W geotermalnym podgrzewaczu solanki (2000 ppm chlorku, pH 5, 150 stopni) w jaki sposób osadzanie się siarczanu wapnia na tytanowej osłonie zmienia wymaganą grubość ścianki dla 5-letniego projektowego okresu użytkowania?

Podstawowy kompromis w projektowaniu grzejników tytanowych w przypadku solanek geotermalnych z osadzaniem się kamienia
Solanki geotermalne o temperaturze 150 stopni zawierają duże ilości jonów wapnia i siarczanów. CaSO4, siarczan wapnia. Rozpuszczalność CaSO4 zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury i wytrąca się w postaci kamienia na ogrzanych powierzchniach. Skala ta jest warstwą izolacyjną tytanowej grzałki zanurzeniowej. Wymagana grubość ścianki dla 5-letniego projektowego okresu użytkowania musi uwzględniać nie tylko naddatek na korozję, ale także nagrzewanie się kamienia, które zwiększa degradację wnętrza. Grubsza ściana będzie początkowo cieplejsza i dlatego skala będzie się szybciej zwiększać, podczas gdy cieńsza ściana będzie chłodniejsza, ale będzie mniej podatna na korozję. W pracy oceniono wpływ osadzania się siarczanu wapnia na grubość ścianki niezbędną do przeżycia 5 lat w solance geotermalnej w temperaturze 150 stopni.

Wpływ na integralność mechaniczną: skala powodująca przegrzanie
Skala siarczanu wapnia ma przewodność cieplną około 1,2 W/m·K, czyli 15 razy niższą niż tytan (17 W/m·K). Warstwa łuski o grubości zaledwie 0,5 mm wprowadza opór cieplny ΔT_scale=q × t_scale / k_scale. Osad o grubości 0,5 mm na zewnętrznej powierzchni tytanu powoduje wzrost temperatury o 8,3 stopnia przy strumieniu ciepła 2,0 W/cm2 (typowym dla grzejników geotermalnych). Ogrzana powierzchnia przyspiesza późniejsze wytrącanie się kamienia, tworząc pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego. Kluczowy mechanizm awarii został zmieniony z perforacji korozyjnej na-przegrzanie wewnętrznej izolacji z tlenku magnezu. Jeśli temperatura ściany wewnętrznej przez dłuższy czas przekracza 350 stopni, izolacja MgO ulegnie uszkodzeniu. Spowoduje to upływ prądu i awarię grzejnika. W miarę wzrostu grubości ścianki tytanu (tj. wzrostu podstawowej temperatury powierzchni), tolerowana grubość zgorzeliny przed przegrzaniem maleje, co oznacza, że ​​konieczne jest częstsze czyszczenie lub mniejszy strumień ciepła.

Wpływ na wydajność cieplną: podstawowa temperatura powierzchni i współczynnik skalowania
Szybkość tworzenia się kamienia siarczanu wapnia jest powiązana Arrheniusa z temperaturą powierzchni. Dla 1,0 mm ścianki tytanu przy 2,0 W/cm2 w 150 stopniach solanki temperatura powierzchni zewnętrznej wynosi około 157 stopni (ΔTcond=1.2 stopnia, ΔTconv przy założeniu h=2000 W/m2K=10 stopnia). Powierzchnia zewnętrzna osiąga 160 stopni dla ściany o grubości 1,8 mm. Ta 3-stopniowa różnica odpowiada wzrostowi szybkości osadzania kamienia o około 20%. Co jednak ważniejsze, wyższa temperatura bazowa oznacza, że ​​cieńsza warstwa kamienia powoduje przegrzanie. t_scale_max=(350 stopni - T_surface - ΔT_cond - ΔT_conv) * k_scale/q . Jest to maksymalna grubość łuski, zanim ściana wewnętrzna osiągnie 350 stopni. Dla ściany o grubości 1,0 mm (T_surface=157 stopnia), t_scale_max~2,3 mm. Dla grubości ścianki 1,8 mm (T_surface=160 stopni), t_scale_max ≈ 2,0 mm. Różnica jest niewielka, ale grubsza ścianka również łuszczy się o 20% szybciej, dlatego czas osiągnięcia krytycznej grubości łuski jest o ~30% krótszy.

Synteza kompromisu: wybór grubości ścianki ze skalowaniem
Grubość ścianki (mm) Początkowa powierzchnia T (stopnie) Szybkość osadzania skali (mm/miesiąc) Od miesięcy do rozmiaru krytycznego (2,0 mm) Trwałość naddatku na korozję (lata) Ogólna żywotność 5-letnia
0,8 mm 156 stopni C 0,30 mm/miesiąc 6,7 miesiąca > 10 lat Nie – zbyt częste czyszczenie
1,0 mm 157 stopni 0,32 mm/miesiąc 6,3 miesiąca > 10 lat Nie – wymaga czyszczenia co 6 miesięcy
1.2 mm 158°C 0.35 mm/month 5.7 months >10 lat Nie – czyścić co 5 miesięcy
1,5 mm 159 stopni 0,38 mm/miesiąc 5,3 miesiąca 8 – 10 lat Nie – nadal wymaga czyszczenia
Dowolna Dowolna > 0,30 mm/miesiąc < 7 miesięcy Jeśli nie ma kontroli kamienia, żadna grubość ściany nie wytrzyma 5 lat.
Statystyki sugerują, że żadna grubość ścianki nie byłaby w stanie osiągnąć projektowanego okresu 5 lat bez zapobiegania osadzaniu się kamienia, ponieważ siarczan wapnia tworzy się z szybkością 0.3 - 0.4 mm/miesiąc i wymaga czyszczenia co 5 - 7 miesięcy, niezależnie od grubości tytanu. Grubość ścianki nie ma większego wpływu na czas osiągnięcia skali krytycznej.

Inżynieria poza murem: zapobieganie i usuwanie kamienia
Jedynymi praktycznymi rozwiązaniami umożliwiającymi osiągnięcie 5-letniego okresu użytkowania solanki geotermalnej z kamienia jest zapobieganie osadzaniu się kamienia lub automatyczne czyszczenie. Dodatek inhibitora kamienia (5–10 ppm poliakrylanu lub fosfonianu) do solanki zmniejsza szybkość osadzania do 0,03–0,06 mm/miesiąc (80–90%). Hamowanie zmniejsza częstotliwość czyszczenia do co 3–4 lata w przypadku ściany tytanowej o grubości 1,2 mm, a naddatek korozyjny ściany (0,01 mm/rok od ataku chlorków) jest minimalny. Alternatywnie kamień można usunąć przed osiągnięciem grubości 0,3 mm, instalując mechaniczny system czyszczenia (np. zgarniaki sprężynowe, które często przemieszczają się wzdłuż rur grzejników). Jeśli zeskrobujesz go raz w tygodniu, ścianki o grubości od 0,8 mm do 2,0 mm wytrzymają ponad 5 lat, ponieważ łuska nigdy nie stanie się wystarczająco gruba, aby spowodować przegrzanie. Wtedy grubość ścianki musi jedynie spełniać tolerancję korozji dla chlorków (maksymalnie 0,05 mm/rok, tj.. 0.5 mm w ciągu 10 lat).

Wniosek: Kontrola osadu solanki geotermalnej jest ważniejsza niż grubość ścianki
Na przykład, niezbędnej grubości ścianki geotermalnego podgrzewacza solanki w temperaturze 150 stopni przy 2000 ppm osadzania się chlorku i siarczanu wapnia nie można przewidzieć dla projektowanego okresu 5 lat bez uwzględnienia tworzenia się kamienia. Niekontrolowane osadzanie się kamienia w ilości od 0,3 do 0,4 mm/miesiąc wymagające czyszczenia co 5 do 7 miesięcy, niezależnie od grubości ścianki tytanu (0,8 mm lub 2,0 mm). Zahamowanie osadzania się kamienia chemicznego (redukcja szybkości osadzania o 90%). Standardowa ścianka o grubości 1,2 mm zapewni 5+ lat eksploatacji, a korozja powodowana przez chlorki jest nieznaczna. Najlepszym standardem obsługi solanki geotermalnej jest grubość ścianki tytanu 1,2-1,5 mm z systemem wtrysku inhibitora kamienia lub zautomatyzowanego czyszczenia mechanicznego. Wymagaj od producenta dostarczenia szacowanego stężenia wapnia (ppm Ca 2+ ) i stężenia siarczanu (ppm SO 4 2- ) w celu określenia przewidywanej szybkości osadzania się kamienia oraz wymagania planu zarządzania kamieniem jako części specyfikacji grzejnika. Grubość ścianki nie jest wystarczająca do zapewnienia 5-letniej trwałości w solankach z kamienia.