Как един PTFE топлообменник устоява на натрупването на силициев диоксид в приложенията за отопление на геотермална солена вода?

Предизвикателството за геотермална саламура

Геотермалните солеви разтвори, извлечени от дълбоки кладенци, съдържат разтворен силициев диоксид в концентрации от 500-1500 ppm-далеч над границата на насищане при повърхностни температури. Когато саламурата се нагрява или охлажда през топлообменник, силициевият диоксид се утаява като аморфен силициев диоксид върху повърхностите за пренос на топлина. Нагарът е стъклен, твърд и изключително труден за отстраняване. Той изолира тръбите, намалява топлинната мощност и в крайна сметка изисква механично отстраняване или пълна подмяна на топлообменника.

Металните топлообменници в геотермалното обслужване претърпяват натрупване на силициев диоксид в рамките на седмици до месеци. Нагарът се свързва с повърхността на металния оксид чрез силоксанови (Si-O-Si) химически връзки-същите връзки, които държат стъклото заедно. Веднъж залепен, котленият камък не може да се разтвори чрез киселинно или алкално почистване. Механичното отстраняване уврежда металната повърхност и осигурява свежи места за зародиш за следващия слой котлен камък.

PTFE топлообменник се противопоставя на натрупването на силициев диоксид чрез фундаментално различно повърхностно взаимодействие. Повърхността на флуорополимера няма метални оксидни групи, които да образуват силоксанови връзки. Силицият, който се утаява от солевия разтвор, контактува с повърхност, която не предлага места за химическо свързване и минимална адхезия. Котленият камък се отлага рехаво, ако изобщо се отлага, и се отстранява лесно.

Механизмът на отлагане на силициев диоксид върху метали

Отлагането на аморфен силициев диоксид върху метална повърхност протича чрез механизъм на химическо свързване. Повърхността на металния оксид (Fe₂O₃, Cr2O3, TiO₂) носи хидроксилни групи (-OH) на своята повърхност. Силициевата киселина в солевия разтвор (Si(OH)₄) реагира с тези повърхностни хидроксилни групи: M-OH + Si(OH)₄ → M-O-Si(OH)3 + H₂O. Силициевата киселина се свързва химически с металната повърхност. Допълнителни молекули силициева киселина се кондензират върху свързания силициев диоксид, увеличавайки слоя от мащаб чрез образуване на силоксанови връзки. Скалата се превръща в непрекъснат, прилепнал слой от аморфно силициево стъкло.

Скоростта на образуване на котлен камък зависи от концентрацията на силициев диоксид, температурата и pH на саламура. На повърхността на топлообменника повишената температура намалява разтворимостта на силициев диоксид, увеличавайки местното пренасищане. Скоростта на растеж на котления камък се ускорява с грапавостта на повърхността-грапавите повърхности осигуряват повече места за свързване и повече площ за отлагане.

PTFE несвързваща повърхност

PTFE не съдържа хидроксилни групи на повърхността. Въглерод-флуорните връзки са химически стабилни. Приближаването на молекулата на силициевата киселина към повърхността на PTFE не открива никакви реактивни места за реакцията на кондензация, която свързва силициевия диоксид с металните оксиди. Силициевият диоксид, утаен от солевия разтвор, се утаява в насипния флуид или на повърхността, но не може да образува химическа връзка с PTFE.

Адхезията е допълнително намалена поради ниската повърхностна енергия на PTFE (18-20 mN/m). Дори ако частиците силициев диоксид паднат върху повърхността под действието на гравитацията, силите на сцепление са слаби - само сили на Ван дер Ваалс, без компонент на химическо свързване. Натрупаният силициев диоксид се отстранява чрез измиване с вода или просто се отлепва по време на типичен термичен цикъл, докато PTFE се разширява и свива.

Липсата на места за химическо свързване и ниската повърхностна енергия означава, че силициев диоксид върху PTFE е хлабав, прахообразен депозит, а не прилепнал стъклен слой. Той поддържа повърхността за пренос на топлина в работно състояние с минимално почистване.

Ползи от температурните цикли
Температурните цикли са често срещано явление за геотермалните топлообменници поради вариации в температурата на солевия разтвор, произтичащи от условията на сондажа и производствените изисквания. Диференциалното термично разширение между скалата (0,5 × 10⁻⁶/градус) и метала (12-17 × 10⁻⁶/градус) на метален обменник със свързана силициева скала генерира напрежения при контакта котлен камък-метал. Напрежението може да разруши скалата, но пукнатините разкриват свежа метална повърхност, която незабавно произвежда нови силоксанови връзки с повече силициев диоксид. Цикълът не нулира скалата, а я изчиства.

За PTFE топлообменник топлинното разширение на PTFE (120 × 10−6/градус) е много по-голямо от това на всеки свободно поставен силициев диоксид. Повърхността на тръбата се разширява и свива, карайки всеки отложен силициев диоксид да се отлепи. За разлика от металите температурните цикли не водят до допълнително образуване на котлен камък, а почистват повърхността на PTFE.

Заключение
Флуорополимерната повърхност на PTFE топлообменниците не предлага никакви хидроксилни групи за създаване на силоксанови връзки, химичният механизъм, отговорен за свързването на силициев диоксид с повърхности на метален оксид, и следователно е устойчив на силициев мащаб в геотермалната солна луга. Намалената повърхностна енергия също възпрепятства адхезията. Термичното циклиране подновява котлен камък върху металите, но всъщност премахва свободния силициев диоксид от PTFE. Резултатът е топлообменник с 5+ години производителност на топлопренос в услуга, която разгражда металните обменници за 6-24 месеца.

Предлага се инженерна поддръжка за спецификация на PTFE топлообменник в геотермални системи и системи с високо съдържание на силициев двуокис при получаване на химическия състав на солевия разтвор, концентрацията на силициев диоксид, работния температурен диапазон и текущата история на мащабиране.