In a Geothermal Brine Heater (2000 ppm Chloride, pH 5, 150℃), How Does Scaling of Calcium Sulfate on the Titanium Sheath Alter the Required Wall Thickness for a 5-Year Design Life?

Grunnviðskipti í hönnun títanhitara til að stækka jarðhitapæki
Jarðhitapæki við 150 gráður hafa mikið magn af kalsíum og súlfatjónum. CaSO4, kalsíumsúlfat. Leysni CaSO4 minnkar með hækkandi hitastigi og það fellur út sem kalksteinn á hituð yfirborð. Þessi mælikvarði er einangrunarlagið á títaníum hitara. Nauðsynleg veggþykkt í 5 ár hönnunarlíf verður ekki aðeins að taka tillit til tæringarheimilda heldur einnig hitastigshitun sem eykur niðurbrot innanhúss. Þykkri veggur verður heitari í fyrstu og stækkar því hraðar en þynnri veggur verður kaldari en leyfir minna fyrir tæringu. Þessi vinna metur áhrif kalsíumsúlfats á veggþykkt sem þarf til að lifa af í 5 ár í jarðhitapækli við 150 gráður.

Áhrif á vélrænni heilleika: Stærð til að valda ofhitnun
Kalsíumsúlfatkvarðinn hefur hitaleiðni upp á um 1,2 W/m·K, sem er 15 sinnum lægri en títan (17 W/m·K). Kvarðalag sem er aðeins 0,5 mm þykkt kynnir hitaþol sem er ΔT_scale=q × t_scale / k_scale. 0,5 mm útfelling á ytra títaníum yfirborði veldur hitahækkun upp á 8,3 gráður fyrir hitaflæði upp á 2,0 W/cm2 (dæmigert fyrir jarðhitara). Upphitað yfirborð flýtir fyrir síðari úrkomu á kvarðanum, jákvæðri endurgjöf. Lyklabilunarkerfi er breytt úr tæringargötum yfir í of-ofhitun á innri magnesíumoxíð einangruninni. Ef hitastig innri veggsins er yfir 350 gráður í langan tíma mun MgO einangrunin bila. Þetta mun valda rafmagnsleka og bilun í hitaranum. Eftir því sem títanveggþykktin eykst (þ.e. yfirborðshiti í grunnlínu eykst) minnkar þykktin sem þolist fyrir ofhitnun, þ.e. þarf að hreinsa oftar eða minna hitaflæði.

Áhrif á hitauppstreymi: Grunnyfirborðshiti og mælikvarði
Hraði framleiðslu kalsíumsúlfatkvarða er Arrhenius tenging við yfirborðshitastig. Fyrir 1,0 mm vegg af títan við 2,0 W/cm2 í 150 gráðu pækli er hitastig ytra yfirborðsins um 157 gráður (ΔTcond=1.2 gráður, ΔTconv miðað við h=2000 W/m2K=10 gráðu ). Ytra yfirborð nær 160 gráður fyrir 1,8 mm vegg. Þessi 3 gráðu munur samsvarar um það bil 20% aukningu á hraðaútfellingu. Mikilvægara er þó að hærra grunnlínuhitastig þýðir að þynnra lag vekur ofhitnun. t_scale_max=(350 gráður - T_yfirborð - ΔT_cond - ΔT_conv) * k_scale/q . Þetta er hámarksþykkt kvarðans áður en innri veggurinn nær 350 gráðum. Fyrir vegg sem er 1,0 mm (T_yfirborð=157 gráðu), t_scale_max~2,3 mm. Fyrir veggþykkt 1,8 mm (T_yfirborð=160 gráðu), t_scale_max ≈ 2,0 mm. Munurinn er smávægilegur, en þykkari veggurinn mælist einnig 20% ​​hraðar, þess vegna er tíminn til að ná mikilvægri kvarðaþykkt ~30% styttri.

The Tradeoff Synthesis: Veggþykktarval með mælikvarða
Veggþykkt (mm) Upphaf T_yfirborðs (gráða) Útfellingarhraði mælikvarða (mm/mánuður) Mánuðir til mikilvægrar stærðar (2,0 mm) Tæringarheimild Líftími (ár) Heildar 5 ára lífvænleiki
0,8 mm 156 gráður C 0,30 mm/mánuði 6,7 mánuðir > 10 ár Nei – of oft þrif
1,0 mm 157 gráður 0,32 mm/mánuði 6,3 mánuðir > 10 ár Nei – þarf að þrífa á 6 mánaða fresti
1.2 mm 158°C 0.35 mm/month 5.7 months >10 árNei – hreinsað á 5 mánaða fresti
1,5 mm 159 gráður 0,38 mm/mán. 5,3 mánuðir 8 – 10 árNei – þarfnast hreinsunar
Einhver Einhver > 0,30 mm/mánuði < 7 mánuðir Ef það er engin kvarðastýring endist engin veggþykkt í 5 ár.
Tölfræðin bendir til þess að engin veggþykkt gæti náð 5 ára hönnunarlífi án þess að koma í veg fyrir að kalksúlfat myndast við 0.3 - 0.4 mm/mánuði og þarfnast hreinsunar á 5 - 7 mánaða fresti, óháð títanþykkt. Tíminn til að ná mikilvægum mælikvarða er ekki mikið fyrir áhrifum af veggþykktinni.

Verkfræði fyrir utan vegginn: Forvarnir og hreinsun á mælikvarða
Einu hagnýtu lausnirnar til að ná 5 ára endingartíma á kalkpækli eru forvarnir gegn kalki eða sjálfvirk hreinsun. Bæta við kalkhemli (5–10 ppm pólýakrýlat eða fosfónat) við saltvatnið dregur úr útfellingarhraðanum í 0,03–0,06 mm/mánuði (80–90%). Hindrun dregur úr tíðni hreinsunar á 3–4 ára fresti fyrir 1,2 mm þykkan títanvegg og tæringarmagn veggsins (0,01 mm/ár frá klóríðárás) er í lágmarki. Að öðrum kosti er hægt að eyða kalki áður en þykkt er 0,3 mm með því að setja upp vélrænt hreinsikerfi (td gormhlaðnar skrapa sem ferðast oft meðfram hitarörunum). Ef þú skafar það einu sinni í viku mun hvers kyns veggþykkt á milli 0,8 mm og 2,0 mm endast í meira en 5 ár, þar sem vogin verður aldrei nógu þykk til að valda ofhitnun. Þá þarf veggþykktin bara að uppfylla tæringarþolið fyrir klóríð (0,05 mm/ár að hámarki, þ.e. . 0.5 mm eftir 10 ár).

Ályktun: Stýring jarðhitapækils er mikilvægari en veggþykktin
Til dæmis er ekki hægt að spá fyrir um nauðsynlega veggþykkt jarðhitahitara við 150 gráður með 2000 ppm klóríð- og kalsíumsúlfatskala fyrir 5 ára hönnunarlíf án þess að gera grein fyrir myndun kalksteins. Ómeðhöndluð kalkútfelling á 0,3 til 0,4 mm/mánuði sem þarfnast hreinsunar á 5 til 7 mánaða fresti óháð títan veggþykkt (0,8 mm eða 2,0 mm). Hömlun á efnakvarða (90% minnkun á útfellingu) staðall 1,2 mm veggur mun gefa 5+ ára notkun og tæringin sem leyfð er frá klóríði er óveruleg. Besti staðallinn fyrir jarðhitapækilþjónustu er títanveggþykkt 1,2-1,5 mm með innspýtingarkerfi með kalkhemli eða sjálfvirkri vélrænni hreinsun. Krefjast þess að framleiðandinn gefi upp áætlaðan kalsíumstyrk (ppm Ca 2+ ) og súlfatstyrk (ppm SO 4 2- ) til að ákvarða fyrirhugaðan hraða útfellingar og til að krefjast kvarðastjórnunaráætlunar sem hluta af hitaraforskriftinni. Veggþykkt er ekki nóg til að veita 5 ára langlífi í saltpækli.