Com s'utilitzen els intercanviadors de PTFE per refredar la salmorra calenta d'un pou geotèrmic?

Un pou toca un enorme dipòsit de salmorra-mineral i calenta escaldante, una sopa corrosiva de sals dissoltes, sílice i gasos sovint àcids, a les profunditats de la superfície. La salmorra és el nucli d'una central geotèrmica i la calor s'ha de transferir a un fluid de treball net. La corrosió i l'escala ataquen constantment l'intercanviador de calor principal, on la terra bruta i agressiva es troba amb el cicle d'energia net. Els tubs flexibles i químicament inerts de la carcassa de PTFE-i l'-intercanviador de tubs són el cavall de batalla resistent i resistent per a aquesta lluita.

El repte de la salmorra geotèrmica
La salmorra geotèrmica no és aigua salada normal. Provenen de pous a temperatures generalment entre 100 i 150 graus (ocasionalment més calents) i els sòlids dissolts totals (TDS) sovint superen les 100.000 ppm-deu vegades més que l'aigua salada. La salmorra conté clorurs, sulfats, carbonats i metalls pesants com plom, zinc, arsènic. També hi ha gasos dissolts com el diòxid de carboni (CO2), el sulfur d'hidrogen (H2S) i de vegades l'amoníac, que creen un ambient àcid (el pH pot ser tan baix com 4 o inferior).

Els materials més perjudicials per als intercanviadors de calor són:

Els ions de clorur poden provocar picadures i esquerdes per corrosió per tensió dels acers inoxidables i fins i tot d'aliatges d'alt-níquel.

Sílice dissolta (SiO2): la sílice precipita a mesura que la salmorra es refreda i forma una escala dura, semblant al vidre-a les superfícies de transferència de calor. Aquesta escala és molt difícil d'eliminar i aïlla ràpidament l'intercanviador, eliminant el rendiment tèrmic.

Sulfur d'hidrogen: ataca molts metalls ferrosos i aliatges de coure.

El problema de l'escala de sílice encara és molt greu, tenint en compte que un intercanviador de calor metàl·lic convencional (titani o acer inoxidable superaaustenític) pot tolerar els clorurs durant un període de temps. L'escala es forma a les superfícies metàl·liques i requereix una neteja química o mecànica regular, la qual cosa provoca temps d'inactivitat i un eventual debilitament del metall. La perforació de les parets del tub estret es produirà fins i tot amb baixes taxes de corrosió. En aquest context, la solució de refrigeració de salmorra geotèrmica d'intercanviador de PTFE representa una alternativa radical.

Com un intercanviador de PTFE lluita contra la corrosió i l'escala
Normalment, un intercanviador de calor-i-tubs de PTFE està dissenyat de manera que la salmorra geotèrmica calenta passa pel costat del tub i un fluid de treball net (p. ex. aigua, un fluid de cicle Rankine orgànic o un refrigerant secundari) passa pel costat de la carcassa. Els tubs de PTFE tenen un diàmetre exterior típic de 5-10 mm i un gruix de paret de 0,5-1 mm. Estan fets de PTFE verge sense farcit, un material totalment resistent als clorurs, el sulfur d'hidrogen, els àcids orgànics i tot el rang de pH (excepte metalls alcalins fosos i fluor elemental).

Resistència a la corrosió
El PTFE no té enllaços químics reactius per ser danyats pels organismes de la salmorra geotèrmica. No corroeix, no perfora ni lixivia els ions metàl·lics. Els tubs de PTFE en funcionament geotèrmic suporten dècades, mentre que els tubs metàl·lics perden el gruix de la paret lentament o desenvolupen fuites de forats al cap de mesos o uns quants anys. No hi ha possibilitat d'esquerdes per corrosió per tensió induïda per clorur-, un mode de fallada comú per als intercanviadors geotèrmics metàl·lics.

Resistència a l'escala (baixa fricció)
El PTFE té una superfície llisa i antiadherent- amb una energia superficial molt baixa (uns 18 mN/m). Això significa que l'escala de sílice i altres dipòsits minerals (carbonat de calci, sulfat de calci, sulfurs metàl·lics) no s'adhereixen fermament a les parets del tub. És probable que l'escala es mantingui com una pols solta o una pel·lícula fina i fàcilment eliminable i no un esmalt dur i aïllant. El cicle tèrmic i la vibració natural dels tubs flexibles elimina qualsevol dipòsit adherent. Així, l'eficiència de transferència de calor de l'intercanviador de PTFE es manté durant molt més temps que la d'un intercanviador de metall en la mateixa aplicació.

Flexibilitat per suportar el cicle tèrmic
El cicle tèrmic de l'intercanviador de calor és causat habitualment per fluctuacions en el cabal i la temperatura en què operen els pous geotèrmics. Els tubs de PTFE també són flexibles. S'expandeixen i es comprimeixen amb els canvis de temperatura sense produir esquerdes de fatiga. Els tubs metàl·lics són rígids i estan sotmesos a estrès tèrmic cíclic a les unions de tub a fulla de tubs, la qual cosa condueix a fallades amb el temps.

El refrigerador de PTFE és un monstre químicament inert i resistent, que beu l'aigua-de terra escaldat i salada i que passa suaument el foc al cicle d'energia neta.

Consideracions de disseny per al servei d'energia geotèrmica
Per proporcionar un funcionament fiable a llarg termini-, l'intercanviador de PTFE per a salmorra geotèrmica s'ha de construir amb els paràmetres següents:

Velocitat al costat del tub
La salmorra geotèrmica sempre conté sòlids en suspensió (partícules de sílice, sorra, sulfurs metàl·lics). Si la velocitat de la salmorra a l'interior dels tubs és massa baixa, les partícules s'assentaran provocant una escala local i un bloqueig del flux. Normalment es prescriu una velocitat lateral mínima del tub d'1,5-2,0 m/s per mantenir els sòlids arrastrats. Tanmateix, el PTFE té una superfície llisa amb poca fricció i una velocitat una mica més baixa que per als tubs metàl·lics (on l'erosió és una preocupació) pot ser acceptable. La velocitat màxima està restringida per la pèrdua de pressió i per la corrosió dels extrems d'entrada del tub (tot i que el PTFE és molt resistent a l'erosió de partícules).

Arranjament del paquet de tubs
Els tubs de PTFE es disposen normalment en un pas de triangle per maximitzar l'àrea de transferència de calor en un diàmetre de closca determinat. La baixa conductivitat tèrmica del PTFE (uns 0,25 W/m·K) requereix la minimització del gruix de la paret (0,5-1,0 mm) per mantenir un coeficient de transferència de calor global satisfactori. De vegades s'utilitzen superfícies esteses (tubs amb aletes), però l'augment de la complexitat i el risc d'encrasses a les aletes sovint superen els beneficis. Per tant, s'utilitzen un gran nombre de tubs llargs i prims per maximitzar l'àrea total de transmissió de calor.

Fluid de treball per al costat de la closca
El fluid de treball del costat de la carcassa ha d'estar net i compatible amb PTFE (la majoria de fluids són, excepte alguns dissolvents a altes temperatures). La closca en si pot estar feta de carboni o d'acer inoxidable protegida internament per un revestiment de PTFE o per un suport de corrosió, ja que la carcassa mai entra en contacte amb la salmorra dura.

Límits de pressió i temperatura
Els intercanviadors de PTFE normalment es limiten a una temperatura de funcionament màxima de 100-110 graus per a un servei continu, mentre que certs graus de PTFE excepcionals poden arribar als 120-130 graus . Si la salmorra geotèrmica entra a 150 graus, s'ha de refredar prèviament (per exemple, barrejant amb salmorra refrigerada recirculada o mitjançant un intercanviador metàl·lic de primera etapa que superi la temperatura d'escala). Alternativament, la salmorra es pot fer passar al vapor i la salmorra líquida es pot refredar en un intercanviador de calor de PTFE. Per als recursos geotèrmics de baixa temperatura (100-120 graus) es prefereix un intercanviador directe de PTFE.

Nota del procés Neteja periòdica per eliminar les incrustacions
El PTFE resistirà l'adhesió de l'escala, però cap intercanviador de calor que funcioni amb salmorra geotèrmica pot mantenir-se net per sempre. Amb el temps, una fina capa de sílice amorfa o altres minerals pot continuar acumulant-se, especialment a les regions de baixa velocitat. Per tant, es recomana un calendari de neteja proactiu:

Jet d'aigua d'alta-pressió (hidrovoladura). Un raig d'aigua a 500-1.000 bar (7.000-14.000 psi) es lliura a les entrades del tub. La pressió de l'aigua doblega els tubs de PTFE i desallotja qualsevol escala solta sense destruir el material del tub. Això es pot fer amb l'intercanviador al seu lloc, mitjançant l'ús d'una llança inserida des de la cara de la làmina del tub.

Rentat químic: el costat del tub es renta amb àcid clorhídric o cítric diluït (amb inhibidors adequats) per dissoldre l'escala de carbonat i sulfur metàl·lic. L'escala de sílice no és soluble en àcids i es pot dissoldre amb una solució diluïda d'àcid fluorhídric (compte amb compte) o un netejador alcalí (p. ex., hidròxid de sodi amb un agent quelant). El PTFE és químicament inert amb aquestes substàncies i, per tant, els tubs no es veuen afectats per la solució de neteja. Però cal protegir el costat de la carcassa i les juntes.

Neteja en línia (boles d'esponja): en invertir el flux, boles de goma d'escuma una mica més grans que el diàmetre interior del tub s'exploten regularment a través del feix de tubs. Les boles netegen les superfícies del tub. Això funciona bé amb PTFE, ja que la superfície plana no raspa ni enganxa les boles.

La freqüència de neteja dependrà del contingut de salmorra. Per a alguns llocs geotèrmics és necessari un rentat mensual, mentre que per a d'altres pot ser necessari un raig d'aigua a alta pressió-setmanal. El principal avantatge de l'intercanviador de PTFE és que després de netejar gairebé el 100% del rendiment de transferència de calor original es restaurarà, ja que no hi ha cap descamació permanent ni danys per corrosió.

Comparació amb intercanviadors-metalls
Característiques Bescanviador de metall (per exemple, titani) Bescanviador de PTFE
Resistència a la corrosió Bona resistència als clorurs, però propens a picar sota dipòsits o a altes temperatures. totalment impermeable a tots els components de la salmorra geotèrmica
Adhesió de l'escala de sílice Bona adherència L'escala és rígida i aïllant Poca adherència; l'escala tendeix a trencar-se
Dificultat de neteja: dura. La neteja química pot corroir el metall. L'hydroblasting pot danyar parets primes. Fàcil; totes les tècniques de neteja són segures per al PTFE
Conductivitat tèrmica alta (10-20 W/m·K) baixa (~0,25 W/m·K) - necessita àrea addicional
Maximum service temperature >200 graus Típicament<110°C (continuous)
Preu per unitat d'àrea Alt per al titani; mitjà per a acer inoxidable (tot i que l'acer inoxidable s'oxidarà) De moderat a alt a causa de la gran àrea necessària
Temps d'inactivitat de manteniment Freqüents, descalcificació i reparació Ocasionals, sobretot per a la neteja rutinària
L'intercanviador de PTFE comercialitza una petjada física més gran (perquè disminueix la conductivitat tèrmica) per a una disminució considerable de la corrosió i les fallades d'escala. Aquesta compensació-és força favorable en molts projectes geotèrmics, sobretot quan la salmorra és agressiva i molt escalada.

Exemple d'aplicació del-món real
Una central elèctrica de cicle binari geotèrmic de 10 MW a l'oest dels Estats Units utilitza un recurs de 130 graus. La salmorra consta de 120.000 ppm de clorurs, 400 ppm de sílice i H2S. Es va instal·lar per primera vegada un intercanviador-i-de tubs de titani. Després de sis mesos, l'escala de sílice va reduir el coeficient de transferència de calor un 40% i va requerir un tancament de 3 dies cada mes per netejar-lo. Als voltants de les entrades del tub es va notar corrosió per picades.

La planta va substituir la unitat de titani per una carcassa de PTFE i un intercanviador de tubs, augmentant el recompte i la longitud de tubs per aconseguir la mateixa càrrega de treball. Raig d'aigua a alta pressió, freqüència de neteja fins a un cop cada 6 mesos Després de dos anys de funcionament, els tubs de PTFE estaven lliures de corrosió i només hi havia una escala mínima i es va eliminar fàcilment. El factor de capacitat de la planta es va millorar del 85% al ​​94% només reduint el temps d'inactivitat de neteja.

Conclusió: Poder plàstic inert de la Terra
Un intercanviador de calor de PTFE és la solució a prova de corrosió, de baix manteniment i robusta per al dur entorn d'escalat de la salmorra geotèrmica. Resisteix al fluid geotèrmic calent, extremadament salí i àcid, evita l'escalada de sílice dura amb la seva superfície antiadherent-i sobreviu als cicles tèrmics sense fatiga. L'intercanviador de PTFE s'utilitza en una de les fonts d'energia de càrrega base més sostenibles del món: l'energia geotèrmica. Els polímers més químicament inerts utilitzen el poder de la Terra. Per als operadors de plantes geotèrmiques, seleccionar un intercanviador de PTFE per a la refrigeració de la salmorra no és un compromís, sinó una decisió deliberada que ofereix beneficis en temps d'activitat, menors costos de manteniment i dècades de funcionament fiable.