В геотермален нагревател за саламура (2000 ppm хлорид, pH 5, 150 градуса), как натрупването на калциев сулфат върху титановата обвивка променя необходимата дебелина на стената за 5-годишен проектен живот?

Основен компромис в дизайна на титанов нагревател за мащабиране на геотермални солени води
Геотермалните соли при 150 градуса имат големи количества калциеви и сулфатни йони. CaSO4, калциев сулфат. Разтворимостта на CaSO4 намалява с повишаване на температурата и той се утаява като котлен камък върху нагрети повърхности. Тази скала е изолационният слой на титанов потопяем нагревател. Необходимата дебелина на стената за 5 години проектен живот трябва да вземе предвид не само допускането на корозия, но и затоплянето на котлен камък, което увеличава вътрешното разграждане. По-дебелата стена ще бъде по-гореща в началото и следователно ще се увеличава по-бързо, докато по-тънката стена ще бъде по-хладна, но позволява по-малко корозия. Тази работа оценява ефекта от натрупването на калциев сулфат върху дебелината на стената, необходима за оцеляване в продължение на 5 години в геотермална саламура при 150 градуса.

Въздействие върху механичната цялост: мащаб, който причинява прегряване
Калциевият сулфат има топлопроводимост от около 1,2 W/m·K, което е 15 пъти по-ниско от титана (17 W/m·K). Слой от котлен камък с дебелина само 0,5 mm въвежда термично съпротивление от ΔT_scale=q × t_scale / k_scale. Отлагане на котлен камък от 0,5 mm върху външната титанова повърхност причинява повишаване на температурата с 8,3 градуса за топлинен поток от 2,0 W/cm2 (типично за геотермални нагреватели). Нагрятата повърхност ускорява последващото утаяване на котления камък, положителна обратна връзка. Механизмът на повреда на ключа се променя от корозионна перфорация към пре-нагряване на вътрешната изолация от магнезиев оксид. Ако температурата на вътрешната стена е над 350 градуса за дълго време, MgO изолацията ще се разпадне. Това ще причини изтичане на електричество и повреда на нагревателя. Тъй като дебелината на титаниевата стена се увеличава (т.е. базовата повърхностна температура се увеличава), толерираната дебелина на котлен камък преди прегряване намалява, т.е. необходимо е по-често почистване или по-нисък топлинен поток.

Ефект върху топлинните характеристики: температура на основната повърхност и мащаб
Скоростта на образуване на калциев сулфат е връзка на Арениус с повърхностната температура. За 1,0 mm стена от титан при 2,0 W/cm2 в 150-градусов солен разтвор температурата на външната повърхност е около 157 градуса (ΔTcond=1.2 градуса, ΔTconv при приемане на h=2000 W/m2K=10 градуса). Външната повърхност достига 160 градуса за 1,8 mm стена. Тази разлика от 3 градуса съответства на увеличение от около 20% на степента на отлагане на котлен камък. По-важното обаче е, че по-високата базова температура означава, че по-тънък слой котлен камък предизвиква прегряване. t_scale_max=(350 градуса - T_surface - ΔT_cond - ΔT_conv) * k_scale/q . Това е максималната дебелина на скалата, преди вътрешната стена да достигне 350 градуса. За стена от 1,0 mm (T_surface=157 градуса), t_scale_max~2,3 mm. За дебелина на стената от 1,8 mm (T_surface=160 градуса), t_scale_max ≈ 2,0 mm. Разликата е незначителна, но по-дебелата стена също се мащабира с 20% по-бързо, следователно времето за достигане на критичната дебелина на мащаба е ~30% по-кратко.

Компромисният синтез: избор на дебелина на стената с мащабиране
Дебелина на стената (mm) Първоначална T_surface (градус) Скорост на отлагане на котлен камък (mm/месец) Месеци до критичен размер (2,0 mm) Допустим живот на корозия (години) Обща 5-годишна жизнеспособност
0,8 mm 156 градуса C 0,30 mm/месец 6,7 месеца > 10 години Не – твърде често почистване
1,0 мм 157 градуса 0,32 мм/месец 6,3 месеца > 10 години Не – има нужда от почистване на всеки 6 месеца
1.2 mm 158°C 0.35 mm/month 5.7 months >10 години Не – почистване на всеки 5 месеца
1,5 мм 159 градуса 0,38 мм/месец 5,3 месеца 8 – 10 години Не – все още е необходимо почистване
Всякакви Всякакви > 0,30 mm/месец < 7 месеца Ако няма контрол на мащаба, дебелината на стената няма да издържи 5 години.
Статистиката предполага, че нито една дебелина на стената не би могла да достигне 5-годишен проектен живот без предотвратяване на котления камък, тъй като калциевият сулфат се развива при 0.3 - 0.4 mm/месец и изисква почистване на всеки 5 - 7 месеца, независимо от дебелината на титана. Времето за постигане на критичен мащаб не се влияе много от дебелината на стената.

Инженерство извън стената: Предотвратяване и почистване на котлен камък
Единствените практически решения за постигане на 5-годишен експлоатационен живот при мащабиране на геотермален солен разтвор са предотвратяване на котлен камък или автоматизирано почистване. Добавянето на инхибитор на котлен камък (5–10 ppm полиакрилат или фосфонат) към солевия разтвор намалява скоростта на отлагане до 0,03–0,06 mm/месец (80–90%). Инхибирането намалява честотата на почистване на всеки 3–4 години за титаниева стена с дебелина 1,2 mm, а допустимото корозионно действие на стената (0,01 mm/година от хлоридна атака) е минимално. Като алтернатива котленият камък може да бъде елиминиран преди достигане на дебелина от 0,3 mm чрез инсталиране на механична система за почистване (напр. пружинни стъргалки, които се движат често по нагревателните тръби). Ако го изстържете веднъж седмично, всяка дебелина на стената между 0,8 mm и 2,0 mm ще издържи повече от 5 години, тъй като котленият камък никога не става достатъчно дебел, за да причини прегряване. Тогава дебелината на стената просто трябва да отговаря на толерантността на корозия за хлориди (максимум 0,05 mm/година, т.е. . 0.5 mm за 10 години).

Заключение: Контролът на мащаба на геотермалната солена вода е по-важен от дебелината на стената
Например, необходимата дебелина на стената на нагревател за геотермален солен разтвор при 150 градуса с 2000 ppm хлорид и калциев сулфат не може да бъде предвидена за 5-годишен проектен живот без отчитане на образуването на котлен камък. Неконтролирани отлагания от котлен камък от 0,3 до 0,4 mm/месец, налагащи почистване на всеки 5 до 7 месеца, независимо от дебелината на титановата стена (0,8 mm или 2,0 mm). Инхибиране на химически котлен камък (90% намаление на скоростта на отлагане) стандартна стена от 1,2 mm ще осигури 5+ години работа и разрешената корозия от хлорида е незначителна. Най-добрият стандарт за услугата геотермален солен разтвор е титаниева стена с дебелина 1,2-1,5 mm със система за инжектиране на инхибитор на котления камък или автоматизирано механично почистване. Изисквайте от производителя да предостави прогнозната концентрация на калций (ppm Ca 2+ ) и концентрация на сулфат (ppm SO 4 2- ), за да определи прогнозираната скорост на отлагане на котлен камък и да изиска план за управление на котления камък като част от спецификацията на нагревателя. Дебелината на стените не е достатъчна, за да осигури 5-годишна дълготрайност на саламура за мащабиране.