Sügaval maa all suubub kaev kõrvetavalt kuuma mineraalirikka soolvee mahutisse -söövitavasse suppi, mis koosneb lahustunud sooladest, ränidioksiidist ja sageli happelistest gaasidest. See soolvesi on geotermilise elektrijaama elujõud ja selle soojus tuleb üle kanda puhtale töövedelikule. Primaarne soojusvaheti, määrdunud, agressiivse maanduse ja puhta energiatsükli vaheline liides, seisab silmitsi lakkamatu korrosiooni ja katlakivi rünnakuga. PTFE kestast ja torust koosnev soojusvaheti oma painduvate, keemiliselt inertsete torudega on tugev ja vastupidav tööhobune, mis on ehitatud just selliseks võitluseks.
Geotermilise soolvee väljakutse
Geotermiline soolvesi ei ole tavaline soolane vesi. See väljub kaevudest, mille temperatuur on tavaliselt vahemikus 100–150 kraadi (ja mõnikord ka kõrgemal), kusjuures kogu lahustunud tahke aine (TDS) on sageli üle 100 000 ppm{5}} kümme korda suurem kui merevees. Soolvesi sisaldab kloriide, sulfaate, karbonaate ja raskemetalle, nagu plii, tsink ja arseen. Lisaks on lahustunud gaasid, sealhulgas süsinikdioksiid (CO₂), vesiniksulfiid (H₂S) ja mõnikord ammoniaak, mis loovad happelise keskkonna (pH võib langeda 4-ni või madalamale).
Soojusvaheti materjalide kõige kahjulikumad komponendid on:
Kloriidiioonid:Põhjustada roostevaba terase ja isegi kõrge niklisisaldusega sulamite täpi- ja pingekorrosioonipragusid.
Lahustatud ränidioksiid (SiO₂):Soolvee jahtudes sadestub ränidioksiid, moodustades soojusülekandepindadele kõva, klaasitaolise katlakivi. Seda katlakivi on äärmiselt raske eemaldada ja see isoleerib kiiresti soojusvaheti, hävitades soojusliku jõudluse.
Vesiniksulfiid:Reageerib vasepõhiseid sulameid ja paljusid mustmetalle.
Tavaline metallist soojusvaheti (nt titaanist või superausteniitsest roostevabast terasest) võib mõnda aega kloriididele vastu seista, kuid ränidioksiidi kihistumine on endiselt tõsine probleem. Katlakivi koguneb metallpindadele, mis nõuab sagedast keemilist või mehaanilist puhastamist, mis põhjustab seisakuid ja metalli hõrenemist. Korrosioon, isegi madala kiirusega, põhjustab lõpuks õhukeste toruseinte perforatsiooni. Selles keskkonnas onPTFE soojusvaheti geotermiline soolvee jahutuslahendus pakub põhimõtteliselt teistsugust lähenemist.
Kuidas PTFE soojusvaheti korrosioonile ja katlakivile vastu peab
PTFE kesta ja toruga soojusvaheti on tavaliselt konfigureeritud nii, et kuum geotermiline soolvesi voolab läbitoru poolja puhas töövedelik (nt vesi, orgaaniline Rankine'i tsükli vedelik või sekundaarne jahutusvedelik), mis voolab korpuse küljel. PTFE torud, mille tüüpiline välisläbimõõt on 5–10 mm ja seinapaksus 0,5–1 mm, on valmistatud puhtast, täitmata PTFE-st -, mis on täiesti immuunne kloriidide, vesiniksulfiidi, orgaaniliste hapete ja kogu pH-vahemiku suhtes (v.a sula leelismetallid ja elementaarne fluor).
Korrosioonikindlus
PTFE-l ei ole reaktiivseid keemilisi sidemeid, mida geotermilises soolvees leiduvad liigid saaksid rünnata. See ei korrodeeri, ei tekita metalliioone ega leostu. Erinevalt metalltorudest, mis kaotavad aeglaselt seina paksuse või tekivad kuude või mõne aasta pärast lekkeid, võivad PTFE-torud geotermilises töös kesta aastakümneid. Puudub kloriidist põhjustatud pingekorrosioonipragunemise oht, mis on metallist geotermiliste soojusvahetite tavaline rike.
Katlakivikindlus (madal haardumine)
PTFE sileda, mittekleepuva pinna pinnaenergia on väga madal (ligikaudu 18 mN/m). See tähendab, et ränidioksiidi katlakivi, nagu ka muud mineraalsed ladestused (kaltsiumkarbonaat, kaltsiumsulfaat, metallsulfiidid), ei kleepu tugevalt toru seintele. Katlakivi kipub jääma pigem lahtise pulbri või õhukese kergesti eemaldatava kilena, mitte kõva isoleeriva glasuurina. Termiline tsükkel ja painduvate torude loomulik vibratsioon põhjustavad kleepunud sademete koorumist. Selle tulemusel säilitab PTFE soojusvaheti oma soojusülekande efektiivsust palju kauem kui sama teenuse metallivaheti.
Paindlikkus termilise jalgrattasõidu jaoks
Geotermilised kaevud töötavad sageli voolukiiruse ja temperatuuri kõikumisega, põhjustades soojusvaheti termilist tsüklit. PTFE torud on paindlikud. Need võivad temperatuurimuutustega laieneda ja kokku tõmbuda, ilma et tekiksid väsimuspraod. Metalltorud on seevastu jäigad ja võivad kogeda tsüklilist termilist pinget torude ja torude ühenduskohtades, mis põhjustab aja jooksul rikke.
PTFE-jahuti on keemiliselt pime, vastupidav hiiglane, mis rüüpab kõrvetavat soolast maavett ja annab rahulikult oma tule edasi puhtale energiatsüklile.
Geotermilise teenuse kavandamise kaalutlused
Usaldusväärse pikaajalise töö tagamiseks tuleb geotermilise soolvee PTFE soojusvaheti projekteerida konkreetsete parameetritega:
Torupoolne kiirus
Geotermilises soolvees leidub alati hõljuvaid tahkeid aineid (ränidioksiidosakesed, liiv, metallisulfiidid). Kui soolvee kiirus torudes on liiga väike, settivad need tahked ained välja, põhjustades voolu ummistumist ja lokaalset katlakivi. Tahkete ainete kaasas hoidmiseks on tavaliselt ette nähtud torupoolne minimaalne kiirus 1,5–2,0 m/s. Kuid kuna PTFE-l on sile pind ja madal hõõrdumine, võib vastuvõetav olla veidi väiksem kiirus kui metalltorude puhul (kus on muret tekitav erosioon). Maksimaalset kiirust piiravad rõhulangus ja toru sisselaskeava otste erosioon (kuigi PTFE on osakeste erosioonile üsna vastupidav).
Torukomplekti konfiguratsioon
PTFE torud on tavaliselt paigutatud kolmnurkse sammuga, et maksimeerida soojusülekande pindala antud kesta läbimõõdus. Kuna PTFE-l on madal soojusjuhtivus (ligikaudu 0,25 W/m·K), tuleb seina paksus minimeerida (0,5–1,0 mm), et säilitada mõistlik üldine soojusülekandetegur. Mõnikord kasutatakse pikendatud pindu (uimedega torusid), kuid lisanduv keerukus ja ribide määrdumise oht kaaluvad sageli üles kasu. Seetõttu suurendatakse soojusülekande kogupindala suure hulga pikkade õhukeste torude kasutamisega.
Kestapoolne töövedelik
Puhas töövedelik kesta poolel peab ühilduma PTFE-ga (enamik vedelikke, välja arvatud teatud lahustid kõrgel temperatuuril). Korpus ise võib olla valmistatud süsinikterasest või roostevabast terasest, seestpoolt kaitstud PTFE-vooderdusega või korrosioonikaitsega, kuna kest ei puutu kunagi kokku agressiivse soolveega.
Rõhu ja temperatuuri piirangud
PTFE-vahetite maksimaalne töötemperatuur on tavaliselt pidevaks tööks piiratud 100–110 kraadiga, kuigi mõned spetsiaalsed PTFE-klassid võivad ulatuda 120–130 kraadini. Kui geotermiline soolvesi siseneb temperatuurile 150 kraadi, tuleb seda eeljahutada (nt segades ringlusse jahutatud soolveega või kasutades esimese astme metallivahetit, mis töötab katlakivi temperatuurist kõrgemal). Teise võimalusena võib soolvee auruks ajada ja vedelat soolvett seejärel PTFE-vahetis jahutada. Madalama temperatuuriga geotermiliste ressursside jaoks (100–120 kraadi) on otsene PTFE soojusvaheti ideaalne.
Märkus protsessi kohta: regulaarne puhastamine katlakivi eemaldamiseks
Kuigi PTFE peab vastu katlakivi adhesioonile, ei saa ükski geotermilises soolvees töötav soojusvaheti jääda lõputult täiesti puhtaks. Aja jooksul võib siiski koguneda õhuke kiht amorfset ränidioksiidi või muid mineraale, eriti madala kiirusega piirkondades. Seetõttu on soovitatav ennetav puhastusgraafik:
Kõrgsurve veejoa (hüdroblastimine):Toru sisselaskeavadesse suunatakse veejuga rõhul 500–1000 baari (7000–14 000 psi). Veesurve painutab PTFE torusid ja eemaldab lahtise katlakivi ilma toru materjali kahjustamata. Seda saab teha, kui soojusvaheti on paigas, kasutades toru, mis sisestatakse toru lehe esiküljelt.
Keemiline loputus:Lahjendatud vesinikkloriid- või sidrunhape (koos sobivate inhibiitoritega) tsirkuleeritakse läbi toru külje, et lahustada karbonaadi ja metallsulfiidi katlakivi. Happes mittelahustuva ränidioksiidi puhastamiseks võib kasutada lahjendatud vesinikfluoriidhappe lahust (käitlege ettevaatlikult) või leeliselist puhastusvahendit (nt naatriumhüdroksiidi koos kelaativa ainega). Kuna PTFE on nende ainete suhtes keemiliselt inertne, ei kahjusta puhastuslahus torusid. Siiski tuleb kaitsta korpuse külge ja tihendeid.
Veebipuhastus (käsnapallid):Vahtkummist kuulid, mis on veidi suuremad kui toru siseläbimõõt, lastakse perioodiliselt läbi torukimbu, pöörates voolu tagasi. Pallid küürivad torupinnad puhtaks. See tehnika töötab hästi PTFE-ga, kuna sile pind ei võta kuule kinni ega hõõru neid.
Puhastamise sagedus sõltub soolvee koostisest. Mõnel geotermilisel väljal piisab igakuisest loputamisest; teistes võib osutuda vajalikuks iganädalane kõrgsurve veejuga. PTFE soojusvaheti peamine eelis on see, et puhastamine taastab peaaegu 100% esialgsest soojusülekande jõudlusest, kuna ei teki püsivat katlakivi ega korrosioonikahjustusi.
Võrdlus metallivahetitega
| Funktsioon | Metallivaheti (nt titaan) | PTFE soojusvaheti |
|---|---|---|
| Korrosioonikindlus | Hea kloriidide vastu, kuid võib lademete all või kõrgel temperatuuril süvendada | Suurepärane; täiesti immuunne kõikide geotermilise soolvee komponentide suhtes |
| Ränidioksiidi skaala adhesioon | Tugev adhesioon; katlakivi on kõva ja isoleeriv | Nõrk adhesioon; katlakivi kipub ketendama |
| Puhastamise raskus | Raske; keemiline puhastus võib metalli korrodeerida; hüdroblasting võib õhukesi seinu kahjustada | Lihtne; kõik puhastusmeetodid on PTFE jaoks ohutud |
| Soojusjuhtivus | Kõrge (10–20 W/m·K) | Madal (~0,25 W/m·K) – vajab rohkem pinda |
| Maksimaalne töötemperatuur | >200 kraadi | Tavaliselt vähem kui 110 kraadi või sellega võrdne (pidev) |
| Kulu pindalaühiku kohta | Kõrge titaani jaoks; keskmine roostevaba terase puhul (kuid roostevaba korrodeerub) | Mõõdukas kuni kõrge, kuna nõutav on suur ala |
| Hooldusseisakud | Sage katlakivi eemaldamiseks ja parandamiseks | harva; enamasti tavapäraseks puhastamiseks |
PTFE soojusvaheti annab suurema füüsilise jalajälje (madalama soojusjuhtivuse tõttu), et vähendada oluliselt korrosiooni- ja katlakivitõrkeid. Paljudes geotermilistes rajatistes on see kompromiss väga soodne, eriti kui soolvesi on nii agressiivne kui ka tugevasti katlakivi.
Reaalse maailma rakenduse näide
Ameerika Ühendriikide lääneosas asuv geotermiline kahetsükliline elektrijaam toodab 10 MW elektrit ressursist 130 kraadi juures. Soollahus sisaldab 120 000 ppm kloriide, 400 ppm ränidioksiidi ja H₂S. Algselt paigaldati titaanist kestast ja torust koosnev soojusvaheti. Kuue kuu pärast oli ränidioksiidi kate vähendanud soojusülekandetegurit 40% ja puhastamine nõudis iga kuu 3-päevast seiskamist. Toru sisselaskeavade lähedal täheldati punktkorrosiooni.
Tehas asendas titaanmooduli PTFE kestast ja torust koosneva soojusvahetiga, suurendades torude arvu ja pikkust, et saavutada sama ülesanne. Puhastamise sagedus langes kord poole aasta jooksul, kasutades kõrgsurveveejuga. Pärast kaheaastast töötamist ei ilmnenud PTFE-torudel korrosiooni ja ainult väikest, kergesti eemaldatavat katlakivi. Tehase võimsustegur paranes 85%-lt 94%-le ainuüksi puhastusseisaku lühenemise tõttu.
Järeldus: Maa jõu kasutamine inertse plastiga
PTFE-soojusvaheti on vastupidav, vähe hooldust nõudev ja korrosioonikindel lahendus geotermilise soolvee jõhkra ja kihistuva keskkonna jaoks. See peab vastu kuumale, väga soolasele ja happelisele geotermilisele vedelikule, takistab kõva ränidioksiidi katlakivi tekkimist läbi selle mittenakkuva pinna ja talub väsimatult termilist tsüklit. PTFE soojusvaheti on maailma ühe säästvama baaskoormusjõuallika-geotermilise energia oluline komponent. Maa jõudu kasutab kõige keemiliselt inertsem plast. Geotermiliste elektrijaamade operaatorite jaoks ei ole PTFE soojusvaheti määramine soolvee jahutamiseks kompromiss; see on strateegiline otsus, mis toob kasu tööaega, väiksemaid hoolduskulusid ja aastakümneid kestnud usaldusväärset teenindust.
