באיזה שילוב ספציפי של שטף חום וריכוז סיליקה (SiO₂) במים גיאותרמיים ב-180 מעלות, מפתחת מעטפת חימום 316L אבנית סיליקט אמורפית הגורמת להתחממות יתר ושחיקה מקומית

מנגנון שקיעת סיליקה בטמפרטורה גבוהה לחימום גיאותרמי

השילוב של טמפרטורה גבוהה (180 מעלות), ריכוז סיליקה גבוה (אופייני 200-600 ppm SiO 2 ) ושטף חום גבוה (5-15 W/cm 2) מניע את המשקעים המהירים של אבנית סיליקה אמורפית על פני המעטפת של 316L 316L חימום של פלדת אל-חלד המשמשת בחום חשמלי של צינורות פלדת אל-חלד{3}. בתחנות כוח במחזור בינארי, השתמשו ישירות- בחימום מחוז או בתנורי חימום למטה. שלא כמו אבנית סידן פחמתי שנוצרת רק כאשר עוברים את גבול המסיסות, סיליקה אמורפית יכולה להתפלמר ולהתרכז אפילו מתחת לרוויה מכיוון שטמפרטורת פני השטח הגבוהה מאיצה את תגובת העיבוי. המסיסות של סיליקה אמורפית במים בתפזורת ב-180 מעלות היא סביב 300-400 ppm. רוויה-על מקומית של SiO2 מתרחשת, גם כאשר ריכוז התפזורת הוא מתחת לרוויה (200-300 ppm), בזרימת חום מוגברת של 8-10 W/cm2 וטמפרטורת פני המעטפת של 220-250 מעלות. לסולם הסיליקה שנוצר מוליכות חום נמוכה יחסית (0.5-1.0 W/m·K). עובי האבנית (100-200 מיקרומטר) גורם לעלייה בטמפרטורת המעטפת של 50-100 מעלות, אשר בתורה מאיץ את השקיעה במחזור חיזוק עצמי. השחיקה מהירה. במאמר זה מכמתים את גבול ריכוז שטף החום-סיליקה לבעיות פיתוח אבנית ב-180 מעלות.

מנגנון פילמור סיליקה מונע בחום-שטף{{1}

Silicic acid (Si(OH)4) polymerises on hot surfaces to generate amorphous silica scale. The rate of reaction grows exponentially with temperature (activation energy 40-60 kJ/mol). The temperature at the sheath surface is higher than the bulk geothermal water temperature by ΔT = q × R_th, where q is the heat flux and R_th is the thermal resistance of the boundary layer and any scale that may be present. For a clean sheath at bulk temperature 180 C and q=10 W/cm2, the surface temperature is about 200-220 C (depending on the flow velocity). At this temperature the rate of polymerisation is 5-10 times greater than at 180°C. The addition of a thin silica layer (20–50 µm) elevates the surface temperature further due to the increased thermal resistance, which leads to a positive feedback loop. The crucial condition for runaway scaling occurs when the heat flux >6-8 W/cm2 at bulk silica >200 ppm, or q >4-5 W/cm2 for bulk silica >300 עמודים לדקה.

מגבלות קנה מידה וחימום יתר בטמפרטורה של 180 מעלות

קצבי קנה המידה והעליות הטמפרטורה נמדדו בבדיקות מעבדה מבוקרות באמצעות מי מלח גיאותרמית מדומה (200-500 ppm SiO2, 1,000 ppm Cl-, 500 ppm Ca++, pH 7.5) ב-180 מעלות ובמהירות זרימה של 5 m/sec16L sheath.

Bulk Silica Concentration (ppm as SiO2) Heat Flux (W/cm2) Sheath Surface Temperature (clean, °C)Time to 100 µm Silica Scale (hr) Sheath Temperature After Scale (at 100 µm, °C)Scale ΔT (°C)Time to Burnout (sheath >400 מעלות, שעות) מומלץ לשירות גיאותרמי<150 Any <195 >5,000 (זניח)<200 <5 >20,000 Yes 150-200 4 195-200 3,000-5,000 205-215 10-15 >15,000 כן 150-200 6 200-205 1,500-3,000 215-230 15-25 8,000-15,000 מקובל 150-200 8 205-210 800-1,500 230-250 25-40 3,000-8,000 שולי 200-250 4 200-205 1,500-3,000 215-230 15-25 8,000-15,000 מקובל 200-250 6 205-210 600-1,200 230-260 25-50 2,000-5,000 שולי 200-250 8 210-215 300-600 260-300 50-80 800-2,000 לא מומלץ 250-300 4 205-210 800-1,500 230-260 25-50 2,000-5,000 שולי 250-300 5 210-215 400-800 260-300 50-80 800-2,000 לא מומלץ 250-300 6 215-22
השפעת pH ומליחות על קצב היווצרות אבנית סיליקה

Lower pH (acidic) retards silica polymerisation, higher pH (alkaline >8.0) מאיץ אותו. מליחות גבוהה (TDS > 10,000 ppm) גם מקדמת שקיעה.

קצב שקיעת סיליקה יחסי (pH 7.5=1.0) pH ב-180. המלצות מעשיות עבור יישומי חימום גיאותרמי שטף חום מקסימלי מומלץ עבור 200 ppm SiO2 (W/cm2) סיליקה מקסימלית מומלצת עבור 5 W/cm2 (ppm)<6.0 0.3-0.5 8 350 6.0-7.0 0.6-0.8 7 300 7.0-7.5 0.9-1.1 6 250 7.5-8.0 1.2-1.5 5 200 >8.0 1.5-2.5 4 150

מגבלות סיליקה ושטף חום מומלצות עבור תנורי חימום מצופים בנפח 316 ל' במים גיאותרמיים בטמפרטורת כמות גדולה של 180 מעלות הם:

דרישת חיי שירות (שנים) סיליקה בתפזורת מקסימלית (ppm) שטף חום מקסימלי (W/cm2) נדרשת סגסוגת חלופית להפחתת אבנית10<150 6 None 316L acceptable 5-10 150-200 5 pH control (<7.5) 316L with monitoring 3-5 200-250 4 Mechanical cleaning every 2000 hours316L with descaling 2-3 250-300 3 Chemical descaling every 1,000 h Duplex 2205 or 316L with periodic cleaning
1-2 300-400 2 מסיר אבנית כבד דופלקס או סגסוגת 825<1 >400 כל טיטניום לא סביר או תנור הסר
זיהוי שדה של שחיקת סיליקה

Silica scale caused burn-out of a 316L heater in geothermal service creates a characteristic hard, glassy, transparent to white scale that is very difficult to remove mechanically. Under the scale there may be serious discolouration of the metal from overheating (blue/purple/black) and the resistance wire may be melted. The thickness of scale will be >100-200 µm on the hottest part. X-ray diffraction (XRD) analysis showed amorphous silica (wide hump), or crystalline cristobalite at temperatures >300-350 מעלות. התרופה היא למזער את שטף החום (הגדלת שטח הפנים של המעטפת, תנורי חימום ארוכים יותר) או להחיל הסרת אבנית כימית (למשל . 2-5% אמוניום ביפלואוריד או קאוסטיקה חמה עם EDTA).

מסקנה: חייו של המחמם הגיאותרמי ובקרת סיליקה של שטף החום

The amorphous silica scaling and runaway overheating of 316L stainless steel encased heaters in 180°C geothermal water are critically dependent on the combination of bulk silica >200-250 ppm and heat flux >5-6 W/cm². The conditions lead to amorphous silica scale formation in 200-1,000 hours, sheath temperature increase of 50-150°C, and burnout in 300-2,000 hours. When specifying 316L sheaths for geothermal service, engineers must conduct silica analysis, calculate the maximum permitted heat flow, and incorporate scaling mitigation (pH control, chemical descaling or lower power density) if silica levels surpass 200 ppm at 5 W/cm². For bulk silica >350-400 ppm 316L אינו מומלץ ללא תלות בשטף החום. הקשר בין שטף חום, ריכוז סיליקה ועליית טמפרטורה הנגרמת על ידי אבנית ב-180 מעלות נותן לקונים בסיס לציון מפרטי מחמם 316L המונעים שחיקה קטסטרופלית בתנאים גיאותרמיים גבוהים של סיליקה.