Syvällä maan alla kaivo laskeutuu valtavaan paahtavan kuuman, mineraalipitoisen suolaveden varastoon-syövyttävä keitto, jossa on liuenneita suoloja, piidioksidia ja usein happamia kaasuja. Tämä suolaliuos on geotermisen voimalaitoksen elinehto, ja sen lämpö on siirrettävä puhtaaseen käyttönesteeseen. Ensisijainen lämmönvaihdin, likaisen, aggressiivisen maan ja puhtaan sähkökierron välinen rajapinta, kohtaa säälimättömän korroosion ja hilseilyn hyökkäyksen. PTFE-kuori- ja putkivaihdin joustavine, kemiallisesti inerteineen putkeineen on luja ja kestävä työhevonen, joka on rakennettu juuri tätä taistelua varten.
Geoterminen suolavesihaaste
Geoterminen suolavesi ei ole tavallista suolavettä. Se tulee kaivoista tyypillisesti 100-150 asteen (ja joskus korkeammissa) lämpötiloissa, ja liuenneiden kiintoaineiden kokonaismäärä (TDS) on usein yli 100 000 ppm{5}}kymmenkertainen meriveden lämpötilaan verrattuna. Suolaliuos sisältää klorideja, sulfaatteja, karbonaatteja ja raskasmetalleja, kuten lyijyä, sinkkiä ja arseenia. Lisäksi läsnä on liuenneita kaasuja, kuten hiilidioksidia (CO₂), rikkivetyä (H₂S) ja toisinaan ammoniakkia, mikä luo happaman ympäristön (pH voi pudota arvoon 4 tai sen alle).
Lämmönvaihdinmateriaalien vahingollisimmat komponentit ovat:
Kloridi-ionit:Aiheuttaa piste- ja jännityskorroosiohalkeamia ruostumattomissa teräksissä ja jopa runsaasti nikkeliä sisältävissä seoksissa.
Liuennut piidioksidi (SiO₂):Kun suolaliuos jäähtyy, piidioksidi saostuu muodostaen kovan, lasimaisen hilseen lämmönsiirtopinnoille. Tämä hilse on äärimmäisen vaikea poistaa ja eristää nopeasti vaihtimen, mikä tappaa lämpösuorituskyvyn.
Rikkivety:Syövyttää kuparipohjaisia seoksia ja monia rautametalleja.
Perinteinen metallilämmönvaihdin (esim. titaani tai superausteniittinen ruostumaton teräs) voi kestää klorideja jonkin aikaa, mutta piidioksidin hilseily on edelleen vakava ongelma. Metallipinnoille kerääntyy kalkkia, mikä vaatii usein kemiallista tai mekaanista puhdistusta, mikä johtaa seisokkeihin ja mahdolliseen metallin ohenemiseen. Korroosio, jopa alhaisilla nopeuksilla, aiheuttaa lopulta ohuiden putken seinien rei'ityksen. Tässä ympäristössäPTFE-vaihtimen geoterminen suolavesijäähdytysratkaisu tarjoaa täysin erilaisen lähestymistavan.
Kuinka PTFE-vaihdin kestää korroosiota ja hilseilyä
PTFE-kuori- ja putkilämmönvaihdin on tyypillisesti konfiguroitu niin, että kuuma geoterminen suolaliuos virtaaputken puolija puhdas työneste (esim. vesi, orgaaninen Rankine-kiertoneste tai toissijainen jäähdytysneste), joka virtaa vaipan puolella. PTFE-putket, joiden tyypillinen ulkohalkaisija on 5–10 mm ja seinämän paksuus 0,5–1 mm, on valmistettu neitseellisestä, täyttämättömästä PTFE:stä-, joka on täysin immuuni klorideille, rikkivedydelle, orgaanisille hapoille ja koko pH-alueelle (lukuun ottamatta sulaa alkalimetallia ja alkuainefluoria).
Korroosionkestävyys
PTFE:ssä ei ole reaktiivisia kemiallisia sidoksia, joihin geotermisen suolaveden lajit voivat hyökätä. Se ei syöpy, kuoppa tai huuhtoudu metalli-ioneihin. Toisin kuin metalliputket, jotka menettävät seinämän paksuutta hitaasti tai joissa vuotoja syntyy kuukausien tai muutaman vuoden kuluttua, PTFE-putket voivat kestää vuosikymmeniä geotermisessä käytössä. Ei ole olemassa riskiä kloridin aiheuttamasta jännityskorroosiohalkeilusta, joka on yleinen vikatila metalligeotermisissä vaihtimissa.
Skaalauskestävyys (alhainen tarttuvuus)
PTFE:n sileällä, tarttumattomalla pinnalla on erittäin alhainen pintaenergia (noin 18 mN/m). Tämä tarkoittaa, että piidioksidi, samoin kuin muut mineraaliesiintymät (kalsiumkarbonaatti, kalsiumsulfaatti, metallisulfidit) eivät tartu voimakkaasti putken seinämiin. Suomulla on taipumus jäädä irtonaiseksi jauheeksi tai ohueksi, helposti irrotettavaksi kalvoksi eikä kovaksi eristäväksi lasiteeksi. Lämpökierto ja taipuisten putkien luonnollinen värähtely aiheuttavat mahdollisten kiinnittyneiden kerrosten irtoamisen. Tämän seurauksena PTFE-vaihdin säilyttää lämmönsiirtotehonsa paljon kauemmin kuin metallinvaihdin samassa palvelussa.
Joustavuutta lämpöpyöräilyyn
Geotermiset kaivot toimivat usein virtausnopeuden ja lämpötilan vaihteluilla, mikä aiheuttaa lämmönvaihtimen lämpökiertoa. PTFE-putket ovat joustavia. Ne voivat laajentua ja supistua lämpötilan muutoksissa ilman, että muodostuu väsymishalkeamia. Metalliputket sitä vastoin ovat jäykkiä ja voivat kokea syklistä lämpöjännitystä putkien ja putkien välisissä liitoksissa, mikä johtaa vaurioihin ajan myötä.
PTFE-jäähdytin on kemiallisesti sokea, kimmoisa jättiläinen, joka siemailee paahtavaa suolaista maavettä ja siirtää tulensa rauhallisesti puhtaan voiman kiertoon.
Geotermisen palvelun suunnittelunäkökohdat
Luotettavan pitkän aikavälin toiminnan saavuttamiseksi geotermisen suolaliuoksen PTFE-vaihdin on suunniteltava tietyillä parametreilla:
Putken puoleinen nopeus
Suspendoituneita kiintoaineita (piidioksidihiukkasia, hiekkaa, metallisulfideja) on aina läsnä geotermisessä suolavedessä. Jos suolaliuoksen nopeus putkien sisällä on liian alhainen, nämä kiinteät aineet laskeutuvat ulos aiheuttaen virtauksen tukkeutumista ja paikallista hilseilyä. Putken puoleinen vähimmäisnopeus on tyypillisesti 1,5–2,0 m/s, jotta kiintoaine pysyy mukana. Kuitenkin, koska PTFE:llä on sileä pinta ja alhainen kitka, hieman pienempi nopeus kuin metalliputkilla (joissa eroosio on huolenaihe) voi olla hyväksyttävä. Maksiminopeutta rajoittaa paineen aleneminen ja putken sisääntulopäiden eroosio (vaikka PTFE on melko kestävä hiukkaseroosiolle).
Putkipaketin kokoonpano
PTFE-putket on tyypillisesti järjestetty kolmion muotoiseen jakoon lämmönsiirtoalueen maksimoimiseksi tietyn vaipan halkaisijan sisällä. Koska PTFE:llä on alhainen lämmönjohtavuus (noin 0,25 W/m·K), seinämän paksuus on minimoitava (0,5–1,0 mm) kohtuullisen kokonaislämmönsiirtokertoimen ylläpitämiseksi. Joskus käytetään pidennettyjä pintoja (ripaputkia), mutta lisääntynyt monimutkaisuus ja evien likaantumisriski ovat usein etuja suuremmat. Kokonaislämmönsiirtopinta-alaa kasvatetaan siten käyttämällä suurta määrää pitkiä ohuita putkia.
Kuoripuolen työneste
Vaipan puolella olevan puhtaan käyttönesteen on oltava PTFE:n kanssa yhteensopivaa (useimmat nesteet ovat, paitsi tietyt korkeissa lämpötiloissa olevat liuottimet). Itse vaippa voidaan valmistaa hiiliteräksestä tai ruostumattomasta teräksestä, suojattu sisäpuolelta PTFE-vuorauksella tai korroosionsuojalla, koska vaippa ei koskaan kosketa aggressiivista suolaliuosta.
Paine- ja lämpötilarajat
PTFE-vaihtimien enimmäiskäyttölämpötila on tyypillisesti rajoitettu 100–110 asteeseen jatkuvassa käytössä, vaikka jotkin erikoistuneet PTFE-laadut voivat saavuttaa 120–130 astetta. Jos geoterminen suolaliuos tulee sisään 150 asteessa, se on esijäähdytettävä (esim. sekoittamalla kierrätettävään jäähdytettyyn suolaliuokseen tai käyttämällä ensimmäisen vaiheen metallinvaihdinta, joka toimii skaalauslämpötilan yläpuolella). Vaihtoehtoisesti suolaliuos voidaan paisuttaa höyryksi ja nestemäinen suolaliuos jäähdyttää sitten PTFE-vaihtimessa. Alemman lämpötilan geotermisille resursseille (100–120 astetta) suora PTFE-vaihdin on ihanteellinen.
Huomio prosessista: Säännöllinen puhdistus kalkinpoistoa varten
Vaikka PTFE vastustaa kalkkikiinnitystä, yksikään geotermisessä suolavedessä toimiva lämmönvaihdin ei voi pysyä täysin puhtaana loputtomiin. Ajan myötä ohut kerros amorfista piidioksidia tai muita mineraaleja voi edelleen kerääntyä, etenkin hitailla nopeudella. Siksi suositellaan ennakoivaa puhdistusaikataulua:
Korkeapainevesisuihkutus (hydropuhallus):Vesisuihku, jonka paine on 500–1 000 bar (7 000–14 000 psi), ohjataan putken tuloaukkoon. Vedenpaine taivuttaa PTFE-putkia ja poistaa irtonaisen kalkin vahingoittamatta putken materiaalia. Tämä voidaan tehdä lämmönvaihtimen ollessa paikallaan käyttämällä lansettia, joka työnnetään sisään putkilevyn pinnasta.
Kemiallinen huuhtelu:Laimeaa suola- tai sitruunahappoa (sopivilla inhibiittoreilla) kierrätetään putken puolen läpi karbonaatti- ja metallisulfidihiukkasten liuottamiseksi. Piidioksidihilseelle, joka ei ole happoliukoinen, voidaan käyttää laimeaa fluorivetyhappoliuosta (käsitelty huolellisesti) tai emäksistä puhdistusainetta (esim. natriumhydroksidia kelatoivalla aineella). Koska PTFE on kemiallisesti inertti näille aineille, puhdistusliuos ei vahingoita putkia. Kuoren puoli ja tiivisteet on kuitenkin suojattava.
Online-siivous (sienipallot):Vaahtokumipalloja, jotka ovat hieman putken sisähalkaisijaa suuremmat, ammutaan ajoittain putkikimpun läpi kääntämällä virtausta. Pallot hankaavat putken pinnat puhtaaksi. Tämä tekniikka toimii hyvin PTFE:n kanssa, koska sileä pinta ei tartu tai hankaa palloja.
Puhdistuksen tiheys riippuu suolaliuoksen koostumuksesta. Joillakin geotermisillä kentillä kuukausittainen huuhtelu riittää; toisissa saatetaan tarvita viikoittainen korkeapaineinen vesisuihku. PTFE-vaihtimen tärkein etu on, että puhdistus palauttaa lähes 100 % alkuperäisestä lämmönsiirtokyvystä, koska pysyviä hilseily- tai korroosiovaurioita ei tapahdu.
Vertailu metallinvaihtimiin
| Ominaisuus | Metallinvaihdin (esim. titaani) | PTFE-vaihdin |
|---|---|---|
| Korroosionkestävyys | Hyvä klorideja vastaan, mutta voi kuoppia kerrostumien alle tai korkeissa lämpötiloissa | Erinomainen; täysin immuuni kaikille geotermisen suolaliuoksen komponenteille |
| Piidioksidin tarttuvuus | Vahva tarttuvuus; asteikko on kova ja eristävä | heikko tarttuvuus; hilse pyrkii hilseilemään |
| Puhdistuksen vaikeus | Kova; kemiallinen puhdistus voi syövyttää metallia; vesipuhallus voi vaurioittaa ohuita seiniä | Helppo; kaikki puhdistusmenetelmät ovat turvallisia PTFE:lle |
| Lämmönjohtavuus | Korkea (10–20 W/m·K) | Matala (~0,25 W/m·K) – vaatii enemmän tilaa |
| Maksimi käyttölämpötila | >200 astetta | Tyypillisesti pienempi tai yhtä suuri kuin 110 astetta (jatkuva) |
| Hinta pinta-alayksikköä kohti | Korkea titaanille; kohtalainen ruostumattomalle teräkselle (mutta ruostumaton teräs syöpyy) | Kohtalainen tai korkea, koska tarvitaan suuri pinta-ala |
| Huollon seisokit | Usein kalkinpoistoon ja korjaukseen | Harvinainen; lähinnä rutiinipuhdistukseen |
PTFE-vaihtimella on suurempi fyysinen jalanjälki (alemman lämmönjohtavuuden vuoksi) ja vähentää merkittävästi korroosiota ja hilseilyvirheitä. Monissa geotermisissä asennuksissa tämä kompromissi on erittäin suotuisa, varsinkin kun suolaliuos on sekä aggressiivista että voimakkaasti hilseilevää.
Tosimaailman sovellusesimerkki
Yhdysvaltojen länsiosassa sijaitseva geoterminen binäärivoimalaitos tuottaa 10 MW sähköä 130 asteen resurssista. Suolaliuos sisältää 120 000 ppm klorideja, 400 ppm piidioksidia ja H2S:a. Aluksi asennettiin titaaninen vaippa-putkivaihdin. Kuuden kuukauden kuluttua piidioksidikerros oli vähentänyt lämmönsiirtokerrointa 40 %, ja puhdistus vaati 3 päivän seisokin joka kuukausi. Pistekorroosiota havaittiin putken tuloaukkojen lähellä.
Tehdas korvasi titaaniyksikön PTFE-kuori- ja putkivaihtimella, mikä lisäsi putkien lukumäärää ja pituutta saman tehtävän saavuttamiseksi. Puhdistustiheys putosi kerran kuuden kuukauden välein korkeapaineisella vesisuihkulla. Kahden vuoden käytön jälkeen PTFE-putket eivät osoittaneet korroosiota ja vain vähäistä, helposti poistettavaa hilsettä. Tehtaan kapasiteettikerroin parani 85 %:sta 94 %:iin pelkästään siivousseisokkien vähentymisen ansiosta.
Johtopäätös: Maan voiman valjastaminen inertillä muovilla
PTFE-lämmönvaihdin on vankka, vähän huoltoa vaativa ja korroosionkestävä ratkaisu geotermisen suolaveden raakaan, hilseilevään ympäristöön. Se kestää kuumaa, erittäin suolaista ja hapanta geotermistä nestettä, estää kovan piidioksidin hilseilyn tarttumattoman pinnan läpi ja kestää lämpökiertoa väsymättä. PTFE-vaihdin on kriittinen komponentti yhdessä maailman kestävimmistä peruskuormitusvirtalähteistä-geotermisestä energiasta. Maan voima valjastetaan kemiallisesti inerteimmällä muovilla. Geotermisten laitosten käyttäjille PTFE-vaihtimen määrittäminen suolaliuoksen jäähdytykseen ei ole kompromissi; Se on strateginen päätös, joka tuottaa tulosta käytettävyydessä, alhaisemmissa ylläpitokustannuksissa ja vuosikymmenien luotettavassa palvelussa.
