كيف يتم استخدام مبادلات PTFE في تبريد الماء الملحي الساخن من بئر الطاقة الحرارية الأرضية؟
ترك رسالة
يستخرج البئر خزانًا ضخمًا من المحلول الملحي الساخن المحمل بالمعادن-وحساء مسبب للتآكل من الأملاح الذائبة والسيليكا والغازات الحمضية في كثير من الأحيان، عميقًا تحت السطح. يعتبر المحلول الملحي هو جوهر محطة الطاقة الحرارية الأرضية ويجب نقل الحرارة إلى سائل عمل نظيف. يهاجم التآكل والقشور باستمرار المبادل الحراري الرئيسي، حيث تلتقي الأرض القذرة العدوانية بدورة الطاقة النظيفة. تعتبر الأنابيب المرنة الخاملة كيميائيًا لقذيفة PTFE-و-مبادل الأنابيب بمثابة العمود الفقري القوي والمرن لهذه المعركة.
تحدي المياه المالحة الحرارية الأرضية
المياه المالحة الحرارية الأرضية ليست مياه مالحة عادية. وهي تأتي من آبار تتراوح درجات حرارتها عادةً بين 100 درجة و150 درجة (أحيانًا أكثر سخونة) مع إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) التي غالبًا ما تتجاوز 100000 جزء في المليون-عشرة أضعاف المياه المالحة. يحتوي المحلول الملحي على الكلوريدات والكبريتات والكربونات والمعادن الثقيلة مثل الرصاص والزنك والزرنيخ. توجد أيضًا غازات مذابة بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون (CO2) وكبريتيد الهيدروجين (H2S) وأحيانًا الأمونيا، مما يخلق بيئة حمضية (قد يصل الرقم الهيدروجيني إلى 4 أو أقل).
أكثر المواد الضارة بالمبادلات الحرارية هي:
قد تتسبب أيونات الكلوريد في حدوث تنقر وتشقق بسبب التآكل الإجهادي للفولاذ المقاوم للصدأ وحتى سبائك النيكل العالية-.
السيليكا المذابة (SiO2): تترسب السيليكا عندما يبرد المحلول الملحي وتشكل قشورًا صلبة تشبه الزجاج- على أسطح نقل الحرارة. من الصعب للغاية إزالة هذا المقياس ويعزل المبادل بسرعة، مما يلغي الأداء الحراري.
كبريتيد الهيدروجين: يهاجم العديد من المعادن الحديدية وسبائك النحاس.
لا تزال مشكلة تقشر السيليكا خطيرة للغاية، مع الأخذ في الاعتبار أن المبادل الحراري المعدني التقليدي (التيتانيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق الأوستنيتي) يمكنه تحمل الكلوريدات لفترة من الزمن. تتشكل القشور على الأسطح المعدنية وتتطلب تنظيفًا كيميائيًا أو ميكانيكيًا منتظمًا، مما يتسبب في توقف العمل وإضعاف المعدن في نهاية المطاف. سيحدث ثقب في جدران الأنابيب الضيقة في النهاية حتى مع انخفاض معدلات التآكل. في هذا السياق، يمثل حل التبريد بالمياه المالحة لمبادل PTFE بديلاً جذريًا.
كيف يحارب مبادل PTFE التآكل والتحجيم
عادةً ما يتم تصميم المبادل الحراري للأنبوب -والأنبوب PTFE بحيث يمر المحلول الملحي الحراري الأرضي عبر جانب الأنبوب ويمر سائل العمل النظيف (على سبيل المثال، الماء أو سائل دورة رانكين العضوي أو مبرد ثانوي) عبر جانب الغلاف. تتميز أنابيب PTFE بقطر خارجي نموذجي يبلغ 5-10 مم وسمك جدار يبلغ 0.5-1 مم. إنها مصنوعة من مادة PTFE البكر غير المملوءة المقاومة تمامًا للكلوريدات وكبريتيد الهيدروجين والأحماض العضوية ونطاق الأس الهيدروجيني بأكمله (باستثناء المعادن القلوية المنصهرة والفلور العنصري).
مقاومة التآكل
لا يحتوي PTFE على روابط كيميائية تفاعلية يمكن أن تتلفها الكائنات الحية الموجودة في محلول ملحي للطاقة الحرارية الأرضية. لا يتآكل أو يحفر أو يرشح الأيونات المعدنية. تتحمل أنابيب PTFE في العمليات الحرارية الأرضية عقودًا من الزمن، في حين تفقد الأنابيب المعدنية سماكة جدارها ببطء أو تتطور إلى تسربات ذات ثقب صغير بعد أشهر أو بضع سنوات. ليس هناك احتمال لحدوث تشقق بسبب التآكل الإجهادي بالكلوريد-، وهو وضع فشل شائع للمبادلات الحرارية الأرضية المعدنية.
مقاومة النطاق (احتكاك منخفض)
يتميز PTFE بسطح أملس-غير لاصق مع طاقة سطحية منخفضة جدًا (حوالي 18 ملي نيوتن/م). وهذا يعني أن قشور السيليكا والرواسب المعدنية الأخرى (كربونات الكالسيوم وكبريتات الكالسيوم والكبريتيدات المعدنية) لن تلتصق بقوة بجدران الأنبوب. من المرجح أن يظل المقياس على شكل مسحوق سائب أو طبقة رقيقة يمكن إزالتها بسهولة وليس طبقة زجاجية عازلة صلبة. يعمل التدوير الحراري والاهتزاز الطبيعي للأنابيب المرنة على إزالة أي رواسب ملتصقة. وبالتالي يتم الحفاظ على كفاءة نقل الحرارة لمبادل PTFE لفترة أطول بكثير من كفاءة المبادل المعدني في نفس التطبيق.
المرونة في تحمل الدراجات الحرارية
عادةً ما يحدث التدوير الحراري للمبادل الحراري بسبب التقلبات في معدل التدفق ودرجة الحرارة التي تعمل فيها آبار الطاقة الحرارية الأرضية. أنابيب PTFE مرنة أيضًا. إنها تتوسع وتنضغط مع التغيرات في درجة الحرارة دون أن تنتج شقوق التعب. الأنابيب المعدنية قاسية وتتعرض للإجهاد الحراري الدوري عند الوصلات بين الأنابيب والصفائح، مما يؤدي إلى فشلها مع مرور الوقت.
يعتبر مبرد PTFE خاملًا كيميائيًا ووحشًا قويًا، يشرب الماء الحار والمالح-ويمرر نيرانه بلطف إلى دورة الطاقة النظيفة.
اعتبارات التصميم لخدمة الطاقة الحرارية الأرضية
لتوفير عملية موثوقة على المدى الطويل-، يجب إنشاء مبادل PTFE للمحلول الملحي الحراري الأرضي باستخدام المعلمات التالية:
السرعة على جانب الأنبوب
يحتوي المحلول الملحي الحراري الأرضي دائمًا على مواد صلبة عالقة (جزيئات السيليكا والرمل والكبريتيدات المعدنية). إذا كانت سرعة المحلول الملحي داخل الأنابيب منخفضة جدًا، فسوف تستقر الجزيئات مما يؤدي إلى تحجيم محلي وعرقلة التدفق. عادةً ما يتم وصف الحد الأدنى لسرعة جانب الأنبوب بمقدار 1.5-2.0 م/ث للحفاظ على المواد الصلبة محصورة. ومع ذلك، فإن PTFE له سطح أملس مع احتكاك قليل وسرعة أقل إلى حد ما من الأنابيب المعدنية (حيث يكون التآكل مصدر قلق) قد يكون مقبولاً. السرعة القصوى مقيدة بفقد الضغط وتآكل أطراف مدخل الأنبوب (على الرغم من أن PTFE مقاوم للغاية لتآكل الجسيمات).
ترتيب حزمة الأنبوب
عادةً ما يتم وضع أنابيب PTFE على أرضية مثلثة لتعظيم مساحة نقل الحرارة في قطر غلاف معين. تتطلب الموصلية الحرارية المنخفضة لـ PTFE (حوالي 0.25 واط/م·ك) تقليل سمك الجدار (0.5-1.0 مم) للاحتفاظ بمعامل نقل الحرارة الإجمالي المُرضي. يتم أحيانًا استخدام الأسطح الممتدة (الأنابيب ذات الزعانف) ولكن التعقيد المتزايد وخطر اتساخ الزعانف يفوق الفوائد في كثير من الأحيان. ولذلك يتم استخدام عدد كبير من الأنابيب الطويلة والرفيعة لتعظيم إجمالي مساحة نقل الحرارة.
سائل العمل لجانب الصدفة
يجب أن يكون سائل العمل الموجود على جانب الغلاف نظيفًا ومتوافقًا مع PTFE (معظم السوائل، بخلاف بعض المذيبات، تكون في درجات حرارة عالية). يمكن أن تكون القشرة نفسها مصنوعة من الكربون أو الفولاذ المقاوم للصدأ المحمي داخليًا ببطانة PTFE أو عن طريق مقاومة التآكل حيث لا تتلامس القشرة أبدًا مع المحلول الملحي القاسي.
حدود الضغط ودرجة الحرارة
تقتصر مبادلات PTFE عادةً على درجة حرارة تشغيل قصوى تبلغ 100-110 درجة للخدمة المستمرة، بينما يمكن أن تصل بعض درجات PTFE الاستثنائية إلى 120-130 درجة. إذا دخل المحلول الملحي الحراري الأرضي عند درجة حرارة 150 درجة، فيجب تبريده مسبقًا (على سبيل المثال، عن طريق الخلط مع محلول ملحي مبرد معاد تدويره أو عن طريق مبادل معدني في المرحلة الأولى يعمل فوق درجة حرارة التحجيم). وبدلاً من ذلك، يمكن تحويل المحلول الملحي إلى بخار ثم تبريد المحلول الملحي السائل في مبادل حراري PTFE. بالنسبة لموارد الطاقة الحرارية الأرضية ذات درجة الحرارة المنخفضة (100-120 درجة) يفضل استخدام مبادل PTFE المباشر.
ملاحظة عملية التنظيف المنتظم لإزالة الترسبات الكلسية
سوف يقاوم PTFE التصاق الحجم ولكن لا يمكن لأي مبادل حراري يعمل على محلول ملحي للطاقة الحرارية الأرضية أن يظل نظيفًا إلى الأبد. بمرور الوقت، قد تستمر طبقة رقيقة من السيليكا غير المتبلورة أو المعادن الأخرى في التراكم خاصة في المناطق ذات السرعة المنخفضة. ومن ثم يوصى بوضع جدول تنظيف استباقي:
-نفث الماء عالي الضغط (السفع المائي). يتم توصيل نفاثة من الماء بكثافة 500-1000 بار (7000-14000 رطل لكل بوصة مربعة) إلى مداخل الأنبوب. يؤدي ضغط الماء إلى ثني أنابيب PTFE وإزاحة أي قشور سائبة دون تدمير مادة الأنبوب. ويمكن القيام بذلك مع وجود المبادل في مكانه، وذلك باستخدام رمح يتم إدخاله من وجه صفيحة الأنبوب.
التنظيف الكيميائي: يتم غسل جانب الأنبوب باستخدام حمض الهيدروكلوريك أو حمض الستريك المخفف (مع مثبطات مناسبة) لإذابة قشور الكربونات والكبريتيد المعدني. قشور السيليكا ليست قابلة للذوبان في الأحماض ويمكن إذابتها باستخدام محلول حمض الهيدروفلوريك المخفف (احذر) أو منظف قلوي (على سبيل المثال، هيدروكسيد الصوديوم مع عامل خالب). يعتبر PTFE خاملًا كيميائيًا لهذه المواد، وبالتالي لا تتأثر الأنابيب بمحلول التنظيف. لكن جانب الصدفة والحشيات بحاجة إلى الحماية.
التنظيف عبر الإنترنت (الكرات الإسفنجية): من خلال عكس التدفق، يتم تفجير كرات المطاط الرغوي الأكبر إلى حد ما من القطر الداخلي للأنبوب بشكل منتظم عبر حزمة الأنبوب. تقوم الكرات بتنظيف أسطح الأنبوب. يعمل هذا بشكل جيد مع PTFE حيث أن السطح المسطح لا يتآكل أو يعطل الكرات.
يعتمد تكرار التنظيف على محتوى المحلول الملحي. يعتبر التنظيف الشهري ضروريًا لبعض مواقع الطاقة الحرارية الأرضية، في حين قد يتطلب الأمر ضخ مياه أسبوعية عالية الضغط-لمواقع أخرى. الميزة الرئيسية لمبادل PTFE هي أنه بعد التنظيف سيتم استعادة ما يقرب من 100% من أداء نقل الحرارة الأصلي حيث لا يوجد أي قشور دائمة أو ضرر للتآكل.
المقارنة مع المبادلات المعدنية-.
ميزة مبادل معدني (مثل التيتانيوم) مبادل PTFE
مقاومة التآكل مقاومة جيدة للكلوريدات، ولكنها عرضة للتنقر تحت الرواسب أو في درجات الحرارة المرتفعة؛ منيع تماما لجميع مكونات المياه المالحة الحرارية الأرضية
التصاق مقياس السيليكا التصاق جيد المقياس جامد وعازل التصاق ضعيف؛ النطاق يميل إلى الانفصال
صعوبة التنظيف: صعب. التنظيف الكيميائي يمكن أن يؤدي إلى تآكل المعدن. قد يؤدي التنظيف بالسفع الهيدروليّ إلى إتلاف الجدران الرقيقة. سهل؛ جميع تقنيات التنظيف آمنة لـ PTFE
الموصلية الحرارية عالية (10-20 وات/م·ك) منخفضة (~0.25 وات/م·ك) - تحتاج إلى مساحة إضافية
Maximum service temperature >200 درجة عادة<110°C (continuous)
سعر وحدة المساحة مرتفع بالنسبة للتيتانيوم؛ متوسط للفولاذ المقاوم للصدأ (على الرغم من أن الفولاذ المقاوم للصدأ سوف يصدأ) متوسط إلى مرتفع بسبب الحاجة إلى مساحة كبيرة
فترات توقف الصيانة بشكل متكرر، وإزالة الترسبات والإصلاح من حين لآخر، معظمها لأغراض التنظيف الروتيني
يتاجر مبادل PTFE ببصمة فيزيائية أكبر (بسبب انخفاض التوصيل الحراري) لتقليل التآكل وفشل الحجم بشكل كبير. تعد هذه المقايضة-مفيدة تمامًا في العديد من مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية، خاصة عندما يكون الماء الملحي قويًا ومتقشرًا بشكل كبير.
مثال لتطبيق -عالمي حقيقي
تستخدم محطة توليد الطاقة الحرارية الأرضية ذات الدورة الثنائية بقدرة 10 ميجاوات في غرب الولايات المتحدة موردًا يبلغ 130 درجة. يشتمل المحلول الملحي على 120.000 جزء في المليون من الكلوريدات و400 جزء في المليون من السيليكا وكبريتيد الهيدروجين. تم تركيب غلاف من التيتانيوم-و-مبادل أنبوبي لأول مرة. وبعد ستة أشهر، خفض مقياس السيليكا معامل نقل الحرارة بنسبة 40% وتطلب إيقاف التشغيل لمدة 3 أيام كل شهر للتنظيف. وقد لوحظ وجود تآكل في الحفر بالقرب من مداخل الأنبوب.
استبدل المصنع وحدة التيتانيوم بقشرة وأنبوب PTFE، مما أدى إلى زيادة عدد الأنابيب وطولها لتحقيق نفس عبء العمل. نفث الماء عالي الضغط، وتكرار التنظيف يصل إلى مرة واحدة كل 6 أشهر. بعد عامين من التشغيل، أصبحت أنابيب PTFE خالية من التآكل ولم يكن هناك سوى الحد الأدنى من الترسبات ويمكن إزالتها بسهولة. وتم تعزيز عامل قدرة المصنع من 85% إلى 94% من خلال تقليل وقت التوقف عن التنظيف فقط.
الخلاصة: القوة البلاستيكية الخاملة للأرض
إن المبادل الحراري PTFE هو الحل المقاوم للتآكل والصيانة المنخفضة والحل القوي لبيئة التحجيم القاسية للمحلول الملحي الحراري الأرضي. فهو يقاوم السوائل الحرارية الأرضية الساخنة شديدة الملوحة والحمضية، ويتجنب تقشر السيليكا الصلبة بفضل سطحه غير اللاصق-ويتحمل الدورات الحرارية دون كلل. يتم استخدام المبادل PTFE في أحد مصادر الطاقة الأساسية الأكثر استدامة في العالم: الطاقة الحرارية الأرضية. تستخدم البوليمرات الأكثر خاملة كيميائيًا قوة الأرض. بالنسبة لمشغلي محطات الطاقة الحرارية الأرضية، فإن اختيار مبادل PTFE لتبريد المحلول الملحي لا يمثل حلاً وسطًا ولكنه قرار متعمد يحقق مكاسب في وقت التشغيل، وتكاليف صيانة أقل، وعقود من التشغيل الموثوق.
