Дубоко под земљом, бунар се увлачи у огроман резервоар ужарене, вруће, минералне слане воде -корозивном супом растворених соли, силицијум диоксида и често киселих гасова. Ова слана вода је жила куцавица геотермалне електране и њена топлота се мора пренети на чист радни флуид. Примарни измењивач топлоте, интерфејс између прљаве, агресивне земље и чистог циклуса напајања, суочава се са немилосрдним нападом корозије и каменца. ПТФЕ измењивач шкољке и цеви, са својим флексибилним, хемијски инертним цевима, је чврста, издржљива радна коњица направљена управо за ову борбу.

Изазов геотермалне слане воде

Геотермална слана вода није обична слана вода. Излази из бунара на температурама које су обично између 100 и 150 степени (а понекад и више), са укупним раствореним чврстим материјама (ТДС) често премашујући 100.000 ппм-десет пута већу од морске воде. Расол садржи хлориде, сулфате, карбонате и тешке метале као што су олово, цинк и арсен. Поред тога, присутни су растворени гасови укључујући угљен-диоксид (ЦО₂), водоник сулфид (Х₂С) и повремено амонијак, стварајући киселу средину (пХ може пасти на 4 или ниже).

Најштетније компоненте за материјале измењивача топлоте су:

Хлоридни јони:Изазива напукнуће и корозију под напоном у нерђајућим челицима, па чак и у легурама са високим садржајем никла.

Растворени силицијум диоксид (СиО₂):Како се слана отопина хлади, силицијум се таложи и формира тврду каменицу налик стаклу на површинама за пренос топлоте. Овај каменац се изузетно тешко уклања и брзо изолује измењивач, убијајући топлотне перформансе.

Водоник сулфид:Напада легуре на бази бакра и многе црне метале.

Конвенционални метални измењивач топлоте (нпр. титанијум или супераустенични нерђајући челик) може да одоли хлоридима неко време, али стварање каменца на силицијуму остаје озбиљан проблем. Каменац се накупља на металним површинама, што захтева често хемијско или механичко чишћење што доводи до застоја и евентуалног стањивања метала. Корозија, чак и при малим брзинама, на крају изазива перфорацију зидова танких цеви. У овом окружењу,ПТФЕ измењивач геотермално хлађење сланом водомрешење нуди суштински другачији приступ.

Како ПТФЕ измењивач отпоран на корозију и каменац

ПТФЕ измењивач топлоте са шкољком и цеви је обично конфигурисан тако да врући геотермални слани раствор тече крозстрана цевии чиста радна течност (нпр. вода, органска течност Ранкиновог циклуса или секундарна расхладна течност) која тече на страни кућишта. ПТФЕ цеви, са типичним спољним пречником од 5–10 мм и дебљином зида од 0,5–1 мм, направљене су од првобитног, непопуњеног ПТФЕ-материјала који је потпуно имун на хлориде, водоник-сулфид, органске киселине и пуни пХ опсег (осим растопљених алкалних метала и елементарног флуора).

Отпорност на корозију

ПТФЕ нема реактивне хемијске везе које могу бити нападнуте од стране врста које се налазе у геотермалној сланој води. Не кородира, не квари или испира металне јоне. За разлику од металних цеви које полако губе дебљину зида или развијају цурење рупица након месеци или неколико година, ПТФЕ цеви могу да трају деценијама у геотермалној служби. Не постоји ризик од пуцања услед корозије изазване хлоридом, што је уобичајен начин квара у металним геотермалним измењивачима.

Отпорност на каменац (ниска адхезија)

Глатка површина ПТФЕ-а која се не лепи има веома ниску површинску енергију (приближно 18 мН/м). То значи да каменац силицијум диоксида, као и друге минералне наслаге (калцијум-карбонат, калцијум-сулфат, метални сулфиди), не пријања јако за зидове цеви. Каменац има тенденцију да остане као растресити прах или танак филм који се лако уклања, а не као тврда, изолациона глазура. Термички циклус и природна вибрација флексибилних цеви доводе до љуштења било каквих наслага. Као резултат тога, ПТФЕ измењивач задржава ефикасност преноса топлоте много дуже од металног измењивача у истој служби.

Флексибилност за прилагођавање термалног бициклизма

Геотермални бунари често раде са варијацијама у протоку и температури, узрокујући термички циклус измењивача топлоте. ПТФЕ цеви су флексибилне. Они се могу ширити и скупљати са променама температуре без стварања пукотина од замора. Насупрот томе, металне цеви су круте и могу да доживе циклично топлотно напрезање на спојевима између цеви и плоча, што временом доводи до квара.

ПТФЕ хладњак је хемијски слеп, отпоран џин, који пијуцка ужарену, слану земљану воду и мирно преноси своју ватру на циклус чисте енергије.

Разматрање дизајна за геотермалне услуге

Да би се постигао поуздан дуготрајан рад, ПТФЕ измењивач за геотермални слани раствор мора бити пројектован са специфичним параметрима:

Бочна брзина цеви

Суспендоване чврсте материје (честице силицијум диоксида, песак, метални сулфиди) су увек присутне у геотермалном раствору соли. Ако је брзина слане воде унутар цеви прениска, ове чврсте материје се таложе, узрокујући блокаду протока и локализовано стварање каменца. Минимална брзина на страни цеви од 1,5–2,0 м/с је типично специфицирана како би се чврсте материје задржале увучене. Међутим, пошто ПТФЕ има глатку површину и ниско трење, може бити прихватљива нешто нижа брзина него за металне цеви (где је ерозија забринута). Максимална брзина је ограничена падом притиска и ерозијом улазних крајева цеви (иако је ПТФЕ прилично отпоран на ерозију честица).

Конфигурација пакета цеви

ПТФЕ цеви су обично распоређене у троугластом кораку како би се максимизирала површина преноса топлоте унутар датог пречника шкољке. Пошто ПТФЕ има ниску топлотну проводљивост (приближно 0,25 В/м·К), дебљина зида мора бити минимизирана (0,5–1,0 мм) да би се одржао разуман укупни коефицијент преноса топлоте. Понекад се користе проширене површине (ребрасте цеви), али додатна сложеност и ризик од загађивања пераја често превазилазе предности. Укупна површина преноса топлоте се стога повећава коришћењем великог броја дугих, танких цеви.

Схелл-Сиде Воркинг Флуид

Чисти радни флуид на страни омотача мора бити компатибилан са ПТФЕ (већина течности јесте, осим одређених растварача на високим температурама). Сама шкољка може бити израђена од угљеничног челика или нерђајућег челика, изнутра заштићена ПТФЕ облогом или додатком корозије јер шкољка никада не долази у контакт са агресивним сланим раствором.

Границе притиска и температуре

ПТФЕ измењивачи су обично ограничени на максималну радну температуру од 100-110 степени за континуирани рад, иако неки специјализовани ПТФЕ разреди могу достићи 120-130 степени. Ако геотермална слана вода улази на 150 степени, она мора бити претходно охлађена (нпр. мешањем са рециркулисаним хлађеним раствором соли или коришћењем металног измењивача првог степена који ради изнад температуре каменца). Алтернативно, слани раствор се може претворити у пару, са течним сланим раствором који се затим охлади у ПТФЕ измењивачу. За геотермалне ресурсе ниже температуре (100–120 степени), директан ПТФЕ измењивач је идеалан.

Напомена о процесу: Редовно чишћење за уклањање каменца

Иако је ПТФЕ отпоран на лепљење каменца, ниједан измењивач топлоте који ради у геотермалном сланом раствору не може остати потпуно чист на неодређено време. Током времена, танак слој аморфног силицијум диоксида или других минерала се и даље може акумулирати, посебно у областима мале брзине. Стога се препоручује проактивни распоред чишћења:

Млаз воде под високим притиском (хидробласти):Млаз воде на 500-1.000 бара (7.000-14.000 пси) усмерава се у улазе цеви. Притисак воде савија ПТФЕ цеви и уклања олабављени каменац без оштећења материјала цеви. Ово се може извести са измењивачем на месту, коришћењем копља које се убацује са лица цеви.

Хемијско испирање:Разређена хлороводонична или лимунска киселина (са одговарајућим инхибиторима) циркулише кроз страну цеви да би се раствориле карбонатне и металне сулфидне љуске. За каменац силицијум диоксида, који није растворљив у киселини, може се користити разблажен раствор флуороводоничне киселине (са којом се пажљиво рукује) или алкално средство за чишћење (нпр. натријум хидроксид са хелатним агенсом). Пошто је ПТФЕ хемијски инертан према овим агенсима, раствор за чишћење не штети цевима. Међутим, страна шкољке и заптивке морају бити заштићени.

Онлине чишћење (сунђер лоптице):Куглице од пенасте гуме, нешто веће од унутрашњег пречника цеви, периодично се пробијају кроз сноп цеви обрнутим током. Куглице чисте површине цеви. Ова техника добро функционише са ПТФЕ-ом јер глатка површина не хвата и не бруси куглице.

Учесталост чишћења зависи од састава слане воде. У неким геотермалним пољима, месечно испирање је довољно; у другим, може бити потребан недељни млаз воде под високим притиском. Кључна предност ПТФЕ измењивача је у томе што чишћење враћа скоро 100% оригиналних перформанси преноса топлоте јер не долази до трајног каменца или оштећења од корозије.

Поређење са измењивачима метала

ПТФЕ измењивач мења већи физички отисак (због ниже топлотне проводљивости) за драматично смањену корозију и кварове на скалирању. У многим геотермалним инсталацијама, овај компромис је веома повољан, посебно када је слана вода агресивна и јако се ствара каменац.

Пример примене у стварном свету

Геотермална електрана бинарног циклуса у западним Сједињеним Државама производи 10 МВ електричне енергије из извора на 130 степени. Расол садржи 120.000 ппм хлорида, 400 ппм силицијум диоксида и Х2С. У почетку је инсталиран титанијумски измењивач шкољке и цеви. Након шест месеци, каменац силицијум је смањио коефицијент преноса топлоте за 40%, а чишћење је захтевало 3-дневно гашење сваког месеца. У близини улазних отвора цеви примећена је јамичаста корозија.

Фабрика је заменила јединицу од титанијума ПТФЕ измењивачем шкољке и цеви, повећавајући број и дужину цеви да би се постигао исти задатак. Учесталост чишћења је опала на сваких шест месеци, коришћењем воденог млаза под високим притиском. После две године рада, ПТФЕ цеви нису показале корозију и само мањи каменац који се лако уклања. Фактор капацитета фабрике је побољшан са 85% на 94% искључиво због смањеног времена застоја у чишћењу.

Закључак: Искориштавање моћи Земље помоћу инертне пластике

ПТФЕ измењивач топлоте је робусно решење које се лако одржава и отпорно на корозију за сурово окружење геотермалне слане воде. Отпоран је на врућу, веома слану и киселу геотермалну течност, спречава љуштење тврдог силицијум-диоксида кроз нелепљиву површину и издржава термичке циклусе без замора. ПТФЕ измењивач је критична компонента у једном од најодрживијих извора енергије основног оптерећења-геотермалне енергије. Моћ земље је искоришћена хемијски најинертнијом пластиком. За оператере геотермалних постројења, специфицирање ПТФЕ измењивача за хлађење слане воде није компромис; то је стратешка одлука која исплаћује дивиденде у времену непрекидног рада, смањеним трошковима одржавања и деценијама поузданог сервиса.