Djúpt neðanjarðar, brunnur rennur inn í stórt lón af brennheitum, steinefnaríkum saltvatni-ætandi súpu úr uppleystum söltum, kísil og oft súrum lofttegundum. Þessi pækill er lífæð jarðvarmavirkjunar og varmi hans verður að flytja í hreinan vinnuvökva. Aðalvarmaskiptirinn, viðmótið á milli óhreinu, árásargjarnra jarðarinnar og hreins aflhringrásar, stendur frammi fyrir linnulausri árás tæringar og hreisturs. PTFE skel-og-röraskipti, með sveigjanlegum, efnafræðilega óvirkum slöngum, er sterkur, endingargóður vinnuhestur sem er smíðaður fyrir nákvæmlega þessa baráttu.

The Geothermal Brine Challenge

Jarðhitapækill er ekki venjulegt saltvatn. Það kemur upp úr brunnum við hitastig sem er venjulega á milli 100 gráður og 150 gráður (og stundum hærra), þar sem heildaruppleyst fast efni (TDS) er oft yfir 100.000 ppm-tífalt hærra en sjávar. Saltvatnið inniheldur klóríð, súlföt, karbónöt og þungmálma eins og blý, sink og arsen. Að auki eru uppleystar lofttegundir, þar á meðal koltvísýringur (CO₂), brennisteinsvetni (H₂S), og einstaka sinnum ammoníak til staðar, sem skapar súrt umhverfi (pH getur lækkað í 4 eða lægra).

Skaðlegustu íhlutirnir fyrir varmaskiptaefni eru:

Klóríðjónir:Valda gryfju- og álagstæringarsprungum í ryðfríu stáli og jafnvel nikkelblendi.

Uppleyst kísil (SiO₂):Þegar saltvatnið kólnar fellur kísil út og myndar harða, glerlíka hreistu á hitaflutningsflötum. Afar erfitt er að fjarlægja þennan mælikvarða og einangrar skiptainn hratt og drepur hitauppstreymi.

Brennisteinsvetni:Ráðist á koparblöndur og marga járnmálma.

Hefðbundinn málmvarmaskiptir (td títan eða ryðfrítt stál) getur staðist klóríð í nokkurn tíma, en kísilflögnun er enn alvarlegt vandamál. Hristi safnast upp á málmflötum, sem krefst tíðar efna- eða vélrænnar hreinsunar sem leiðir til stöðvunar og að lokum málmþynningar. Tæring, jafnvel á litlum hraða, veldur að lokum götun á þunnum rörveggjum. Í þessu umhverfi erPTFE skiptis jarðhita saltvatnskælinglausnin býður upp á allt aðra nálgun.

Hvernig PTFE skiptari þolir tæringu og flögnun

PTFE skel-og-rör varmaskiptir er venjulega stilltur með heita jarðhita saltvatnið sem flæðir í gegnumrör hliðog hreinn vinnuvökvi (td vatn, lífræn Rankine hringrás vökvi, eða auka kælivökvi) sem flæðir á skel hliðina. PTFE slöngurnar, með dæmigerð ytri þvermál 5–10 mm og veggþykkt 0,5–1 mm, eru framleidd úr ófylltu PTFE -efni sem er algjörlega ónæmt fyrir klóríðum, brennisteinsvetni, lífrænum sýrum og öllu pH-sviðinu (að undanskildum bráðnum alkalímálmum og frumefnisflúori).

Tæringarónæmi

PTFE hefur engin hvarfgjörn efnatengi sem hægt er að ráðast á af tegundum sem finnast í jarðhitapækli. Það tærir ekki, holar eða skolar úr málmjónum. Ólíkt málmrörum sem hægt og rólega missa veggþykkt eða mynda gataleka eftir mánuði eða nokkur ár, geta PTFE rör endað í áratugi í jarðhitaþjónustu. Engin hætta er á klóríðvöldum spennutæringarsprungum, sem er algengur bilunarmáti í jarðhitaskiptum úr málmi.

Hreisturþol (lítil viðloðun)

Slétt, non-stick yfirborð PTFE hefur mjög litla yfirborðsorku (u.þ.b. 18 mN/m). Þetta þýðir að kísilhúð, sem og aðrar steinefnaútfellingar (kalsíumkarbónat, kalsíumsúlfat, málmsúlfíð), festist ekki vel við rörveggina. Hristinn hefur tilhneigingu til að vera sem laust duft eða þunn filma sem auðvelt er að fjarlægja frekar en harður, einangrandi gljáa. Hitahjólreiðar og náttúrulegur titringur sveigjanlegu röranna valda því að allar viðloðandi útfellingar flagna af. Þar af leiðandi heldur PTFE skiptarinn varmaflutningsskilvirkni miklu lengur en málmskipti í sömu þjónustu.

Sveigjanleiki til að koma til móts við varmahjólreiðar

Jarðhitaholur starfa oft með breytilegum rennslishraða og hitastigi, sem veldur hitauppstreymi varmaskipta. PTFE rör eru sveigjanleg. Þeir geta stækkað og dregist saman við hitabreytingar án þess að mynda þreytusprungur. Málmrör eru aftur á móti stíf og geta orðið fyrir hringlaga hitaálagi við samskeyti rörs við rörplötu, sem leiðir til bilunar með tímanum.

PTFE kælirinn er kemískt blindur, seigur risi, sýpur af steikjandi, söltu jarðvatni og sendir eldinn í rólegheitum yfir í hreina aflhringrásina.

Hönnunarsjónarmið fyrir jarðhitaþjónustu

Til að ná áreiðanlegum langtímanotkun verður PTFE skipti fyrir jarðhitapæki að vera hannað með sérstökum breytum:

Hraða slöngunnar

Svifefni (kísilagnir, sandur, málmsúlfíð) eru alltaf til staðar í jarðhitapækli. Ef pækilhraðinn inni í rörunum er of lágur, setjast þessi föst efni út, sem veldur flæðistíflu og staðbundinni kölkun. Lágmarkshraði rörhliðar 1,5–2,0 m/s er venjulega tilgreindur til að halda föstum efnum með í för. Hins vegar, vegna þess að PTFE hefur slétt yfirborð og lítinn núning, getur aðeins minni hraði en fyrir málmrör (þar sem veðrun er áhyggjuefni) verið ásættanleg. Hámarkshraði er takmarkaður af þrýstingsfalli og af veðrun á inntaksendum rörsins (þó PTFE sé nokkuð ónæmt fyrir rof agna).

Stilling slöngubúnts

PTFE rör er venjulega raðað í þríhyrningslaga velli til að hámarka hitaflutningssvæði innan tiltekins skelþvermáls. Vegna þess að PTFE hefur lága hitaleiðni (u.þ.b. 0,25 W/m·K), verður að lágmarka veggþykktina (0,5–1,0 mm) til að viðhalda hæfilegum heildarvarmaflutningsstuðli. Stundum eru notaðir framlengdir fletir (finned tubes) en aukinn flókinn og hættan á að gróast í uggum vegur oft þyngra en ávinningurinn. Heildarhitaflutningsflatarmálið er því aukið með því að nota mikið af löngum þunnum rörum.

Vinnuvökvi á skel hlið

Hreini vinnuvökvinn á skelhliðinni verður að vera samhæfður við PTFE (flestir vökvar eru það, nema ákveðin leysiefni við háan hita). Skelin sjálf er hægt að smíða úr kolefnisstáli eða ryðfríu stáli, varin að innan með PTFE fóðri eða með tæringarhlunnindi vegna þess að skelin snertir aldrei árásargjarn saltvatn.

Þrýsti- og hitamörk

PTFE skiptar eru venjulega takmörkuð við hámarks rekstrarhitastig 100–110 gráður fyrir stöðuga þjónustu, þó að sumar sérhæfðar PTFE einkunnir geti náð 120–130 gráður. Ef jarðhitapækillinn fer inn í 150 gráður verður hann að vera forkældur (td með því að blanda saman við endurtekið kælt pækil eða með því að nota fyrsta stigs málmskipti sem starfar yfir hitastiginu). Að öðrum kosti er hægt að fleyta saltvatninu í gufu, með fljótandi saltvatninu síðan kælt í PTFE skipti. Fyrir jarðhitaauðlindir með lægri hita (100–120 gráður) er bein PTFE skipti tilvalinn.

Aðferð Athugið: Regluleg hreinsun til að fjarlægja kalk

Þrátt fyrir að PTFE standist viðloðun við kalksteina getur enginn varmaskiptir sem starfar í jarðhitapækli verið alveg hreinn endalaust. Með tímanum getur þunnt lag af myndlausri kísil eða öðrum steinefnum enn safnast fyrir, sérstaklega á lághraðasvæðum. Því er mælt með fyrirbyggjandi hreinsunaráætlun:

Háþrýstivatnsútblástur (vatnsblástur):Vatnsstraumi við 500–1.000 bör (7.000–14.000 psi) er beint inn í rörinntökin. Vatnsþrýstingurinn sveigir PTFE-slöngurnar og losar um lausan hreistur án þess að skemma slönguna. Þetta er hægt að framkvæma með skiptibúnaðinn á sínum stað, með því að nota lansa sem er sett inn frá slönguplötunni.

Kemísk skolun:Þynntri salt- eða sítrónusýra (með viðeigandi hemlum) er dreift í gegnum rörhliðina til að leysa upp karbónat- og málmsúlfíðhleifar. Fyrir kísilhúð, sem er ekki sýruleysanlegt, má nota þynnta flúorsýrulausn (varlega meðhöndluð) eða basískt hreinsiefni (td natríumhýdroxíð með klóbindandi efni). Vegna þess að PTFE er efnafræðilega óvirkt fyrir þessi efni, skaðar hreinsilausnin ekki slöngurnar. Hins vegar verður að verja skelhliðina og þéttingarnar.

Netþrif (svampboltar):Froðugúmmíkúlur, örlítið stærri en innra þvermál rörsins, eru reglulega skotnar í gegnum rörbúntið með því að snúa flæðinu við. Kúlurnar skúra yfirborð slöngunnar hreint. Þessi tækni virkar vel með PTFE vegna þess að slétt yfirborð grípur ekki eða slítur kúlurnar.

Tíðni hreinsunar fer eftir samsetningu pækils. Á sumum jarðhitasvæðum nægir mánaðarleg skolun; í öðrum gæti þurft vikulega háþrýstivatnsúða. Helsti kostur PTFE skiptisins er að hreinsun endurheimtir næstum 100% af upprunalegu hitaflutningsgetu vegna þess að engin varanleg kölkun eða tæringarskemmdir eiga sér stað.

Samanburður við málmskipti

PTFE skiptarinn skiptir um stærra líkamlegt fótspor (vegna lægri hitaleiðni) fyrir verulega minni tæringar- og kvarðabilun. Í mörgum jarðhitavirkjum er þessi málamiðlun mjög hagstæð, sérstaklega þegar pækillinn er bæði árásargjarn og mikið kalklagnir.

Dæmi um raunverulegt forrit

Jarðvarmaorkuver með tvíhringrás í vesturhluta Bandaríkjanna framleiðir 10 MW af raforku úr auðlind í 130 gráðum. Saltvatnið inniheldur 120.000 ppm klóríð, 400 ppm kísil og H₂S. Upphaflega var settur upp títan-skel-og-röraskipti. Eftir sex mánuði hafði kísilhúð lækkað varmaflutningsstuðulinn um 40% og þrif þurfti þriggja daga lokun í hverjum mánuði. Holtæring sást nálægt inntakum slöngunnar.

Verksmiðjan skipti títaneiningunni út fyrir PTFE skel-og-slönguskipti, og jók rörfjölda og lengd til að ná sömu skyldu. Hreinsunartíðni lækkaði í einu sinni á sex mánaða fresti með því að nota háþrýstivatnsþota. Eftir tveggja ára notkun sýndu PTFE slöngurnar enga tæringu og aðeins minniháttar, auðvelt að fjarlægja hreiður. Afköst verksmiðjunnar jókst úr 85% í 94% eingöngu vegna minni þriftíma.

Ályktun: Nýting krafta jarðar með óvirku plasti

PTFE varmaskiptir er öflugur, viðhaldslítill og tæringarheldur lausn fyrir hrottalegt, kvarðandi umhverfi jarðhitapækils. Það þolir heitan, mjög saltlausan og súran jarðhitavökva, kemur í veg fyrir að hörð kísil flögnist í gegnum non-stick yfirborðið og þolir hitauppstreymi án þreytu. PTFE skiptarinn er mikilvægur þáttur í einni sjálfbærustu grunnhleðsluaflgjafa heims-jarðvarma. Kraftur jarðar er virkjaður af efnafræðilega óvirkasta plasti. Fyrir rekstraraðila jarðvarmavera er það ekki málamiðlun að tilgreina PTFE skipti fyrir pækilkælingu; þetta er stefnumótandi ákvörðun sem skilar arði í spenntur, minni viðhaldskostnaði og áratuga traustri þjónustu.