במחמם מי מלח גיאותרמי (2000 ppm כלוריד, pH 5, 150 מעלות), כיצד קנה המידה של סידן סולפט על מעטפת הטיטניום משנה את עובי הקיר הנדרש לחיי עיצוב של 5 שנים?
השאר הודעה
פשרה בסיסית בעיצוב מחמם טיטניום עבור קנה מידה של תמיסות גיאותרמיות
בתמיסות גיאותרמיות ב-150 מעלות יש כמויות גדולות של יוני סידן וסולפט. CaSO4, סידן גופרתי. המסיסות של CaSO4 יורדת עם עליית הטמפרטורה והוא משקע כאבנית על משטחים מחוממים. סולם זה הוא שכבת הבידוד של דוד טבילה טיטניום. עובי הקיר הנדרש למשך 5 שנים חיי עיצוב חייב לשקול לא רק קצבת קורוזיה אלא גם התחממות אבנית המגבירה את השפלה הפנימית. קיר עבה יותר יהיה חם יותר בהתחלה ולכן מתרחב מהר יותר ואילו קיר דק יותר יהיה קריר יותר אך יאפשר פחות קורוזיה. עבודה זו מעריכה את ההשפעה של קנה המידה של סידן סולפט על עובי הדופן הנדרש כדי לשרוד 5 שנים בתמלחת גיאותרמית ב-150 מעלות.
השפעה על שלמות מכנית: קנה מידה כדי לגרום להתחממות יתר
לסקלת סידן גופרתי מוליכות תרמית של כ-1.2 W/m·K, הנמוכה פי 15 מטיטניום (17 W/m·K). שכבת אבנית בעובי 0.5 מ"מ בלבד מציגה התנגדות תרמית של ΔT_scale=q × t_scale / k_scale. משקע אבנית של 0.5 מ"מ על משטח הטיטניום החיצוני גורם לעליית טמפרטורה של 8.3 מעלות עבור שטף חום של 2.0 W/cm2 (אופייני לתנורי חימום גיאותרמיים). המשטח המחומם מאיץ את המשקעים הבאים של הסולם, לולאת משוב חיובי. מנגנון כשל המפתח משתנה מניקוב קורוזיה לחימום יתר של-הבידוד הפנימי של תחמוצת המגנזיום. אם טמפרטורת הקיר הפנימי היא מעל 350 מעלות במשך זמן רב, בידוד MgO יתקלקל. זה יגרום לנזילת חשמל ולכשל במחמם. ככל שעובי דופן הטיטניום גדל (כלומר, טמפרטורת פני השטח של קו הבסיס עולה), עובי האבנית הנסבל לפני התחממות יתר פוחת, כלומר יש צורך בניקוי תכוף יותר או בשטף חום נמוך יותר.
השפעה על ביצועים תרמיים: טמפרטורת משטח הבסיס וקצב קנה המידה
קצב ייצור אבנית סידן סולפט הוא קשר Arrhenius עם טמפרטורת פני השטח. עבור דופן 1.0 מ"מ של טיטניום ב-2.0 W/cm2 במי מלח של 150 מעלות הטמפרטורה של המשטח החיצוני היא בערך 157 מעלות (ΔTcond=1.2 מעלות, ΔTconv בהנחה של h=2000 W/m2K=10 מעלות ). משטח חיצוני מגיע ל-160 מעלות עבור קיר 1.8 מ"מ. הבדל של 3 מעלות זה תואם לעלייה של כ-20% משיעור השקעת האבנית. אולם חשוב מכך, טמפרטורת הבסיס הגבוהה יותר פירושה ששכבת קנה מידה דקה יותר מפעילה התחממות יתר. t_scale_max=(350 מעלות - T_surface - ΔT_cond - ΔT_conv) * k_scale/q . זהו העובי המרבי של האבנית לפני שהקיר הפנימי מגיע ל-350 מעלות. עבור קיר של 1.0 מ"מ (T_surface=157 מעלות), t_scale_max~2.3 מ"מ. עבור עובי דופן של 1.8 מ"מ (T_surface=160 מעלות), t_scale_max ≈ 2.0 מ"מ. ההבדל הוא מינורי, אבל הקיר העבה יותר מתקלקל גם ב-20% מהר יותר, ולכן הזמן להגיע לעובי האבנית הקריטי קצר ב-30% בערך.
סינתזת הפשרה: בחירת עובי קיר עם קנה מידה
עובי דופן (מ"מ) T_surface ראשוני (מעלה) קצב השקעת קנה מידה (מ"מ/חודש) חודשים עד גודל קריטי (2.0 מ"מ) קצבת קורוזיה חיים (שנים) כדאיות כוללת של 5 שנים
0.8 מ"מ 156 מעלות צלזיוס 0.30 מ"מ/חודש 6.7 חודשים > 10 שנים לא - ניקוי לעתים קרובות מדי
1.0 מ"מ 157 מעלות 0.32 מ"מ/חודש 6.3 חודשים > 10 שנים לא - צריך ניקוי כל 6 חודשים
1.2 mm 158°C 0.35 mm/month 5.7 months >10 שנים לא - מנקים כל 5 חודשים
1.5 מ"מ 159 מעלות 0.38 מ"מ לחודש 5.3 חודשים 8 - 10 שנים לא - עדיין צריך ניקוי
כל כל > 0.30 מ"מ/חודש < 7 חודשים אם אין בקרת קנה מידה, שום עובי דופן לא יחזיק מעמד למשך 5 שנים.
הנתונים הסטטיסטיים מצביעים על כך שאף עובי דופן לא יוכל להגיע לחיי עיצוב של 5 שנים ללא מניעת אבנית, שכן סידן סולפט מתפתח ב-0.3 - 0.4 מ"מ לחודש ודורש ניקוי כל 5 - 7 חודשים ללא קשר לעובי הטיטניום. הזמן להשגת קנה מידה קריטי אינו מושפע הרבה מעובי הדופן.
הנדסה מחוץ לכותל: מניעה וניקוי אבנית
הפתרונות המעשיים היחידים להשגת חיי שירות של 5 שנים על אבנית של מי מלח גיאותרמי הם מניעת אבנית או ניקוי אוטומטי. הוספה של מעכב אבנית (5-10 ppm polyacrylate או phosphonate) למלח מפחיתה את קצב השקיעה ל-0.03-0.06 מ"מ לחודש (80-90%). עיכוב מפחית את תדירות הניקוי לכל 3-4 שנים עבור דופן טיטניום בעובי 1.2 מ"מ, ומותרת הקורוזיה של הקיר (0.01 מ"מ לשנה מהתקפת כלוריד) היא מינימלית. לחלופין, ניתן להסיר אבנית לפני הגעה לעובי של 0.3 מ"מ על ידי התקנת מערכת ניקוי מכנית (למשל מגרדים עמוסי קפיצים הנוסעים לאורך צינורות המחמם לעתים קרובות). אם תגרד אותו פעם בשבוע, כל עובי דופן בין 0.8 מ"מ ל-2.0 מ"מ יחזיק מעמד ליותר מ-5 שנים, מכיוון שהאבנית לעולם לא תהיה עבה מספיק כדי לגרום להתחממות יתר. אז עובי הדופן רק צריך לעמוד בעמידה בפני קורוזיה עבור כלורידים (0.05 מ"מ לכל שנה לכל היותר, כלומר . 0.5 מ"מ בעוד 10 שנים).
מסקנה: בקרת אבנית המלח הגיאותרמית חשובה יותר מעובי הדופן
לדוגמה, לא ניתן לחזות את עובי הדופן הדרוש של מחמם מי מלח גיאותרמי ב-150 מעלות עם 2000 ppm כלוריד וסידן גופרתי עבור אורך חיים עיצובי של 5 שנים מבלי לקחת בחשבון את היווצרות אבנית. משקעי אבנית בלתי מבוקרים ב-0.3 עד 0.4 מ"מ לחודש המצריכים ניקוי כל 5 עד 7 חודשים ללא תלות בעובי דופן טיטניום (0.8 מ"מ או 2.0 מ"מ). עיכוב אבנית כימית (ירידה של 90% בקצב השקיעה) קיר סטנדרטי של 1.2 מ"מ ייתן 5+ שנות פעילות והקורוזיה המותרת מכלוריד אינה משמעותית. הסטנדרט הטוב ביותר עבור שירות תמלחות גיאותרמיות הוא עובי דופן טיטניום של 1.2-1.5 מ"מ עם מערכת הזרקת מעכבי אבנית או ניקוי מכני אוטומטי. דרוש מהיצרן לספק את ריכוז הסידן המשוער (ppm Ca 2+ ) ואת ריכוז הסולפט (ppm SO 4 2- ) כדי לקבוע את קצב השקעת האבנית החזוי ולדרוש תוכנית לניהול אבנית כחלק ממפרט המחמם. עובי הקיר אינו מספיק כדי לספק אורך חיים של 5 שנים בתמיסות קנה המידה.
