در اعماق زمین، چاهی به مخزن وسیعی از نمک سوزان داغ و غنی از مواد معدنی-سوپی خورنده از نمک‌های محلول، سیلیس و اغلب گازهای اسیدی وارد می‌شود. این آب نمک منبع حیات یک نیروگاه زمین گرمایی است و گرمای آن باید به یک سیال کار تمیز منتقل شود. مبدل حرارتی اولیه، رابط بین زمین کثیف، تهاجمی و چرخه برق تمیز، با حمله بی‌امان خوردگی و پوسته‌پوزی مواجه می‌شود. یک مبدل پوسته و لوله PTFE، با لوله‌های انعطاف‌پذیر و از نظر شیمیایی خنثی، اسب کاری سخت و بادوام است که دقیقاً برای این مبارزه ساخته شده است.

چالش آب نمک زمین گرمایی

آب نمک زمین گرمایی یک آب نمک معمولی نیست. از چاه ها در دماهای معمولاً بین 100 درجه تا 150 درجه (و گاهی اوقات بالاتر)، با کل مواد جامد محلول (TDS) اغلب بیش از 100000 ppm- ده برابر آب دریا خارج می شود. آب نمک حاوی کلریدها، سولفات ها، کربنات ها و فلزات سنگین مانند سرب، روی و آرسنیک است. علاوه بر این، گازهای محلول شامل دی اکسید کربن (CO2)، سولفید هیدروژن (H2S) و گاهی اوقات آمونیاک وجود دارند که یک محیط اسیدی ایجاد می کنند (PH می تواند به 4 یا کمتر کاهش یابد).

مخرب ترین اجزای مواد مبدل حرارتی عبارتند از:

یون کلرید:باعث ایجاد ترک خوردگی حفره ای و تنشی در فولادهای ضد زنگ و حتی آلیاژهای با نیکل بالا می شود.

سیلیس محلول (SiO2):با سرد شدن آب نمک، سیلیس رسوب می‌کند تا یک مقیاس سخت شیشه‌ای روی سطوح انتقال حرارت ایجاد کند. جدا کردن این مقیاس بسیار دشوار است و به سرعت مبدل را عایق می کند و عملکرد حرارتی را از بین می برد.

سولفید هیدروژن:به آلیاژهای مبتنی بر مس و بسیاری از فلزات آهنی حمله می کند.

یک مبدل حرارتی فلزی معمولی (به عنوان مثال، تیتانیوم یا فولاد ضد زنگ سوپرآستنیتی) می تواند برای مدتی در برابر کلریدها مقاومت کند، اما پوسته پوسته شدن سیلیس همچنان یک مشکل جدی است. رسوب روی سطوح فلزی ایجاد می‌شود و نیاز به تمیز کردن مکرر شیمیایی یا مکانیکی دارد که منجر به خرابی و در نهایت نازک شدن فلز می‌شود. خوردگی، حتی در نرخ های کم، در نهایت باعث سوراخ شدن دیواره های لوله نازک می شود. در این محیط،خنک کننده آب نمک زمین گرمایی مبدل PTFEراه حل یک رویکرد اساسی متفاوت ارائه می دهد.

چگونه یک مبدل PTFE در برابر خوردگی و پوسته پوسته شدن مقاومت می کند

یک مبدل حرارتی پوسته و لوله PTFE معمولاً با آب نمک گرمایی گرمایی پیکربندی شده است که از طریق آن جریان دارد.سمت لولهو یک سیال کار تمیز (مثلاً آب، یک سیال چرخه رانکین آلی، یا یک خنک کننده ثانویه) که در سمت پوسته جریان دارد. لوله‌های PTFE با قطر خارجی معمولی 5-10 میلی‌متر و ضخامت دیواره 0.5-1 میلی‌متر، از PTFE بکر و پر نشده{7} ساخته می‌شوند که کاملاً در برابر کلریدها، سولفید هیدروژن، اسیدهای آلی و محدوده pH کامل (به استثنای فلزات قلیایی مذاب و عناصر عنصری) مصون است.

ایمنی در برابر خوردگی

PTFE هیچ پیوند شیمیایی واکنش پذیری ندارد که بتواند توسط گونه های موجود در آب نمک زمین گرمایی مورد حمله قرار گیرد. یون های فلزی را خورده نمی کند، حفره نمی کند و یا شسته نمی شود. بر خلاف لوله های فلزی که به آرامی ضخامت دیواره خود را از دست می دهند یا پس از ماه ها یا چند سال نشت سوراخ ایجاد می کنند، لوله های PTFE می توانند چندین دهه در خدمات زمین گرمایی دوام بیاورند. خطر ترک خوردگی ناشی از تنش ناشی از کلرید، که یک حالت خرابی رایج در مبدل های زمین گرمایی فلزی است، وجود ندارد.

مقاومت در برابر مقیاس (چسبندگی کم)

سطح صاف و نچسب PTFE انرژی سطحی بسیار کمی دارد (تقریبا 18 mN/m). این بدان معنی است که رسوب سیلیس و همچنین سایر ذخایر معدنی (کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، سولفیدهای فلزی) به شدت به دیواره لوله نمی‌چسبند. این ترازو به جای یک لعاب سخت و عایق، تمایل دارد به عنوان یک پودر شل یا لایه نازک و به راحتی قابل جدا شدن باقی بماند. چرخه حرارتی و ارتعاش طبیعی لوله‌های انعطاف‌پذیر باعث می‌شود که هر گونه رسوب چسبیده پوسته پوسته شود. در نتیجه، مبدل PTFE بازده انتقال حرارت خود را به مراتب بیشتر از یک مبدل فلزی در همان سرویس حفظ می کند.

انعطاف پذیری برای تطبیق با دوچرخه های حرارتی

چاه های زمین گرمایی اغلب با تغییرات در سرعت جریان و دما کار می کنند و باعث چرخه حرارتی مبدل حرارتی می شوند. لوله های PTFE انعطاف پذیر هستند. آنها می توانند با تغییرات دما بدون ایجاد ترک های خستگی منبسط و منقبض شوند. در مقابل، لوله‌های فلزی سفت و سخت هستند و می‌توانند تنش حرارتی چرخه‌ای را در اتصالات لوله به ورق لوله تجربه کنند که در طول زمان منجر به شکست می‌شود.

کولر PTFE یک غول شیمیایی کور و ارتجاعی است که آب شور و سوزان زمین را می‌نوشد و آتش خود را با آرامش به چرخه انرژی پاک می‌رساند.

ملاحظات طراحی برای خدمات زمین گرمایی

برای دستیابی به عملکرد طولانی مدت قابل اعتماد، یک مبدل PTFE برای آب نمک زمین گرمایی باید با پارامترهای خاص طراحی شود:

سرعت سمت لوله

جامدات معلق (ذرات سیلیس، ماسه، سولفیدهای فلزی) همیشه در آب نمک زمین گرمایی وجود دارند. اگر سرعت آب نمک داخل لوله ها خیلی کم باشد، این مواد جامد ته نشین می شوند و باعث انسداد جریان و پوسته پوسته شدن موضعی می شوند. حداقل سرعت سمت لوله 1.5-2.0 متر بر ثانیه معمولاً برای نگه داشتن مواد جامد مشخص می شود. با این حال، از آنجایی که PTFE دارای سطح صاف و اصطکاک کم است، سرعت کمی کمتر از لوله های فلزی (جایی که فرسایش یک نگرانی است) ممکن است قابل قبول باشد. حداکثر سرعت توسط افت فشار و فرسایش انتهای ورودی لوله محدود می شود (اگرچه PTFE در برابر فرسایش ذرات کاملاً مقاوم است).

پیکربندی دسته لوله

لوله های PTFE معمولاً در یک زمین مثلثی قرار می گیرند تا سطح انتقال حرارت را در یک قطر پوسته به حداکثر برسانند. از آنجایی که PTFE هدایت حرارتی پایینی دارد (تقریباً 0.25 W/m·K)، ضخامت دیواره باید به حداقل برسد (0.5-1.0 میلی متر) تا ضریب انتقال حرارت کلی معقول حفظ شود. گاهی اوقات از سطوح کشیده (لوله های پره دار) استفاده می شود، اما پیچیدگی اضافه شده و خطر رسوب در باله ها اغلب بیشتر از مزایای آن است. بنابراین، کل مساحت انتقال حرارت با استفاده از تعداد زیادی لوله بلند و نازک افزایش می یابد.

سیال کار سمت پوسته

سیال کار تمیز در سمت پوسته باید با PTFE سازگار باشد (بیشتر سیال ها به جز حلال های خاص در دماهای بالا) سازگار هستند. خود پوسته می تواند از فولاد کربنی یا فولاد ضد زنگ ساخته شود، که در داخل با روکش PTFE یا با قابلیت خوردگی محافظت می شود زیرا پوسته هرگز با آب نمک تهاجمی تماس نمی گیرد.

محدودیت های فشار و دما

مبدل های PTFE معمولاً به حداکثر دمای کاری 100 تا 110 درجه برای سرویس مداوم محدود می شوند، اگرچه برخی از گریدهای PTFE تخصصی می توانند به 120 تا 130 درجه نیز برسند. اگر آب نمک زمین گرمایی در دمای 150 درجه وارد شود، باید از قبل خنک شود (مثلاً با مخلوط کردن با آب نمک خنک شده در گردش یا با استفاده از یک مبدل فلزی مرحله اول که بالاتر از دمای پوسته پوسته شدن کار می کند). روش دیگر، آب نمک می تواند به بخار تبدیل شود، با آب نمک مایع و سپس در یک مبدل PTFE خنک شود. برای منابع زمین گرمایی با دمای پایین (100 تا 120 درجه)، یک مبدل مستقیم PTFE ایده آل است.

نکته فرآیند: تمیز کردن منظم برای برداشتن رسوب

اگرچه PTFE در برابر چسبندگی مقیاس مقاومت می کند، هیچ مبدل حرارتی که در آب نمک زمین گرمایی کار می کند نمی تواند به طور نامحدود تمیز بماند. با گذشت زمان، یک لایه نازک از سیلیس آمورف یا سایر مواد معدنی ممکن است همچنان جمع شود، به ویژه در مناطق کم سرعت. بنابراین یک برنامه تمیز کردن فعال توصیه می شود:

جت آب با فشار بالا (هیدروبلاست):یک جت آب با فشار 500 تا 1000 بار (7000 تا 14000 psi) به ورودی‌های لوله هدایت می‌شود. فشار آب لوله‌های PTFE را خم می‌کند و هرگونه رسوب شل را بدون آسیب رساندن به مواد لوله جدا می‌کند. این را می توان با مبدل در جای خود و با استفاده از لنسی که از صفحه ورق لوله وارد می شود، انجام داد.

شستشوی شیمیایی:اسید کلریدریک یا سیتریک رقیق (با بازدارنده های مناسب) در سمت لوله به گردش در می آید تا فلس های کربنات و سولفید فلز را حل کند. برای فلس سیلیس که محلول در اسید نیست، می توان از محلول اسید هیدروفلوئوریک رقیق (با دقت با آن) یا یک پاک کننده قلیایی (مثلاً هیدروکسید سدیم با عامل کیلیت) استفاده کرد. از آنجا که PTFE از نظر شیمیایی نسبت به این عوامل بی اثر است، محلول تمیز کننده به لوله ها آسیب نمی رساند. با این حال، سمت پوسته و واشرها باید محافظت شوند.

نظافت آنلاین (توپ های اسفنجی):گلوله های لاستیکی فوم، کمی بزرگتر از قطر داخلی لوله، به صورت دوره ای با معکوس کردن جریان از طریق بسته لوله شلیک می شوند. توپ ها سطوح لوله را تمیز می کنند. این تکنیک با PTFE به خوبی کار می کند زیرا سطح صاف توپ ها را نمی گیرد یا ساییده نمی کند.

فرکانس تمیز کردن به ترکیب آب نمک بستگی دارد. در برخی از میدان های زمین گرمایی، یک فلاش ماهیانه کافی است. در برخی دیگر، ممکن است به یک جت آب پرفشار هفتگی نیاز باشد. مزیت اصلی مبدل PTFE این است که تمیز کردن تقریباً 100٪ عملکرد اصلی انتقال حرارت را بازیابی می کند زیرا هیچ پوسته پوسته شدن دائمی یا آسیب خوردگی رخ نمی دهد.

مقایسه با مبدل های فلزی

مبدل PTFE یک ردپای فیزیکی بزرگتر (به دلیل رسانایی حرارتی پایین تر) را برای کاهش چشمگیر خوردگی و خرابی پوسته شدن معامله می کند. در بسیاری از تاسیسات زمین گرمایی، این مبادله بسیار مطلوب است، به خصوص زمانی که آب نمک هم تهاجمی و هم به شدت رسوب می شود.

مثال کاربردی در دنیای واقعی

یک نیروگاه سیکل دوتایی زمین گرمایی در غرب ایالات متحده 10 مگاوات برق از منبعی در 130 درجه تولید می کند. آب نمک حاوی 120000 ppm کلرید، 400 ppm سیلیس و H2S است. در ابتدا، یک مبدل پوسته و لوله تیتانیوم نصب شد. پس از شش ماه، مقیاس سیلیس ضریب انتقال حرارت را تا 40% کاهش داده بود و تمیز کردن هر ماه به خاموشی 3 روزه نیاز داشت. خوردگی حفره ای در نزدیکی ورودی های لوله مشاهده شد.

کارخانه واحد تیتانیوم را با یک مبدل پوسته و لوله PTFE جایگزین کرد و تعداد و طول لوله را برای رسیدن به همان وظیفه افزایش داد. فرکانس تمیز کردن با استفاده از جت آب با فشار بالا به هر شش ماه یکبار کاهش یافت. پس از دو سال کار، لوله‌های PTFE هیچ خوردگی نشان ندادند و فقط رسوب‌های جزئی را نشان دادند که به راحتی جدا می‌شوند. ضریب ظرفیت کارخانه تنها به دلیل کاهش زمان خرابی تمیز کردن از 85 درصد به 94 درصد بهبود یافته است.

نتیجه گیری: مهار نیروی زمین با پلاستیک بی اثر

مبدل حرارتی PTFE راه حلی قوی، کم نگهداری و ضد خوردگی برای محیط وحشیانه و پوسته پوسته شدن آب نمک زمین گرمایی است. در برابر سیال زمین گرمایی داغ، بسیار شور و اسیدی مقاومت می کند، از رسوب سیلیس سخت در سطح نچسب آن جلوگیری می کند و در برابر چرخه حرارتی بدون خستگی مقاومت می کند. مبدل PTFE یک جزء حیاتی در یکی از پایدارترین منابع انرژی بار پایه در جهان-انرژی زمین گرمایی است. نیروی زمین توسط بی اثرترین پلاستیک از نظر شیمیایی مهار می شود. برای اپراتورهای نیروگاه های زمین گرمایی، تعیین مبدل PTFE برای خنک سازی آب نمک مصالحه ای نیست. این یک تصمیم استراتژیک است که سود سهام را در زمان کارکرد، کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری و چندین دهه خدمات قابل اعتماد می پردازد.