Как теплообменники из ПТФЭ используются для охлаждения горячего рассола из геотермальной скважины?

Глубоко под поверхностью скважины добывается огромный резервуар обжигающе горячего,-насыщенного минералами рассола, едкого супа из растворенных солей, кремнезема и часто кислых газов. Рассол является основой геотермальной электростанции, и тепло должно передаваться чистой рабочей жидкости. Коррозия и накипь постоянно поражают главный теплообменник, где грязная, агрессивная земля встречается с чистым силовым циклом. Гибкие, химически инертные трубки корпуса из ПТФЭ-и-трубчатого теплообменника – это прочная и надежная рабочая лошадка для этой борьбы.

Проблема геотермального рассола
Геотермальный рассол – это не обычная соленая вода. Они добываются из скважин при температуре обычно от 100 до 150 градусов (иногда выше) с общим содержанием растворенных твердых веществ (TDS), часто превышающим 100 000 частей на миллион-в десять раз больше, чем в соленой воде. Рассол содержит хлориды, сульфаты, карбонаты и тяжелые металлы, такие как свинец, цинк, мышьяк. Также присутствуют растворенные газы, в том числе диоксид углерода (CO2), сероводород (H2S) и иногда аммиак, которые создают кислую среду (pH может составлять всего 4 или ниже).

Наиболее вредными для материалов теплообменника являются:

Ионы хлорида могут вызывать точечную коррозию и коррозионное растрескивание под напряжением нержавеющих сталей и даже сплавов с высоким-никелевым содержанием.

Растворенный кремнезем (SiO2): кремнезем выпадает в осадок по мере охлаждения рассола и образует твердую,-подобную стеклу накипь на поверхностях теплопередачи. Эту накипь очень трудно удалить, она быстро изолирует теплообменник, снижая тепловые характеристики.

Сероводород: Разъедает многие черные металлы и медные сплавы.

Проблема образования накипи кремнезема по-прежнему очень серьезна, учитывая, что обычный металлический теплообменник (титан или супераустенитная нержавеющая сталь) может выдерживать присутствие хлоридов в течение определенного периода времени. Накипь образуется на металлических поверхностях и требует регулярной химической или механической очистки, что приводит к простою и возможному ослаблению металла. Перфорация узких стенок труб со временем произойдет даже при низких скоростях коррозии. В этом контексте решение для охлаждения геотермального рассола с теплообменником из ПТФЭ представляет собой радикальную альтернативу.

Как теплообменник из ПТФЭ борется с коррозией и накипью
Кожухо-и-трубчатый теплообменник из ПТФЭ обычно проектируется таким образом, что горячий геотермальный рассол проходит через трубчатую сторону, а чистая рабочая жидкость (например, вода, органическая жидкость цикла Ренкина или вторичный хладагент) проходит через сторону корпуса. Трубки из ПТФЭ имеют типичный внешний диаметр 5-10 мм и толщину стенок 0,5–1 мм. Они изготовлены из чистого, ненаполненного ПТФЭ — материала, полностью устойчивого к хлоридам, сероводороду, органическим кислотам и всему диапазону pH (за исключением расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора).

Устойчивость к коррозии
ПТФЭ не имеет реактивных химических связей, которые могут быть повреждены организмами в геотермальном рассоле. Он не разъедает, не разрушает и не выщелачивает ионы металлов. Трубы из ПТФЭ при геотермальной эксплуатации выдерживают десятилетия, в то время как металлические трубы медленно теряют толщину стенок или через месяцы или несколько лет в них появляются точечные утечки. Отсутствует вероятность коррозионного растрескивания под напряжением,-вызванного хлоридами, что является распространенной причиной отказа металлических геотермальных теплообменников.

Устойчивость к накипи (низкое трение)
ПТФЭ имеет гладкую, не-поверхность с очень низкой поверхностной энергией (около 18 мН/м). Это означает, что накипь кремнезема и другие минеральные отложения (карбонат кальция, сульфат кальция, сульфиды металлов) не будут прочно прикрепляться к стенкам трубки. Окалина, скорее всего, останется в виде рыхлого порошка или тонкой, легко удаляемой пленки, а не твердой изолирующей глазури. Термоциклирование и естественная вибрация гибких трубок удаляют прилипшие отложения. Таким образом, эффективность теплопередачи теплообменника из ПТФЭ сохраняется гораздо дольше, чем у металлического теплообменника в том же применении.

Гибкость, позволяющая выдерживать термоциклирование
Термоциклирование теплообменника обычно вызвано колебаниями скорости потока и температуры, при которых работают геотермальные скважины. Трубки из ПТФЭ также являются гибкими. Они расширяются и сжимаются при изменении температуры, не образуя усталостных трещин. Металлические трубы жесткие и подвергаются циклическому тепловому напряжению в местах соединения труб с трубными решетками, что со временем приводит к выходу из строя.

Охладитель из ПТФЭ — химически инертный и прочный монстр, который пьет обжигающую соленую земную-воду и аккуратно передает ее огонь в чистый энергетический цикл.

Аспекты проектирования геотермальной энергетики
Чтобы обеспечить надежную долгосрочную-работу, теплообменник из ПТФЭ для геотермального рассола должен быть изготовлен с учетом следующих параметров:

Скорость со стороны трубы
Геотермальный рассол всегда содержит взвешенные вещества (частицы кремнезема, песок, сульфиды металлов). Если скорость рассола внутри трубок слишком низкая, частицы будут оседать, что приведет к локальному образованию накипи и блокированию потока. Обычно минимальная скорость на стороне трубы составляет 1,5–2,0 м/с, чтобы удерживать твердые частицы. Однако ПТФЭ имеет гладкую поверхность с небольшим трением, и может быть приемлемой несколько меньшая скорость, чем у металлических трубок (где существует опасность эрозии). Максимальная скорость ограничена потерей давления и коррозией входных концов трубки (хотя ПТФЭ обладает высокой устойчивостью к эрозии частиц).

Расположение пучка трубок
Трубки из ПТФЭ обычно располагаются с треугольным шагом, чтобы максимизировать площадь теплопередачи при заданном диаметре корпуса. Низкая теплопроводность ПТФЭ (около 0,25 Вт/м·К) обуславливает необходимость минимизации толщины стенки (0,5–1,0 мм) для сохранения удовлетворительного общего коэффициента теплопередачи. Иногда используются удлиненные поверхности (оребренные трубы), но повышенная сложность и риск загрязнения ребер часто перевешивают преимущества. Поэтому используется большое количество длинных и тонких трубок, чтобы максимизировать общую площадь теплопередачи.

Рабочая жидкость со стороны корпуса
Рабочая жидкость со стороны корпуса должна быть чистой и совместимой с ПТФЭ (большинство жидкостей, за исключением некоторых растворителей, работают при высоких температурах). Сам корпус может быть изготовлен из углеродистой или нержавеющей стали с внутренней защитой из ПТФЭ или припуском на коррозию, поскольку корпус никогда не контактирует с агрессивным рассолом.

Пределы давления и температуры
Максимальная рабочая температура теплообменников из ПТФЭ обычно ограничена 100-110 градусами при непрерывной работе, тогда как некоторые исключительные марки ПТФЭ могут достигать 120 -130 градусов. Если геотермальный рассол поступает при температуре 150 градусов, его необходимо предварительно охладить (например, путем смешивания с рециркулирующим охлажденным рассолом или с помощью металлообменника первой ступени, работающего при температуре, превышающей температуру образования отложений). В качестве альтернативы рассол можно мгновенно превратить в пар, а жидкий рассол охладить в теплообменнике из ПТФЭ. Для низкотемпературных геотермальных ресурсов (100-120 градусов) предпочтительным является прямой теплообменник из ПТФЭ.

Примечание по процессу Регулярная очистка для удаления накипи
ПТФЭ противостоит прилипанию накипи, но ни один теплообменник, работающий на геотермальном рассоле, не может оставаться чистым вечно. Со временем тонкий слой аморфного кремнезема или других минералов может продолжать накапливаться, особенно в областях низких скоростей. Поэтому рекомендуется проводить упреждающую уборку:

Водоструйная-струйная очистка под высоким давлением (гидроструйная очистка). Струя воды под давлением 500–1000 бар (7000–14 000 фунтов на квадратный дюйм) подается во входные отверстия трубок. Давление воды сгибает трубки из ПТФЭ и удаляет остатки накипи, не разрушая материал трубок. Это можно сделать при установленном теплообменнике с помощью копья, вставленного в трубную решетку.

Химическая промывка: Сторону трубы промывают разбавленной соляной или лимонной кислотой (с соответствующими ингибиторами) для растворения карбонатов и накипи сульфидов металлов. Накипь кремнезема не растворяется в кислоте, и ее можно растворить с помощью разбавленного раствора плавиковой кислоты (будьте осторожны) или щелочного очищающего средства (например, гидроксида натрия с хелатирующим агентом). ПТФЭ химически инертен по отношению к этим веществам, поэтому чистящий раствор не влияет на трубки. Но боковую часть корпуса и прокладки необходимо защитить.

Оперативная очистка (губчатые шарики): при изменении направления потока через пучок труб регулярно продуваются шарики из пенорезины, размеры которых несколько превышают внутренний диаметр трубки. Шарики очищают поверхности трубок. Это хорошо работает с ПТФЭ, поскольку плоская поверхность не истирает и не зацепляет шарики.

Частота очистки будет зависеть от содержания рассола. Для некоторых геотермальных объектов необходима ежемесячная промывка, а для других может потребоваться еженедельная-струя воды под высоким давлением. Основное преимущество теплообменника из ПТФЭ заключается в том, что после очистки почти 100% первоначальные характеристики теплопередачи восстанавливаются, поскольку не остается необратимого накипи или коррозионного повреждения.

Сравнение с металлическими-обменниками
Особенность Металлический обменник (например, титан) ПТФЭ-обменник
Коррозионная стойкость Хорошая устойчивость к хлоридам, но склонна к образованию язв под отложениями или при высоких температурахОтличная; полностью непроницаем для всех компонентов геотермального рассола
Адгезия кварцевой накипиХорошая адгезия. Окалина жесткая и изолирующая.Плохая адгезия; весы имеют свойство ломаться
Сложность очистки: Сложная. Химическая очистка может вызвать коррозию металла. Гидроструйная очистка может повредить тонкие стенки. Легко; все методы очистки безопасны для ПТФЭ.
Теплопроводность Высокая (10-20 Вт/м·К) Низкая (~0,25 Вт/м·К) — требуется дополнительная площадь
Maximum service temperature >200 градусов Обычно<110°C (continuous)
Цена за единицу площадиВысокая для титана; средний для нержавеющей стали (хотя нержавеющая сталь ржавеет) От умеренного до высокого из-за необходимости большой площади
Простои из-за технического обслуживания Частые, удаление накипи и ремонт Периодические, в основном для плановой очистки
Теплообменник из ПТФЭ занимает большую площадь (из-за более низкой теплопроводности) и значительно снижает коррозию и образование накипи. Этот компромисс-весьма выгоден во многих геотермальных проектах, особенно когда рассол агрессивен и сильно образует отложения.

Пример реального-приложения
Геотермальная электростанция бинарного цикла мощностью 10 МВт на западе США использует ресурс 130 градусов. Рассол содержит 120 000 частей на миллион хлоридов, 400 частей на миллион кремнезема и H2S. Впервые был установлен титановый корпус-и-трубчатый теплообменник. Через шесть месяцев накипь из кремнезема снизила коэффициент теплопередачи на 40% и потребовала остановки на 3 дня каждый месяц для очистки. В районе входов труб наблюдалась питтинговая коррозия.

Завод заменил титановый агрегат кожухотрубным теплообменником из ПТФЭ, увеличив количество и длину трубок для достижения той же рабочей нагрузки. Водоструйная струя под высоким давлением, частота очистки снижается до одного раза в 6 месяцев. После двух лет эксплуатации на трубках из ПТФЭ не было коррозии, присутствовала лишь минимальная окалина, которую можно было легко удалить. Коэффициент использования мощности завода был увеличен с 85% до 94% только за счет сокращения времени простоя очистки.

Вывод: инертная пластическая сила Земли
Теплообменник из ПТФЭ — это устойчивое к коррозии, не требующее особого ухода и надежное решение для суровых условий геотермального рассола, образующих накипь. Он устойчив к горячей, чрезвычайно соленой и кислой геотермальной жидкости, предотвращает образование твердых кремнеземных отложений благодаря своей-неприлипающей поверхности и выдерживает термические циклы без усталости. Теплообменник из ПТФЭ используется в одном из самых устойчивых в мире источников базовой нагрузки: геотермальной энергии. Самые химически инертные полимеры используют энергию Земли. Для операторов геотермальных электростанций выбор теплообменника из ПТФЭ для охлаждения рассола — это не компромисс, а обдуманное решение, которое обеспечивает выгоду в виде бесперебойной работы, снижения затрат на техническое обслуживание и десятилетий надежной работы.