ब्रोमाइड में टाइटेनियम विसर्जन हीटर का उपयोग करते समय -समृद्ध भू-तापीय तरल पदार्थ, स्थानीयकृत संक्षारण शुरू होने से पहले अधिकतम स्वीकार्य ताप प्रवाह क्या है?

मानक धातु हीटर गहरे कुओं से भूतापीय तरल पदार्थ के आक्रामक रसायन विज्ञान की एक विशेष समस्या से ग्रस्त हैं। कुछ भू-तापीय नमकीन पानी में ब्रोमाइड की सांद्रता 500-1,200 पीपीएम तक होती है, कुछ में क्लोराइड (10,000-30,000 पीपीएम), घुले हुए सल्फाइड और उच्च तापमान (वेलहेड पर 120-200 डिग्री) भी शामिल होते हैं। टाइटेनियम ग्रेड 2 या ग्रेड 7 का उपयोग अक्सर सामान्य संक्षारण प्रतिरोध के लिए किया जाता है, लेकिन ब्रोमाइड आयन एक विशेष खतरे का प्रतिनिधित्व करते हैं: वे उच्च ताप प्रवाह परिस्थितियों में क्लोराइड की तुलना में निष्क्रिय ऑक्साइड फिल्म पर अधिक आक्रामक तरीके से हमला करते हैं। अधिकतम अनुमेय ताप प्रवाह, यानी ट्यूब सतह के प्रति यूनिट क्षेत्र में संचारित थर्मल पावर, यह तय करती है कि हीटर वर्षों तक सुरक्षित रूप से काम करेगा या महीनों के भीतर स्थानीयकृत गड्ढे से विफल हो जाएगा। जब क्रांतिक ताप प्रवाह पार हो जाता है तो सतह इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री निष्क्रिय से सक्रिय में बदल जाती है और इसके परिणामस्वरूप गड्ढों का निर्माण होता है जो तेजी से मोटी दीवार वाली ट्यूबों को भी छेद देगा।

ब्रोमाइड का तंत्र-उच्च ताप प्रवाह पर प्रेरित पिटिंग

टाइटेनियम पर सुरक्षात्मक TiO₂ कोटिंग केवल एक निश्चित विद्युत रासायनिक क्षमता और तापमान सीमा में स्थिर है। एक विसर्जन हीटर भू-तापीय ब्राइन में बिजली इंजेक्ट करता है, और ट्यूब की सतह का तापमान गर्मी प्रवाह के आनुपातिक और गर्मी हस्तांतरण गुणांक के व्युत्क्रमानुपाती डेल्टा (ΔT) द्वारा थोक द्रव तापमान से अधिक हो जाता है। एक सामान्य अशांत प्रवाह स्थिति (h=5,000 W/m2K) के लिए 50 किलोवाट/m2 का ताप प्रवाह लगभग 10 डिग्री का ΔT उत्पन्न करता है। ब्रोमाइड आयन क्लोराइड आयनों की तुलना में बड़े और कम हाइड्रेटेड होते हैं और इसलिए बढ़े हुए तापमान पर टाइटेनियम सतहों पर अधिक मजबूती से सोख लेते हैं। किसी सामग्री के विशिष्ट थ्रेशोल्ड मान से अधिक ताप प्रवाह के लिए, स्थानीय सतह का तापमान विद्युत रासायनिक क्षमता को ट्रांसपेसिव क्षेत्र में ले जाता है और ऑक्साइड फिल्म विफल हो जाती है। एक बार जब कोई गड्ढा बन जाता है तो गड्ढे में उच्च धारा घनत्व स्थानीय अम्लीकरण (पीएच 1 से कम हो सकता है) को प्रेरित करता है और ब्रोमाइड आयन टाइटेनियम आयनों के साथ मिलकर पुन: निष्क्रियता को अवरुद्ध कर देते हैं। भूतापीय क्षेत्र परीक्षण डेटा से पता चलता है कि ब्रोमाइड ब्राइन के लिए आवश्यक ताप प्रवाह केवल समान सांद्रता वाले क्लोराइड ब्राइन की तुलना में लगभग 30-40% कम है।

ब्रोमाइड सांद्रता, ऊष्मा प्रवाह और पिटिंग समय के बीच मात्रात्मक संबंध

प्रयोगशाला जांच ने इलेक्ट्रोकेमिकल शोर निगरानी द्वारा एक रूढ़िवादी सुरक्षित ऑपरेटिंग लिफाफा स्थापित किया है। 800 पीपीएम बीआर−, 15,000 पीपीएम सीएल− और 130 डिग्री थोक तापमान वाले सिम्युलेटेड जियोथर्मल ब्राइन में ग्रेड 2 टाइटेनियम के लिए, निम्नलिखित संबंध हैं:

ऊष्मा प्रवाह <25 किलोवाट/वर्ग मीटर: निष्क्रिय धारा घनत्व <0.1 µA/cm²। 5,000 घंटे पर कोई गड्ढा नहीं

25-35 किलोवाट/एम2: मेटास्टेबल पिटिंग होती है (1-10 μA के वर्तमान क्षणिक) हालांकि पुनर्सक्रियण आमतौर पर सफल होता है। स्थिर गड्ढे 1,500 से 2,000 घंटों में 0.5 मिमी की दीवार की मोटाई में प्रवेश करते हैं।

ऊष्मा प्रवाह 35-45 किलोवाट/मीटर 2: स्थिर गड्ढा 200-500 घंटे के बाद शुरू होता है। गड्ढे की वृद्धि दर में 0.01 मिमी/घंटा से 0.05 मिमी/घंटा तक वृद्धि

ऊष्मा प्रवाह > 45 किलोवाट/वर्ग मीटर: तीव्र गड्ढे के कारण 1.2 मिमी ट्यूब की दीवार में छिद्र हो जाता है<300 hours.

पुन: निष्क्रियता पर महान धातु के उत्प्रेरक प्रभाव के कारण 7{3}} ग्रेड टाइटेनियम (पैलेडियम 0.12-0.25%) का महत्वपूर्ण ताप प्रवाह लगभग 30% बढ़ जाता है। दीर्घकालिक संचालन के लिए अधिकतम अनुमत ऊष्मा प्रवाह (10 वर्ष का जीवन)।<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.

परिदृश्य-हीट फ़्लक्स का चयन करने के लिए आधारित मार्गदर्शिका

नीचे दी गई तालिका भूतापीय नमकीन पानी की विशिष्ट संरचना और परिचालन रणनीति के आधार पर एक विकल्प रूपरेखा देती है।

जियोथर्मल ब्राइन स्थिति और परिचालन प्राथमिकता अनुशंसित अधिकतम हीट फ्लक्स कोर तर्क और व्यापार-बंद माना जाता है
ब्रोमाइड<300 ppm, clean fluid, continuous flow ( > 1 m/s), Grade 2 titanium 35–40 kW/m2Moderate flux, lower bromide. Flow prevents concentration in stagnation zones. Accepts standard heater sizes.
ब्रोमाइड 300-800 पीपीएम, रुक-रुक कर संचालन (दैनिक थर्मल साइक्लिंग) ग्रेड 7 टाइटेनियम 30-35 किलोवाट/एम2 साइक्लिंग संचयी नुकसान को कम करने में मदद करती है। ग्रेड 7 रिपासिवेशन मार्जिन प्रदान करता है। निचला फ्लक्स हीटर सतह क्षेत्र को 15 से 25 प्रतिशत तक बढ़ा देता है।
Bromide >800 पीपीएम, स्थिर क्षेत्र मौजूद (कम -प्रवाह टैंक हीटिंग) ग्रेड 7 या ग्रेड 12 20-25 किलोवाट/एम2 सुरक्षा के लिए रूढ़िवादी डिजाइन। लंबे हीटर की लंबाई या एक से अधिक हीटर की आवश्यकता है। अधिक महँगी पूँजी की आवश्यकता है।
हाइड्रोजन सल्फाइड (H2S> 50 पीपीएम) के साथ ब्रोमाइड युक्त नमकीन नमकीन पानी (H2S > 50 पीपीएम) 20 किलोवाट/एम2 से कम या उसके बराबर का कोई भी टाइटेनियम ग्रेड सल्फाइड ऑक्सीकरण के साथ प्रतिस्पर्धा करता है। बहुत न्यूनतम प्रवाह की आवश्यकता है. अन्य सामग्रियों को देखें (उदाहरण के लिए कैथोडिक सुरक्षा के साथ टाइटेनियम-पैलेडियम)।
हीट फ्लक्स से परे इंजीनियरिंग

ऊष्मा प्रवाह के मूल्यांकन में प्रवाह वेग की उपेक्षा नहीं की जानी चाहिए। 0.3 मीटर/सेकेंड से कम वेग के लिए सीमा परत की मोटाई बढ़ जाती है, जिससे समान ताप प्रवाह के लिए ट्यूब की सतह का तापमान 5-8 डिग्री अतिरिक्त बढ़ जाता है। यह प्रभावी रूप से अधिकतम अनुमेय प्रवाह को 15{8}}20% तक कम कर देता है। प्रतिक्रिया दीवार की मोटाई पर भी निर्भर करती है, क्योंकि मोटी दीवारें गड्ढे के प्रसार की अवधि को बढ़ाती हैं, लेकिन आरंभिक सीमा को नहीं। इसलिए, ब्रोमाइड से समृद्ध भू-तापीय तरल पदार्थों के लिए, बिजली घनत्व को प्रभावित किए बिना दीवार की मोटाई को 1.5 मिमी तक बढ़ाने की तुलना में पारंपरिक 1.0 मिमी की दीवार के साथ कम ताप प्रवाह का उपयोग करना बेहतर है। नमकीन ऑक्सीकरण-कमी क्षमता (ओआरपी) की बार-बार निगरानी एक प्रारंभिक चेतावनी प्रदान करती है: ट्यूब की सतह के पास ओआरपी में +200 एमवी बनाम एजी/एजीसीएल से नीचे की गिरावट गड्ढे की शुरुआत से पहले होती है।

निश्चितता के साथ निर्दिष्ट करना

खरीदार को ब्रोमाइड युक्त भू-तापीय तरल पदार्थों के लिए टाइटेनियम विसर्जन हीटर का चयन करते समय वास्तविक नमकीन रसायन या मानक परीक्षण (लागू गर्मी प्रवाह के साथ दरार संक्षारण के लिए एएसटीएम जी78) के आधार पर प्रमाणित अधिकतम अनुमत ताप प्रवाह निर्दिष्ट करना चाहिए, और जांचना चाहिए कि यह आपूर्तिकर्ता द्वारा किया जाता है। जब ब्रोमाइड 500 पीपीएम से अधिक हो या जब परिचालन अनिश्चितता सुरक्षा मार्जिन की मांग करती है तो ग्रेड 7 टाइटेनियम का उपयोग करें। हीटर सरणी के डिज़ाइन को उच्च वाट घनत्व के बजाय लंबे या कई हीटर तत्वों का उपयोग करके, अधिकांश स्थितियों के लिए सतह ताप प्रवाह को 30 किलोवाट/एम2 से कम करना चाहिए। यह रूढ़िवादी विधि टाइटेनियम हीटर को सबसे कठिन औद्योगिक तरल वातावरण में से एक में उच्च जोखिम वाले घटक से एक विश्वसनीय संपत्ति में बदल देती है।