Como os trocadores de PTFE são usados ​​no resfriamento da salmoura quente de um poço geotérmico?

Um poço explora um enorme reservatório de salmoura escaldante e carregada de minerais-, uma sopa corrosiva de sais dissolvidos, sílica e, muitas vezes, gases ácidos, nas profundezas da superfície. A salmoura é o núcleo de uma usina geotérmica e o calor deve ser transferido para um fluido de trabalho limpo. A corrosão e a incrustação atacam constantemente o trocador de calor principal, onde a terra suja e agressiva encontra o ciclo de energia limpa. Os tubos flexíveis e quimicamente inertes do invólucro de PTFE-e-do trocador de tubos são o carro-chefe robusto e resiliente para essa luta.

O Desafio da Salmoura Geotérmica
A salmoura geotérmica não é água salgada normal. Eles vêm de poços com temperaturas geralmente entre 100 e 150 graus (ocasionalmente mais quentes), com o total de sólidos dissolvidos (TDS) frequentemente ultrapassando 100.000 ppm-dez vezes mais que a água salgada. A salmoura contém cloretos, sulfatos, carbonatos e metais pesados ​​como chumbo, zinco, arsênico. Também estão presentes gases dissolvidos, incluindo dióxido de carbono (CO2), sulfeto de hidrogênio (H2S) e, às vezes, amônia, que criam um ambiente ácido (o pH pode ser tão baixo quanto 4 ou inferior).

Os mais prejudiciais aos materiais do trocador de calor são:

Os íons cloreto podem causar corrosão sob tensão e corrosão sob tensão em aços inoxidáveis ​​e até mesmo em ligas com alto teor de-níquel.

Sílica dissolvida (SiO2): A sílica precipita à medida que a salmoura esfria e forma uma incrustação dura, semelhante a vidro,-nas superfícies de transferência de calor. Esta incrustação é muito difícil de remover e isola rapidamente o trocador, eliminando o desempenho térmico.

Sulfeto de hidrogênio: Ataca muitos metais ferrosos e ligas de cobre.

O problema de incrustações de sílica ainda é muito sério, considerando que um trocador de calor metálico convencional (titânio ou aço inoxidável superaustenítico) pode tolerar cloretos por um período de tempo. A incrustação se forma em superfícies metálicas e requer limpeza química ou mecânica regular, o que causa tempo de inatividade e eventual enfraquecimento do metal. A perfuração de paredes estreitas de tubos eventualmente ocorrerá mesmo com baixas taxas de corrosão. Neste contexto, a solução de resfriamento de salmoura geotérmica com trocador de PTFE representa uma alternativa radical.

Como um trocador de PTFE combate a corrosão e a incrustação
Um trocador de calor de-e{1}}tubo de PTFE é normalmente projetado de forma que a salmoura geotérmica quente passe pelo lado do tubo e um fluido de trabalho limpo (por exemplo, água, um fluido orgânico do ciclo Rankine ou um refrigerante secundário) passe pelo lado do casco. Os tubos de PTFE têm um diâmetro externo típico de 5-10 mm e uma espessura de parede de 0,5-1 mm. Eles são feitos de PTFE virgem, sem carga, um material totalmente resistente a cloretos, sulfeto de hidrogênio, ácidos orgânicos e toda a faixa de pH (excluindo metais alcalinos fundidos e flúor elementar).

Resistência à corrosão
O PTFE não possui ligações químicas reativas que possam ser danificadas pelos organismos na salmoura geotérmica. Não corrói, perfura ou lixivia íons metálicos. Os tubos de PTFE em operação geotérmica resistem por décadas, enquanto os tubos de metal perdem espessura de parede lentamente ou desenvolvem vazamentos após meses ou alguns anos. Não há possibilidade de corrosão sob tensão induzida por cloreto-, um modo de falha comum em trocadores geotérmicos metálicos.

Resistência à escala (baixa fricção)
O PTFE tem uma superfície lisa e{0}}antiaderente com uma energia superficial muito baixa (cerca de 18 mN/m). Isto significa que a incrustação de sílica e outros depósitos minerais (carbonato de cálcio, sulfato de cálcio, sulfetos metálicos) não se fixarão firmemente às paredes do tubo. É provável que a incrustação permaneça como um pó solto ou uma película fina e facilmente removível, e não como um esmalte duro e isolante. A ciclagem térmica e a vibração natural dos tubos flexíveis eliminam quaisquer depósitos aderentes. A eficiência de transferência de calor do trocador de PTFE é assim mantida por muito mais tempo do que a de um trocador de metal na mesma aplicação.

Flexibilidade para suportar ciclos térmicos
A ciclagem térmica do trocador de calor é comumente causada por flutuações na vazão e na temperatura em que os poços geotérmicos operam. Os tubos de PTFE também são flexíveis. Eles se expandem e comprimem com as mudanças de temperatura sem produzir fissuras por fadiga. Os tubos de metal são rígidos e estão sujeitos a tensões térmicas cíclicas nas junções do tubo com a chapa do tubo, levando à falha ao longo do tempo.

O resfriador de PTFE é um monstro resistente e quimicamente inerte, que bebe a água salgada e escaldante-da terra e passa suavemente seu fogo para o ciclo de energia limpa.

Considerações de projeto para serviços de energia geotérmica
Para fornecer operação confiável-de longo prazo, o trocador de PTFE para salmoura geotérmica deve ser construído usando os seguintes parâmetros:

Velocidade no lado do tubo
A salmoura geotérmica sempre contém sólidos suspensos (partículas de sílica, areia, sulfetos metálicos). Se a velocidade da salmoura dentro dos tubos for muito baixa, as partículas se depositarão, levando à incrustação local e ao bloqueio do fluxo. Normalmente, uma velocidade lateral mínima do tubo de 1,5-2,0 m/s é prescrita para manter os sólidos arrastados. No entanto, o PTFE tem uma superfície lisa com pouco atrito e uma velocidade um pouco menor do que a dos tubos metálicos (onde a erosão é uma preocupação) pode ser aceitável. A velocidade máxima é restringida pela perda de pressão e pela corrosão das extremidades de entrada do tubo (embora o PTFE seja altamente resistente à erosão de partículas).

Arranjo de feixe de tubos
Os tubos de PTFE são normalmente dispostos em um triângulo para maximizar a área de transferência de calor em um determinado diâmetro do casco. A baixa condutividade térmica do PTFE (cerca de 0,25 W/m·K) exige a minimização da espessura da parede (0,5–1,0 mm) para reter um coeficiente global de transferência de calor satisfatório. Superfícies estendidas (tubos com aletas) são algumas vezes empregadas, mas a maior complexidade e o risco de incrustações nas aletas frequentemente superam os benefícios. Portanto, um grande número de tubos longos e finos é usado para maximizar a área total de transmissão de calor.

Fluido de trabalho para o lado do casco
O fluido de trabalho no lado do casco deve ser limpo e compatível com PTFE (a maioria dos fluidos o são, exceto alguns solventes em altas temperaturas). O invólucro em si pode ser feito de carbono ou aço inoxidável protegido internamente por revestimento de PTFE ou por uma proteção contra corrosão, já que o invólucro nunca entra em contato com a salmoura agressiva.

Limites de pressão e temperatura
Os trocadores de PTFE são normalmente limitados a uma temperatura operacional máxima de 100-110 graus para serviço contínuo, enquanto certos graus excepcionais de PTFE podem atingir 120-130 graus. Se a salmoura geotérmica entrar a 150 graus, ela deverá ser pré-resfriada (por exemplo, misturando com salmoura resfriada recirculada ou por meio de um trocador de metal de primeiro estágio que funcione acima da temperatura de incrustação). Alternativamente, a salmoura pode ser transformada em vapor e a salmoura líquida resfriada em um trocador de calor de PTFE. Para recursos geotérmicos de baixa temperatura (100-120 graus), é preferido um trocador direto de PTFE.

Nota de processo Limpeza regular para remover incrustações
O PTFE resistirá à adesão de incrustações, mas nenhum trocador de calor que funcione com salmoura geotérmica poderá permanecer limpo para sempre. Com o tempo, uma fina camada de sílica amorfa ou outros minerais pode continuar a acumular-se, especialmente nas regiões de baixa velocidade. Portanto, é recomendado um cronograma de limpeza proativo:

Hidrojateamento de alta-pressão (hidrojateamento). Um jato de água a 500–1.000 bar (7.000–14.000 psi) é aplicado nas entradas do tubo. A pressão da água dobra os tubos de PTFE e desaloja qualquer incrustação solta sem destruir o material do tubo. Isto pode ser feito com o trocador no lugar, usando uma lança inserida na face da placa do tubo.

Lavagem química: O lado do tubo é lavado com ácido clorídrico ou cítrico diluído (com inibidores adequados) para dissolver incrustações de carbonato e sulfeto metálico. A incrustação de sílica não é solúvel em ácido e pode ser dissolvida usando uma solução diluída de ácido fluorídrico (tome cuidado) ou um limpador alcalino (por exemplo, hidróxido de sódio com um agente quelante). O PTFE é quimicamente inerte a estas substâncias e, portanto, os tubos não são afetados pela solução de limpeza. Mas o lado do casco e as juntas precisam ser protegidos.

Limpeza on-line (bolas de esponja): Ao inverter o fluxo, bolas de espuma de borracha um pouco maiores que o diâmetro interno do tubo são regularmente sopradas através do feixe de tubos. As bolas limpam as superfícies do tubo. Isso funciona bem com PTFE, pois a superfície plana não desgasta nem prende as bolas.

A frequência da limpeza dependerá do teor de salmoura. Uma lavagem mensal é necessária para alguns locais geotérmicos, enquanto um jato semanal de água-de alta pressão pode ser necessário para outros. A principal vantagem do trocador de PTFE é que, após a limpeza, quase 100% do desempenho original da transferência de calor será restaurado, pois não há incrustações permanentes ou danos por corrosão.

Comparação com trocadores-de metal
Recurso Trocador de metal (por exemplo, titânio) Trocador de PTFE
Resistência à corrosão Boa resistência a cloretos, mas propensa a corrosão sob depósitos ou em altas temperaturasÓtima; totalmente impermeável a todos os componentes da salmoura geotérmica
Adesão da escala de sílica Boa adesão A escala é rígida e isolanteMá adesão; escala tende a quebrar
Dificuldade de limpeza: Difícil. A limpeza química pode corroer o metal. O hidrojateamento pode danificar paredes finas. Fácil; todas as técnicas de limpeza são seguras para PTFE
Condutividade térmica Alta (10-20 W/m·K) Baixa (~0,25 W/m·K) - precisa de área adicional
Maximum service temperature >200 graus normalmente<110°C (continuous)
Preço por unidade de áreaAlto para titânio; médio para aço inoxidável (embora o aço inoxidável enferruje) Moderado a alto devido à grande área necessária
Tempo de inatividade para manutenção Frequente, descalcificação e reparo Ocasional, principalmente para limpeza de rotina
O trocador de PTFE troca uma pegada física maior (devido à menor condutividade térmica) por corrosão bastante reduzida e falhas de incrustação. Essa compensação-é bastante favorável em muitos projetos geotérmicos, especialmente quando a salmoura é agressiva e tem grande escala.

Exemplo de aplicação-real
Uma estação de energia de ciclo binário geotérmico de 10 MW no oeste dos Estados Unidos utiliza um recurso de 130 graus. A salmoura compreende 120.000 ppm de cloretos, 400 ppm de sílica e H2S. Um trocador de-e{9}}tubo de titânio foi instalado pela primeira vez. Após seis meses, a incrustação de sílica reduziu o coeficiente de transferência de calor em 40% e exigiu 3 dias de desligamento todos os meses para limpeza. Nas proximidades das entradas dos tubos foi notada corrosão por pites.

A planta substituiu a unidade de titânio por um trocador de casco e tubos de PTFE, aumentando a contagem e o comprimento dos tubos para atingir a mesma carga de trabalho. Jato de água de alta pressão, frequência de limpeza até uma vez a cada 6 meses Após dois anos de operação, os tubos de PTFE estavam livres de corrosão e apenas incrustações mínimas estavam presentes e foram facilmente removidas. O fator de capacidade da planta foi aumentado de 85% para 94% apenas reduzindo o tempo de inatividade para limpeza.

Conclusão: Poder Plástico Inerte da Terra
Um trocador de calor de PTFE é a solução resistente à corrosão, de baixa manutenção e para o ambiente severo de incrustação da salmoura geotérmica. Ele resiste ao fluido geotérmico quente, extremamente salino e ácido, evita incrustações de sílica dura com sua superfície antiaderente e sobrevive aos ciclos térmicos sem fadiga. O trocador de PTFE é usado em uma das fontes de energia de base mais sustentáveis ​​do mundo: a energia geotérmica. O mais quimicamente inerte dos polímeros utiliza o poder da Terra. Para os operadores de usinas geotérmicas, selecionar um trocador de PTFE para resfriamento de salmoura não é um compromisso, mas uma decisão deliberada que proporciona retornos em tempo de atividade, menores custos de manutenção e décadas de operação confiável.