б пошкодити організми в геотермальному розсолі. Він не викликає корозії, ямок і не вилуговує іони металів. Труби з ПТФЕ в геотермальних умовах витримують десятиліття, тоді як металеві труби повільно втрачають товщину стінки або через кілька місяців чи років утворюються проточні витоки. Не існує ймовірності корозійного розтріскування під напругою,-спричиненого хлоридом, звичайного способу відмови для металевих геотермальних теплообмінників.

Стійкість до накипу (низьке тертя)
PTFE має гладку, -непригарну поверхню з дуже низькою поверхневою енергією (приблизно 18 мН/м). Це означає, що кремнезем та інші мінеральні відкладення (карбонат кальцію, сульфат кальцію, сульфіди металів) не будуть міцно прикріплюватися до стінок трубки. Накип, швидше за все, залишиться у вигляді сипучого порошку або тонкої плівки, яка легко видаляється, а не твердої ізолюючої глазурі. Термічний цикл і природна вібрація гнучких трубок видаляють будь-які налиплі відкладення. Таким чином, ефективність теплопередачі PTFE-обмінника зберігається набагато довше, ніж у металевого теплообмінника в тому ж застосуванні.

Гнучкість, яка витримує термоциклічні зміни
Теплові цикли теплообмінника зазвичай викликані коливаннями швидкості потоку та температури, при якій працюють геотермальні свердловини. PTFE труби також є гнучкими. Вони розширюються і стискаються при зміні температури, не утворюючи втомних тріщин. Металеві труби є жорсткими та піддаються циклічним термічним навантаженням на з’єднаннях труби з трубною решеткою, що з часом призводить до руйнування.

PTFE-охолоджувач — це хімічно інертний, міцний монстр, який п’є пекучу солону-земляну воду та м’яко передає її вогонь циклу чистої енергії.

Проектні міркування для служби геотермальної енергії
Щоб забезпечити надійну довгострокову-роботу, PTFE-обмінник для геотермального розсолу має бути побудований із застосуванням таких параметрів:

Швидкість на стороні труби
Геотермальний розсіл завжди містить зважені речовини (частинки кремнезему, пісок, сульфіди металів). Якщо швидкість розсолу всередині труб занадто низька, частинки будуть осідати, що призведе до локального утворення накипу та блокування потоку. Зазвичай мінімальна бічна швидкість труби становить 1,5-2,0 м/с, щоб утримувати тверді речовини. Проте PTFE має гладку поверхню з невеликим тертям, і дещо нижча швидкість, ніж для металевих труб (де ерозія викликає занепокоєння), може бути прийнятною. Максимальна швидкість обмежується втратою тиску та корозією вхідних кінців трубки (хоча PTFE дуже стійкий до ерозії частинками).

Розташування пучка труб
ПТФЕ-трубки зазвичай розташовують із кроком трикутника, щоб максимізувати площу теплопередачі в даному діаметрі оболонки. Низька теплопровідність PTFE (приблизно 0,25 Вт/м·К) вимагає мінімізації товщини стінки (0,5–1,0 мм), щоб зберегти задовільний загальний коефіцієнт теплопередачі. Іноді використовуються подовжені поверхні (оребрені труби), але підвищена складність і ризик забруднення на ребрах часто переважують переваги. Тому використовується велика кількість довгих тонких труб, щоб максимізувати загальну площу теплопередачі.

Робоча рідина для сторони оболонки
Робоча рідина на стороні оболонки має бути чистою та сумісною з PTFE (більшість рідин, за винятком деяких розчинників при високих температурах). Сама оболонка може бути виготовлена ​​з вуглецевої або нержавіючої сталі з внутрішнім захистом PTFE або антикорозійним покриттям, оскільки оболонка ніколи не контактує з жорстким розсолом.

Межі тиску і температури
Тефлонові теплообмінники зазвичай обмежуються максимальною робочою температурою 100-110 градусів для безперервної роботи, тоді як деякі виняткові марки PTFE можуть досягати 120-130 градусів. Якщо геотермальний розсіл надходить при температурі 150 градусів, його необхідно попередньо охолодити (наприклад, шляхом змішування з рециркуляційним охолодженим розсолом або за допомогою металевого теплообмінника першого ступеня, який працює вище температури утворення накипу). В якості альтернативи розсіл можна швидко пропарити, а рідкий розсіл охолодити в теплообміннику з ПТФЕ. Для низькотемпературних геотермальних ресурсів (100-120 градусів) кращим є прямий PTFE теплообмінник.

Примітка до процесу Регулярне очищення для видалення накипу
PTFE буде протистояти адгезії накипу, але жоден теплообмінник, що працює на геотермальному розсолі, не зможе залишатися чистим назавжди. З часом тонкий шар аморфного кремнезему або інших мінералів може продовжувати утворюватися, особливо в регіонах з низькою швидкістю. Тому рекомендується проактивний графік прибирання:

Водострумин-під високим тиском (гідроструминна обробка). Струмінь води під тиском 500–1000 бар (7000–14 000 psi) подається у вхідні отвори труб. Тиск води згинає трубки з ПТФЕ та видаляє будь-який накип, не руйнуючи матеріал труби. Це можна зробити, коли теплообмінник встановлений, за допомогою фурми, вставленої з лицьової сторони трубної решетки.

Хімічна промивка: сторона труби промивається розведеною соляною або лимонною кислотою (з відповідними інгібіторами) для розчинення карбонату та сульфіду металу. Кремнезем не розчиняється в кислотах і може бути розчинений за допомогою розбавленого розчину фтористоводневої кислоти (обережно) або лужного миючого засобу (наприклад, гідроксиду натрію з хелатуючим агентом). PTFE є хімічно інертним до цих речовин, тому розчин для очищення не впливає на труби. Але бік корпусу та прокладки потрібно захистити.

Очищення в режимі онлайн (губчасті кульки): шляхом реверсування потоку кульки з поролону, розмір яких дещо перевищує внутрішній діаметр труби, регулярно продуваються через пучок труб. Кульки очищають поверхні труб. Це добре працює з PTFE, оскільки плоска поверхня не стирає та не зачіпає кульки.

Частота очищення буде залежати від вмісту розсолу. Для деяких геотермальних станцій необхідна щомісячна промивка, а для інших може знадобитися щотижневий-водяний струмінь під високим тиском. Основна перевага теплообмінника з PTFE полягає в тому, що після очищення майже 100% початкових показників теплопередачі буде відновлено, оскільки немає постійного утворення накипу чи корозії.

Порівняння з металообмінниками-
Металевий теплообмінник (наприклад, титановий) Тефлоновий теплообмінник
Стійкість до корозії Хороша стійкість до хлоридів, але схильна до точкової корекції під відкладеннями або при високих температурах Чудова; абсолютно непроникний для всіх компонентів геотермального розсолу
Адгезія кремнеземної окалини. Добре зчеплення. Накип є жорстким та ізолюючим. Погане зчеплення; накип має тенденцію відламуватися
Складність очищення: важко. Хімічне очищення може викликати корозію металу. Гідроструминна обробка може пошкодити тонкі стінки. Легко; всі методи очищення безпечні для PTFE
Теплопровідність Висока (10-20 Вт/м·K) Низька (~0,25 Вт/м·K) - потрібна додаткова площа
Maximum service temperature >200 градусів Зазвичай<110°C (continuous)
Ціна за одиницю площі Висока для титану; середній для нержавіючої сталі (хоча нержавіюча сталь іржавіє) Від помірного до високого, оскільки потрібна велика площа
Час простою на технічне обслуговування Часте, видалення накипу та ремонт Час від часу, переважно для планового чищення
Тефлоновий теплообмінник замінює більший фізичний слід (через зниження теплопровідності) на значне зниження корозії та пошкодження накипом. Цей компроміс-досить вигідний у багатьох геотермальних проектах, особливо коли розсіл агресивний і сильно утворюється.

Приклад застосування-в реальному світі
Геотермальна електростанція бінарного циклу потужністю 10 МВт на заході Сполучених Штатів використовує ресурс 130 градусів. Розсіл містить 120 000 ppm хлоридів, 400 ppm кремнезему та H2S. Вперше було встановлено титановий корпус-і-трубний теплообмінник. Через шість місяців накип кремнезему знизив коефіцієнт теплопередачі на 40%, що вимагало відключення на 3 дні кожного місяця для очищення. Поруч із вхідними отворами трубок помічена точкова корозія.

Завод замінив титановий блок кожухотрубним теплообмінником із ПТФЕ, збільшивши кількість і довжину труб для досягнення того самого робочого навантаження. Водяний струмінь під високим тиском, частота чищення зменшена до одного разу на 6 місяців. Після двох років експлуатації труби з ПТФЕ були вільні від корозії, присутній лише мінімальний накип, який легко видалявся. Коефіцієнт потужності заводу було збільшено з 85% до 94% лише за рахунок скорочення часу простою прибирання.

Висновок: Інертна пластична сила Землі
Теплообмінник з ПТФЕ – це стійке до корозії, яке не потребує обслуговування та надійне рішення для жорстких умов геотермального розсолу. Він стійкий до гарячої, надзвичайно солоної та кислої геотермальної рідини, запобігає утворенню твердого кремнезему завдяки своїй антипригарній поверхні та витримує термічні цикли без втоми. Тефлоновий теплообмінник використовується в одному з найбільш стійких у світі джерел базового навантаження: геотермальній енергії. Найбільш хімічно інертні полімери використовують силу Землі. Для операторів геотермальних установок вибір теплообмінника з фторопласту для охолодження розсолу є не компромісом, а обдуманим рішенням, яке забезпечує оплату безвідмовної роботи, менші витрати на технічне обслуговування та десятиліття надійної роботи.