지열정에서 뜨거운 염수를 냉각하는 데 PTFE 교환기가 어떻게 사용됩니까?

우물은 표면 아래 깊숙한 곳에 있는 뜨거운 미네랄-함유 소금물, 용해된 염분, 실리카 및 종종 산성 가스로 구성된 부식성 수프가 담긴 거대한 저수지를 이용합니다. 염수는 지열 발전소의 핵심이며 열은 깨끗한 작동 유체로 전달되어야 합니다. 부식과 스케일링은 더럽고 공격적인 토양이 깨끗한 전력 사이클과 만나는 주 열교환기를 지속적으로 공격합니다. PTFE 쉘-과-튜브 교환기의 유연하고 화학적으로 불활성인 튜브는 이 싸움에서 견고하고 탄력 있는 도구입니다.

지열 염수 챌린지
지열 염수는 일반 바닷물이 아닙니다. 이 물질은 일반적으로 100도에서 150도 사이(때때로 더 높음) 온도의 우물에서 나오며 총 용존 고형물(TDS)은 종종 바닷물의 10배인 100,000ppm-을 초과합니다. 염수에는 염화물, 황산염, 탄산염 및 납, 아연, 비소와 같은 중금속이 포함되어 있습니다. 또한 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S) 및 때때로 암모니아를 포함한 용해된 가스가 존재하며, 이는 산성 환경을 생성합니다(pH는 4 이하로 낮을 수 있음).

열교환기 재료에 가장 해로운 것은 다음과 같습니다.

염화물 이온은 스테인리스강 및 심지어 고-니켈 합금의 공식 및 응력 부식 균열을 일으킬 수 있습니다.

용해된 실리카(SiO2): 염수가 냉각되면서 실리카가 침전되어 열 전달 표면에 단단한 유리-스케일을 형성합니다. 이 스케일은 제거하기가 매우 어렵고 교환기를 신속하게 절연하여 열 성능을 제거합니다.

황화수소 : 많은 철금속 및 구리 합금을 공격합니다.

기존의 금속 열 교환기(티타늄 또는 초오소나이트 스테인리스강)가 일정 기간 동안 염화물을 견딜 수 있다는 점을 고려하면 실리카 스케일링 문제는 여전히 매우 심각합니다. 스케일은 금속 표면에 형성되며 정기적인 화학적 또는 기계적 청소가 필요하므로 가동 중지 시간이 발생하고 결국 금속이 약화됩니다. 좁은 튜브 벽의 천공은 낮은 부식 속도에서도 결국 발생합니다. 이러한 맥락에서 PTFE 교환기 지열 염수 냉각 솔루션은 획기적인 대안을 제시합니다.

PTFE 교환기가 부식 및 스케일링에 대처하는 방법
PTFE 쉘-및-튜브 열 교환기는 일반적으로 뜨거운 지열 염수가 튜브 측을 통과하고 깨끗한 작동 유체(예: 물, 유기 랭킨 사이클 유체 또는 2차 냉각수)가 쉘 측을 통과하는 방식으로 설계됩니다. PTFE 튜브의 일반적인 외경은 5-10mm이고 벽 두께는 0.5-1mm입니다. 이 제품은 염화물, 황화수소, 유기산 및 전체 pH 범위(용해된 알칼리 금속 및 불소 원소 제외)에 완전히 저항하는 재료인 순수 미충전 PTFE로 만들어졌습니다.

부식에 대한 저항성
PTFE에는 지열 염수의 유기체에 의해 손상될 수 있는 반응성 화학 결합이 없습니다. 금속 이온을 부식시키거나 구멍을 뚫거나 침출시키지 않습니다. 지열 작업의 PTFE 튜브는 수십 년을 견디는 반면, 금속 튜브는 몇 달 또는 몇 년 후에 벽 두께가 천천히 얇아지거나 핀홀 누출이 발생합니다. 금속 지열 교환기의 일반적인 고장 모드인 염화물-로 인한 응력 부식 균열 가능성은 없습니다.

스케일 저항(낮은 마찰)
PTFE는 표면 에너지가 매우 낮은(약 18mN/m) 매끄럽고{0}}눌어붙지 않는 표면을 가지고 있습니다. 이는 실리카 스케일 및 기타 광물 침전물(탄산칼슘, 황산칼슘, 금속 황화물)이 튜브 벽에 단단히 부착되지 않음을 의미합니다. 스케일은 단단한 절연 유약이 아닌 느슨한 분말 또는 얇고 쉽게 제거되는 필름으로 남아 있을 가능성이 높습니다. 유연한 튜브의 열 순환과 자연적인 진동으로 인해 달라붙은 침전물이 벗겨집니다. 따라서 PTFE 교환기의 열 전달 효율은 동일한 응용 분야에서 금속 교환기의 열 전달 효율보다 훨씬 오랫동안 유지됩니다.

열 순환을 견딜 수 있는 유연성
열 교환기의 열 순환은 일반적으로 지열정이 작동하는 유속 및 온도의 변동으로 인해 발생합니다. PTFE 튜브도 유연합니다. 피로 균열을 일으키지 않고 온도 변화에 따라 팽창 및 압축됩니다. 금속 튜브는 단단하고 튜브-튜브 시트 접합부에서 주기적 열 응력을 받아 시간이 지남에 따라 파손될 수 있습니다.

PTFE 쿨러는 화학적으로 불활성이고 강인한 괴물입니다. 뜨거운 염분이 있는 흙-물을 마시고 그 불을 깨끗한 전원 주기에 부드럽게 전달합니다.

지열 발전 서비스에 대한 설계 고려 사항
안정적인 장기 작동을 제공하려면-지열 염수용 PTFE 교환기를 다음 매개변수를 사용하여 구축해야 합니다.

튜브 측의 속도
지열 염수에는 항상 부유 물질(실리카 입자, 모래, 금속 황화물)이 포함되어 있습니다. 튜브 내부의 염수 속도가 너무 낮으면 입자가 침전되어 국부적으로 스케일링이 발생하고 흐름이 차단됩니다. 일반적으로 1.5-2.0m/s의 최소 튜브 측면 속도는 고체가 동반된 상태를 유지하도록 규정됩니다. 그러나 PTFE는 마찰이 거의 없는 매끄러운 표면을 갖고 있으며 (침식이 우려되는) 금속 튜브보다 다소 낮은 속도도 허용될 수 있습니다. 최대 속도는 압력 손실과 튜브 입력 끝의 부식으로 인해 제한됩니다(PTFE는 입자 침식에 대한 저항력이 매우 높음).

튜브 번들 배열
PTFE 튜브는 일반적으로 주어진 쉘 직경에서 열 전달 영역을 최대화하기 위해 삼각형 피치로 배치됩니다. PTFE의 낮은 열전도율(약 0.25W/m·K)로 인해 만족스러운 전체 열 전달 계수를 유지하려면 벽 두께(0.5~1.0mm)를 최소화해야 합니다. 확장된 표면(핀 튜브)이 때때로 사용되지만 핀의 복잡성 증가와 오염 위험이 이점보다 더 큰 경우가 많습니다. 따라서 전체 열 전달 면적을 최대화하기 위해 길고 얇은 튜브를 많이 사용합니다.

쉘 측 작동유체
쉘 측의 작동 유체는 깨끗하고 PTFE와 호환되어야 합니다(고온의 일부 용매를 제외한 대부분의 유체는 그렇습니다). 쉘 자체는 내부가 PTFE 라이닝으로 보호되거나 부식 허용으로 보호되는 탄소 또는 스테인리스 스틸로 만들어질 수 있습니다. 쉘은 거친 염수와 절대 접촉하지 않기 때문입니다.

압력과 온도의 한계
PTFE 교환기는 일반적으로 지속적인 서비스를 위해 최대 작동 온도를 100-110도로 제한하는 반면, 특정 특수 PTFE 등급은 120-130도에 도달할 수 있습니다. 지열 염수가 150도에서 유입되는 경우 사전 냉각되어야 합니다(예: 재순환된 냉각 염수와 혼합하거나 스케일링 온도 이상으로 작동하는 1단계 금속 교환기를 사용하여). 또는 염수를 증기로 플래시하고 액체 염수를 PTFE 열 교환기에서 냉각할 수 있습니다. 저온 지열 자원(100~120도)의 경우 직접 PTFE 교환기가 선호됩니다.

공정 참고 스케일 제거를 위한 정기적인 청소
PTFE는 스케일 접착에 저항하지만 지열 염수에서 작동하는 열교환기는 영원히 깨끗하게 유지될 수 없습니다. 시간이 지남에 따라 비정질 실리카 또는 기타 광물의 얇은 층이 특히 저속 영역에서 계속 축적될 수 있습니다. 따라서 사전 예방적인 청소 일정을 권장합니다.

고압-물 분사(하이드로블라스팅). 500~1,000bar(7,000~14,000psi)의 물 제트가 튜브 입구로 전달됩니다. 수압은 PTFE 튜브를 구부리고 튜브 재료를 손상시키지 않고 느슨한 스케일을 제거합니다. 이는 튜브 시트 면에서 삽입된 랜스를 사용하여 교환기를 제자리에 두고 수행할 수 있습니다.

화학적 세척: 탄산염과 금속 황화물 스케일을 용해시키기 위해 튜브 측면을 묽은 염산 또는 구연산(적절한 억제제 포함)으로 세척합니다. 실리카 스케일은 산성에 용해되지 않으며 묽은 불화수소산 용액(조심하세요)이나 알칼리성 세척제(예: 킬레이트제와 수산화나트륨)을 사용하여 용해될 수 있습니다. PTFE는 이러한 물질에 대해 화학적으로 불활성이므로 튜브는 세척액의 영향을 받지 않습니다. 그러나 쉘 측면과 개스킷은 보호되어야 합니다.

온라인 청소(스폰지 볼): 역류를 통해 튜브 내경보다 약간 큰 발포 고무 볼이 튜브 번들을 통해 정기적으로 분사됩니다. 볼은 튜브 표면을 청소합니다. 평평한 표면이 볼을 마모시키거나 걸리지 않기 때문에 PTFE와 잘 작동합니다.

청소 빈도는 염수 함량에 따라 달라집니다. 일부 지열 현장에서는 월별 세척이 필요한 반면, 다른 지역에서는 매주 고압 워터 제트가 필요할 수 있습니다. PTFE 교환기의 가장 큰 장점은 세척 후 영구적인 스케일링이나 부식 손상이 없기 때문에 원래 열 전달 성능의 거의 100%가 복원된다는 것입니다.

금속{0}}교환기와 비교
기능 금속 교환기(예: 티타늄) PTFE 교환기
부식 저항성 염화물에 대한 저항성은 우수하지만 퇴적물 아래나 고온에서 구멍이 생기기 쉽습니다. 모든 지열 염수 성분에 전혀 영향을 받지 않음
실리카 스케일의 접착력 접착력 양호 스케일이 단단하고 절연성이 떨어짐 접착력이 나쁨; 스케일이 부서지는 경향이 있음
청소 난이도: 어려움. 화학적 세척은 금속을 부식시킬 수 있습니다. 하이드로블라스팅은 얇은 벽에 손상을 줄 수 있습니다.쉬움; 모든 세척 기술은 PTFE에 안전합니다.
열전도율 높음(10-20 W/m·K) 낮음(~0.25 W/m·K) - 추가 면적 필요
Maximum service temperature >일반적으로 200도<110°C (continuous)
단위 면적당 가격티타늄의 경우 높음; 스테인레스강의 경우 중간(스테인리스는 녹슬지만)필요한 면적이 크기 때문에 중간에서 높음
유지보수 가동 중지 시간 빈번한 석회질 제거 및 수리 가끔, 주로 정기적인 청소를 위해
PTFE 교환기는 부식 및 스케일 손상을 크게 줄이기 위해 더 큰 물리적 공간(열전도도가 낮기 때문에)을 사용합니다. 이러한 절충안은-많은 지열 프로젝트에서 매우 유리하며, 특히 소금물이 공격적이고 스케일링이 심한 경우에는 더욱 그렇습니다.

실제-세계 적용 사례
미국 서부에 있는 10MW 지열 바이너리 사이클 발전소는 130도의 자원을 활용합니다. 염수는 120,000ppm의 염화물, 400ppm의 실리카 및 H2S로 구성됩니다. 티타늄 쉘-및-튜브 교환기가 처음 설치되었습니다. 6개월 후, 실리카 스케일은 열 전달 계수를 40%까지 낮추었고 청소를 위해 매달 3일 동안 가동을 중단해야 했습니다. 튜브 입구 부근에서 구멍 부식이 발견되었습니다.

공장에서는 티타늄 장치를 PTFE 쉘 및 튜브 교환기로 교체하여 동일한 작업량을 달성하기 위해 튜브 수와 길이를 늘렸습니다. 고압 워터 제트, 청소 빈도를 6개월에 한 번으로 줄였습니다. 2년 동안 작동한 후 PTFE 튜브는 부식되지 않았으며 최소한의 스케일만 존재하여 쉽게 제거되었습니다. 청소 중단 시간만 줄임으로써 공장의 생산 능력이 85%에서 94%로 향상되었습니다.

결론: 지구의 불활성 플라스틱 힘
PTFE 열교환기는 지열 염수의 가혹한 스케일링 환경을 위한 부식 방지, 유지 관리가 필요하지 않은 견고한 솔루션입니다. 뜨겁고 염도가 높은 산성 지열수에 저항하고, 들러붙지 않는 표면으로 단단한 실리카 스케일링을 방지하며,-피로 없이 열 사이클을 견뎌냅니다. PTFE 교환기는 세계에서 가장 지속 가능한 기저부하 전력원 중 하나인 지열 에너지에 사용됩니다. 화학적으로 가장 불활성인 폴리머는 지구의 힘을 활용합니다. 지열 발전소 운영자의 경우 염수 냉각용 PTFE 교환기를 선택하는 것은 타협이 아니라 가동 시간, 유지 관리 비용 절감 및 수십 년 동안 신뢰할 수 있는 운영을 제공하는 신중한 결정입니다.