The Rising Steam Bill
La factura de gas natural d'una instal·lació de xapa per a la generació de vapor augmenta un 18% en tres anys, mentre que el volum de producció es manté estable. Es verifica l'eficiència de la caldera. Els trampes de vapor estan funcionant. La canonada de distribució de vapor està aïllada. L'augment del consum s'explica als intercanviadors de calor dels dipòsits de procés-específicament, a la pèrdua progressiva de l'eficiència de transferència de calor a mesura que les bobines metàl·liques es fan mal i es corroeixen.
Una bobina d'acer inoxidable neta a la instal·lació transfereix calor amb un valor U-general d'aproximadament 800 W/m²·K. Després de 12 mesos de servei, el valor U-ha disminuït fins a 450 W/m²·K. Després de 24 mesos, 320 W/m²·K. Després de 36 mesos, la bobina amb prou feines manté la temperatura del bany a ple flux de vapor i està previst que es substitueixi.
Una bobina de PTFE instal·lada al mateix temps comença amb un valor U-menor-aproximadament 280 W/m²·K-però el manté. Després de 36 mesos, el valor U-és de 260-270 W/m²·K. Les trajectòries de costos energètics d'aquestes dues corbes de rendiment divergeixen significativament.
El mecanisme de pèrdua d'eficiència
Les bobines metàl·liques perden eficiència de transferència de calor a través de dos mecanismes. Els dipòsits d'encrasses externs incrustacions-sulfat de calci, hidròxids metàl·lics, residus orgànics-que afegeixen resistència tèrmica en sèrie amb la paret del tub. Una capa d'escala de 0,5 mm de gruix pot reduir el valor U-en un 30-50% depenent de la seva conductivitat tèrmica.
La corrosió de la superfície interna fa que la paret-lateral del tub de vapor sigui rugosa. L'augment de la rugositat millora la turbulència, la qual cosa millora lleugerament el coeficient de transferència de calor intern, però els productes de corrosió formen una capa aïllant que compensa amb escreix aquest guany. L'efecte net és la degradació progressiva.
La instal·lació compensa augmentant la pressió del vapor. Una pressió de vapor més alta augmenta la temperatura de saturació, augmentant la diferència de temperatura mitjana logarítmica que impulsa la transferència de calor. El LMTD més alt compensa parcialment la disminució del valor U-. Però la temperatura més alta del vapor augmenta les pèrdues de calor del dipòsit i les canonades, i la caldera funciona amb una eficiència més baixa a temperatures de sortida més altes. Els compostos de penalització energètica.
Taula 1: Comparació de costos energètics de 36 mesos (deure de disseny de 50 kW, 6.000 hores de funcionament/any)
| Període de temps | Valor U-d'acer inoxidable (W/m²·K) | Valor U-PTFE (W/m²·K) | Consum de vapor SS (kg/h) | Consum de vapor de PTFE (kg/h) | Pena pel cost d'energia acumulat (SS vs. PTFE) |
|---|---|---|---|---|---|
| Mes 1 (net) | 800 | 280 | 78 | 82 | -$180 (avantatge SS) |
| Mes 6 | 500 | 275 | 83 | 82 | +$60 |
| Mes 12 | 400 | 270 | 86 | 83 | +$480 |
| Mes 18 | 350 | 268 | 88 | 83 | +$960 |
| Mes 24 | 310 | 265 | 90 | 84 | +$1,620 |
| Mes 30 | 290 | 262 | 91 | 84 | +$2,340 |
| Mes 36 (pre-substitució) | 260 | 260 | 93 | 85 | +$3,180 |
| Cost total de l'energia de 3 anys | – | – | – | – | +$9,440 |
Cost del vapor calculat en 30 $/tona (1.000 kg). La penalització acumulada és el cost addicional del vapor incorregut per la bobina d'acer inoxidable a causa de la disminució de l'eficiència en comparació amb el rendiment estable de PTFE.
L'avantatge de PTFE: estabilitat sobre el pic
La bobina de PTFE funciona amb un modest desavantatge de cost energètic durant els primers mesos quan la bobina d'acer inoxidable està neta. Aquest buit inicial és d'aproximadament 180 dòlars, una quantitat insignificant. A mesura que la bobina inoxidable falla, la bretxa s'inverteix. El mes 9, el cost energètic acumulat és igual. A partir d'aquest moment, la bobina de PTFE ofereix un cost d'energia més baix amb cada mes que passa.
Durant el període complet de 36 -mesos, la bobina de PTFE estable evita aproximadament 9.440 $ en costos de vapor addicionals derivats de la degradació de la bobina d'acer inoxidable. Aquest estalvi de costos d'energia per si sol recupera el preu de compra inicial més elevat de la bobina de PTFE, sense tenir en compte el cost evitat de la descalcificació, el temps d'inactivitat per netejar o la substitució evitada als 36 mesos.
La penalització energètica descalcificant
Si la bobina d'acer inoxidable es descalcifica a intervals de 12-mesos, el seu valor U-es restaura parcialment. Però la descalcificació mai restaura el rendiment original: cada neteja elimina part del metall base juntament amb l'escala, i la superfície rugosa s'embruta més ràpidament després de cada neteja. L'avantatge del cost energètic del PTFE es redueix però no s'elimina quan es practica la descalcificació.
A més, la descalcificació en si mateixa consumeix energia. Els productes químics de neteja s'han d'escalfar. El dipòsit s'ha de tornar a escalfar després del procés de descalcificació. Aquests costos d'energia formen part del cost total de propietat de la bobina metàl·lica, però poques vegades es fan un seguiment com a despeses d'energia.
Resum
El rendiment estable de l'intercanviador de calor de PTFE evita la penalització progressiva del cost energètic de la contaminació de les bobines metàl·liques. Durant un període de 36-mesos, l'estalvi acumulat de costos de vapor de l'operació estable de PTFE supera els 9.400 $ per a un únic intercanviador de calor de 50 kW, prou per recuperar el preu de compra de PTFE només amb l'estalvi d'energia.
L'avantatge del cost energètic es manté durant tota la vida útil de 10+ anys de l'intercanviador de PTFE, mentre que la bobina metàl·lica repeteix el cicle de degradació de 36-mesos amb cada substitució. L'eficiència estable del PTFE proporciona un avantatge permanent en el cost de l'energia després del període d'equilibri inicial.
L'anàlisi d'enginyeria per a la comparació de costos energètics en condicions de funcionament específiques està disponible quan s'envien el tipus i l'antiguitat actuals de l'intercanviador de calor, els costos del vapor, les dades de la taxa de contaminació i la freqüència i l'eficàcia de descalcificació.
