En un escalfador de salmorra geotèrmica (clorur de 2000 ppm, pH 5, 150 graus), com altera l'escalat del sulfat de calci a la funda de titani el gruix de la paret necessari per a una vida útil de disseny de 5 anys?

Compartiment bàsic en el disseny d'escalfadors de titani per a l'escalada de salmorres geotèrmiques
Les salmorres geotèrmiques a 150 graus tenen grans quantitats d'ions calci i sulfat. CaSO4, sulfat de calci. La solubilitat del CaSO4 disminueix amb l'augment de la temperatura i precipita com a escala a les superfícies escalfades. Aquesta escala és la capa aïllant d'un escalfador d'immersió de titani. El gruix de la paret requerit durant 5 anys de vida útil ha de tenir en compte no només la possibilitat de corrosió, sinó també l'escalfament escalat que augmenta la degradació interior. Una paret més gruixuda serà més calenta al principi i, per tant, augmentarà més ràpidament, mentre que una paret més fina serà més fresca però permetrà menys corrosió. Aquest treball avalua l'efecte de l'escala de sulfat de calci sobre el gruix de la paret necessari per sobreviure 5 anys en salmorra geotèrmica a 150 graus.

Impacte en la integritat mecànica: escala per provocar un sobreescalfament
L'escala de sulfat de calci té una conductivitat tèrmica d'uns 1,2 W/m·K, que és 15 vegades inferior a la del titani (17 W/m·K). Una capa d'escala de només 0,5 mm de gruix introdueix una resistència tèrmica de ΔT_scale=q × t_scale / k_scale. Un dipòsit d'escala de 0,5 mm a la superfície exterior de titani provoca un augment de temperatura de 8,3 graus per a un flux de calor de 2,0 W/cm2 (típic dels escalfadors geotèrmics). La superfície escalfada accelera la precipitació posterior de l'escala, un bucle de retroalimentació positiva. El mecanisme de fallada clau passa de la perforació per corrosió al sobreescalfament de l'aïllament intern d'òxid de magnesi. Si la temperatura de la paret interna supera els 350 graus durant molt de temps, l'aïllament de MgO es trencarà. Això provocarà fuites elèctriques i fallades de l'escalfador. A mesura que augmenta el gruix de la paret de titani (és a dir, augmenta la temperatura de la superfície de la línia de base), el gruix de l'escala tolerat abans del sobreescalfament es redueix, és a dir, una neteja més freqüent o un flux de calor més baix.

Efecte sobre el rendiment tèrmic: temperatura de la superfície base i velocitat d'escala
La taxa de producció d'escala de sulfat de calci és una connexió d'Arrhenius amb la temperatura superficial. Per a una paret de titani d'1,0 mm a 2,0 W/cm2 en salmorra de 150 graus, la temperatura de la superfície exterior és d'uns 157 graus (ΔTcond=1.2 grau, ΔTconv assumint h=2000 W/m2K=10 grau). La superfície exterior arriba als 160 graus per a una paret d'1,8 mm. Aquesta diferència de 3 graus correspon a un augment d'aproximadament un 20% de la taxa de deposició d'escala. El més important, però, és que la temperatura de base més gran significa que una capa d'escala més fina provoca un sobreescalfament. t_scale_max=(350 graus - T_surface - ΔT_cond - ΔT_conv) * k_scale/q . Aquest és el gruix màxim de l'escala abans que la paret interior arribi als 350 graus. Per a una paret d'1,0 mm (T_surface=157 grau ), t_scale_max~2,3 mm. Per a un gruix de paret d'1,8 mm (T_surface=160 grau), t_scale_max ≈ 2,0 mm. La diferència és menor, però la paret més gruixuda també escala un 20% més ràpid, per tant, el temps per assolir el gruix de l'escala crítica és un 30% més curt.

La síntesi de compensació: selecció del gruix de la paret amb escala
Gruix de la paret (mm) Superfície T inicial (graus) Escala Taxa de deposició (mm/mes) Mesos fins a la mida crítica (2,0 mm) Vida útil de corrosió (anys) Viabilitat global de 5 anys
0,8 mm 156 graus C 0,30 mm/mes 6,7 mesos > 10 anys No, neteja massa sovint
1,0 mm 157 graus 0,32 mm/mes 6,3 mesos > 10 anys No: necessita neteja cada 6 mesos
1.2 mm 158°C 0.35 mm/month 5.7 months >10 anys No, netejar cada 5 mesos
1,5 mm 159 graus 0,38 mm/mes 5,3 mesos 8 – 10 anysNo, encara cal netejar
Qualsevol Qualsevol > 0,30 mm/mes < 7 mesos Si no hi ha control d'escala, cap gruix de paret durarà 5 anys.
Les estadístiques suggereixen que cap gruix de paret podria assolir una vida útil de disseny de 5 anys sense la prevenció de l'escala, ja que el sulfat de calci es desenvolupa a 0.3 - 0.4 mm/mes i requereix neteja cada 5 - 7 mesos independentment del gruix del titani. El temps per aconseguir l'escala crítica no es veu molt afectat pel gruix de la paret.

Enginyeria fora del mur: prevenció i neteja d'escala
Les úniques solucions pràctiques per aconseguir una vida útil de 5 anys en l'escala de salmorra geotèrmica són la prevenció d'incrustacions o la neteja automatitzada. L'addició d'un inhibidor d'escales (5-10 ppm de poliacrilat o fosfonat) a la salmorra redueix la taxa de deposició a 0,03-0,06 mm/mes (80-90%). La inhibició redueix la freqüència de neteja a cada 3-4 anys per a una paret de titani d'1,2 mm de gruix, i la capacitat de corrosió de la paret (0,01 mm/any des de l'atac de clorur) és mínima. Alternativament, es pot eliminar l'escala abans d'arribar als 0,3 mm de gruix instal·lant un sistema de neteja mecànica (per exemple, rascadors amb molla que viatgen freqüentment pels tubs de l'escalfador). Si el rasqueu un cop a la setmana, qualsevol gruix de paret entre 0,8 mm i 2,0 mm durarà més de 5 anys, ja que l'escala mai arriba prou gruixuda com per provocar un sobreescalfament. Aleshores, el gruix de la paret només ha de satisfer la tolerància a la corrosió dels clorurs (0,05 mm/any màxim, és a dir, . 0.5 mm en 10 anys).

Conclusió: el control de l'escala de salmorra geotèrmica és més important que el gruix de la paret
Per exemple, el gruix de paret necessari d'un escalfador de salmorra geotèrmica a 150 graus amb 2000 ppm de clorur i sulfat de calci no es pot predir per a una vida útil de disseny de 5 anys sense tenir en compte la formació d'escala. Dipòsits de cal incontrolats de 0,3 a 0,4 mm/mes que requereixen neteja cada 5 a 7 mesos independentment del gruix de la paret de titani (0,8 mm o 2,0 mm). Inhibició de l'escala química (reducció del 90% de la taxa de deposició) una paret estàndard d'1,2 mm donarà 5+ anys de funcionament i la corrosió permesa pel clorur és insignificant. El millor estàndard per al servei de salmorra geotèrmica és un gruix de paret de titani d'1,2-1,5 mm amb sistema d'injecció d'inhibidor d'escales o neteja mecànica automatitzada. Demaneu al fabricant que proporcioni la concentració estimada de calci (ppm Ca 2+ ) i la concentració de sulfat (ppm SO 4 2- ) per determinar la taxa de deposició d'escala prevista i que requereixi un pla de gestió de l'escala com a part de l'especificació de l'escalfador. El gruix de la paret no és suficient per proporcionar una longevitat de 5 anys en salmorres escalades.