I en geotermisk brinevarmer (2000 ppm klorid, pH 5, 150 grader), hvordan endrer avskalering av kalsiumsulfat på titankappen den nødvendige veggtykkelsen for en 5-årig designlevetid?

Grunnleggende avveining i titanvarmerdesign for skalering av geotermiske saltoppløsninger
Geotermisk saltlake ved 150 grader har store mengder kalsium- og sulfationer. CaSO4, kalsiumsulfat. Løseligheten til CaSO4 avtar med økende temperatur og det utfelles som avleiring på oppvarmede overflater. Denne skalaen er det isolerende laget til en el-varmer i titan. Nødvendig veggtykkelse i 5 år designlevetid må ikke bare ta hensyn til korrosjonsgodtgjørelse, men også beleggoppvarming som øker innvendig nedbrytning. En tykkere vegg vil være varmere til å begynne med og skalerer derfor opp raskere, mens en tynnere vegg vil være kjøligere, men tillate mindre korrosjon. Dette arbeidet evaluerer effekten av kalsiumsulfatskalering på veggtykkelse som kreves for å overleve 5 år i geotermisk saltlake ved 150 grader.

Innvirkning på mekanisk integritet: Skalering for å forårsake overoppheting
Kalsiumsulfatbelegg har en termisk ledningsevne på ca. 1,2 W/m·K, som er 15 ganger lavere enn titan (17 W/m·K). Et skalalag på bare 0,5 mm tykkelse introduserer en termisk motstand på ΔT_scale=q × t_scale / k_scale. En 0,5 mm avleiring på den ytre titanoverflaten forårsaker en temperaturøkning på 8,3 grader for en varmefluks på 2,0 W/cm2 (typisk for geotermiske varmeovner). Den oppvarmede overflaten fremskynder påfølgende utfelling av skalaen, en positiv tilbakemeldingssløyfe. Nøkkelfeilmekanismen endres fra korrosjonsperforering til-overoppheting av den interne magnesiumoksidisolasjonen. Hvis den indre veggtemperaturen er over 350 grader i lang tid, vil MgO-isolasjonen brytes ned. Dette vil føre til elektrisk lekkasje og feil på varmeren. Etter hvert som titanveggtykkelsen øker (dvs. grunnlinjeoverflatetemperaturen øker), reduseres den tolererte kalktykkelsen før overoppheting, dvs. hyppigere rengjøring eller lavere varmefluks er nødvendig.

Effekt på termisk ytelse: Basisoverflatetemperatur og skaleringshastighet
Frekvensen for produksjon av kalsiumsulfatskala er en Arrhenius-forbindelse med overflatetemperaturen. For en 1,0 mm vegg av titan ved 2,0 W/cm2 i 150 grader saltlake er temperaturen på den ytre overflaten omtrent 157 grader (ΔTcond=1.2 grad, ΔTconv forutsatt h=2000 W/m2K=10 grad ). Ytre overflate når 160 grader for 1,8 mm vegg. Denne forskjellen på 3 grader tilsvarer en økning på ca. 20 % av avleiringsraten. Enda viktigere er det imidlertid at den høyere grunnlinjetemperaturen betyr at et tynnere avleiringslag utløser overoppheting. t_scale_max=(350 grader - T_surface - ΔT_cond - ΔT_conv) * k_scale/q . Dette er den maksimale tykkelsen på skalaen før innerveggen når 350 grader. For en vegg på 1,0 mm (T_overflate=157 grader), t_scale_max~2,3 mm. For en veggtykkelse på 1,8 mm (T_overflate=160 grader), t_scale_max ≈ 2,0 mm. Forskjellen er liten, men den tykkere veggen avskalerer også 20 % raskere, derfor er tiden for å nå den kritiske skalatykkelsen ~30 % kortere.

Avveiningssyntesen: Valg av veggtykkelse med skalering
Veggtykkelse (mm) Innledende T_overflate ( grad ) Avsetningshastighet (mm/måned) Måneder til kritisk størrelse (2,0 mm) Korrosjonsgodtgjørelse Levetid (år) Total 5-års levedyktighet
0,8 mm 156 grader C 0,30 mm/mnd 6,7 mnd > 10 år Nei – for ofte rengjøring
1,0 mm 157 grader 0,32 mm/mnd 6,3 mnd > 10 år Nei – trenger rengjøring hver 6. måned
1.2 mm 158°C 0.35 mm/month 5.7 months >10 år Nei – rengjøres hver 5. måned
1,5 mm 159 grader 0,38 mm/mnd 5,3 måneder 8 – 10 år Nei – trenger fortsatt rengjøring
Enhver Enhver > 0,30 mm/mnd < 7 mnd. Hvis det ikke er noen skaleringskontroll, vil ingen veggtykkelse vare i 5 år.
Statistikken tyder på at ingen veggtykkelse vil kunne nå en 5-årig designlevetid uten avleiring siden kalsiumsulfat utvikler seg med 0.3 - 0.4 mm/måned og krever rengjøring hver 5 - 7 måned uavhengig av titantykkelse. Tiden for å oppnå kritisk skala påvirkes ikke mye av veggtykkelsen.

Engineering utenfor veggen: Forebygging og rengjøring av kalk
De eneste praktiske løsningene for å oppnå 5 års levetid på avkalking av geotermisk saltlake er kalkforebygging eller automatisert rengjøring. Tilsetning av en avleiringshemmer (5–10 ppm polyakrylat eller fosfonat) til saltlaken reduserer avsetningshastigheten til 0,03–0,06 mm/måned (80–90 %). Inhibering reduserer rengjøringsfrekvensen til hvert 3.–4. år for en 1,2 mm tykk titanvegg, og korrosjonstilskuddet til veggen (0,01 mm/år fra kloridangrep) er minimalt. Alternativt kan kalkavleiringer elimineres før den når 0,3 mm tykkelse ved å installere et mekanisk rengjøringssystem (f.eks. fjærbelastede skrapere som beveger seg langs varmerørene ofte). Hvis du skraper den en gang i uken, vil enhver veggtykkelse mellom 0,8 mm og 2,0 mm vare i mer enn 5 år, siden skalaen aldri blir tykk nok til å forårsake overoppheting. Da må veggtykkelsen bare tilfredsstille korrosjonstoleransen for klorider (0,05 mm/år maksimum, dvs. . 0.5 mm om 10 år).

Konklusjon: Den geotermiske brineskalakontrollen er viktigere enn veggtykkelsen
For eksempel kan den nødvendige veggtykkelsen til en geotermisk brinevarmer ved 150 grader med 2000 ppm klorid- og kalsiumsulfatskalering ikke forutsies for en 5-års levetid uten å ta hensyn til kalkdannelse. Ukontrollerte kalkavleiringer på 0,3 til 0,4 mm/måned, noe som krever rengjøring hver 5. til 7. måned uavhengig av veggtykkelsen av titan (0,8 mm eller 2,0 mm). Kjemisk avleiringshemming (90 % reduksjon i avsetningshastighet) en standard 1,2 mm vegg vil gi 5+ års drift og korrosjonen tillatt fra klorid er ubetydelig. Den beste standarden for geotermisk brineservice er titanveggtykkelse på 1,2-1,5 mm med kalkinhibitorinjeksjonssystem eller automatisert mekanisk rengjøring. Krev at produsenten oppgir den estimerte kalsiumkonsentrasjonen (ppm Ca 2+ ) og sulfatkonsentrasjonen (ppm SO 4 2- ) for å bestemme den forutsagte kalkavsetningshastigheten og for å kreve en skalahåndteringsplan som en del av varmeapparatspesifikasjonen. Veggtykkelsen er ikke nok til å gi 5 års levetid i avleirende saltlake.