La bolletta del vapore in aumento
La bolletta del gas naturale di un impianto di placcatura per la generazione di vapore aumenta del 18% in tre anni, mentre il volume di produzione rimane stabile. Viene verificata l'efficienza della caldaia. Le trappole di vapore funzionano. La tubazione di distribuzione del vapore è isolata. L'aumento del consumo è riconducibile agli scambiatori di calore nei serbatoi di processo-nello specifico, alla progressiva perdita di efficienza del trasferimento di calore man mano che le serpentine metalliche si sporcano e si corrodono.
Una serpentina in acciaio inossidabile pulita al momento dell'installazione trasferisce il calore con un valore U- complessivo di circa 800 W/m²·K. Dopo 12 mesi di servizio, il valore U- è sceso a 450 W/m²·K. Dopo 24 mesi, 320 W/m²·K. Dopo 36 mesi, la serpentina riesce a malapena a mantenere la temperatura del bagno con il flusso di vapore completo ed è prevista la sostituzione.
Una bobina in PTFE installata contemporaneamente inizia con un valore U-inferiore-circa 280 W/m²·K-ma lo mantiene. Dopo 36 mesi, il valore U- è ancora di 260-270 W/m²·K. Le traiettorie dei costi energetici di queste due curve di prestazione divergono in modo significativo.
Il meccanismo della perdita di efficienza
Le bobine metalliche perdono efficienza nel trasferimento di calore attraverso due meccanismi. I depositi di incrostazioni esterne incrostano-solfato di calcio, idrossidi metallici, residui organici-che aggiungono resistenza termica in serie con la parete del tubo. Uno strato di incrostazione spesso 0,5 mm può ridurre il valore U- del 30-50% a seconda della sua conduttività termica.
La corrosione della superficie interna rende ruvida la parete del tubo laterale-del vapore. La maggiore rugosità aumenta la turbolenza, che migliora leggermente il coefficiente di trasferimento del calore interno, ma i prodotti della corrosione formano uno strato isolante che più che compensa questo guadagno. L’effetto netto è un progressivo degrado.
L'impianto compensa aumentando la pressione del vapore. Una maggiore pressione del vapore aumenta la temperatura di saturazione, aumentando la differenza di temperatura media logaritmica che guida il trasferimento di calore. Il LMTD più elevato compensa parzialmente il calo del valore U-. Ma una temperatura del vapore più elevata aumenta le perdite di calore dal serbatoio e dalle tubazioni e la caldaia funziona con un’efficienza inferiore a temperature di uscita più elevate. I composti della penalità energetica.
Tabella 1: Confronto dei costi energetici su 36 mesi (servizio di progettazione di 50 kW, 6.000 ore di funzionamento/anno)
| Periodo di tempo | Valore U- dell'acciaio inossidabile (W/m²·K) | Valore U- del PTFE (W/m²·K) | Consumo di vapore SS (kg/h) | Consumo di vapore PTFE (kg/h) | Penalità cumulativa sul costo energetico (SS vs. PTFE) |
|---|---|---|---|---|---|
| Mese 1 (pulito) | 800 | 280 | 78 | 82 | -$ 180 (vantaggio SS) |
| Mese 6 | 500 | 275 | 83 | 82 | +$60 |
| Mese 12 | 400 | 270 | 86 | 83 | +$480 |
| Mese 18 | 350 | 268 | 88 | 83 | +$960 |
| Mese 24 | 310 | 265 | 90 | 84 | +$1,620 |
| Mese 30 | 290 | 262 | 91 | 84 | +$2,340 |
| Mese 36 (pre-sostituzione) | 260 | 260 | 93 | 85 | +$3,180 |
| Costo energetico totale su 3 anni | – | – | – | – | +$9,440 |
Il costo del vapore è calcolato a $ 30/tonnellata (1.000 kg). La penalità cumulativa è il costo aggiuntivo del vapore sostenuto dalla serpentina in acciaio inossidabile a causa del calo di efficienza rispetto alle prestazioni stabili del PTFE.
Il vantaggio del PTFE: stabilità oltre il picco
La bobina in PTFE funziona con un modesto svantaggio in termini di costi energetici nei primi mesi in cui la bobina in acciaio inossidabile è pulita. Questo divario iniziale è di circa $ 180, un importo trascurabile. Quando la bobina inossidabile si sporca, il divario si inverte. Entro il mese 9, il costo energetico cumulativo è uguale. Da quel momento in poi, la bobina in PTFE offre costi energetici inferiori ogni mese che passa.
Nell'intero periodo di 36-mesi, la stabile bobina in PTFE evita circa 9.440 dollari di costi aggiuntivi per il vapore sostenuti dalla degradante bobina in acciaio inossidabile. Questo risparmio sui costi energetici da solo recupera il prezzo di acquisto iniziale più elevato della bobina in PTFE, senza considerare il costo evitato della decalcificazione, il tempo di inattività evitato per la pulizia o la sostituzione evitata a 36 mesi.
La Penalità Energetica Disincrostante
Se la serpentina in acciaio inox viene disincrostata ad intervalli di 12-mesi, il suo valore U-viene parzialmente ripristinato. Ma la decalcificazione non ripristina mai le prestazioni originali: ogni pulizia rimuove parte del metallo di base insieme alle incrostazioni e la superficie ruvida si sporca più velocemente dopo ogni pulizia. Il vantaggio in termini di costi energetici del PTFE viene ridotto ma non eliminato quando si pratica la decalcificazione.
Inoltre, la stessa decalcificazione consuma energia. I prodotti chimici per la pulizia devono essere riscaldati. Il serbatoio deve essere riscaldato nuovamente dopo il processo di decalcificazione. Questi costi energetici fanno parte del costo totale di proprietà della bobina metallica, ma raramente vengono contabilizzati come spese energetiche.
Riepilogo
Le prestazioni stabili dello scambiatore di calore in PTFE evitano la penalizzazione progressiva del costo energetico derivante dall'imbrattamento delle bobine metalliche. Su un periodo di 36-mesi, il risparmio cumulativo sui costi del vapore derivante dal funzionamento stabile del PTFE supera i 9.400 dollari per un singolo scambiatore di calore da 50 kW, sufficiente a recuperare il prezzo di acquisto del PTFE solo grazie al risparmio energetico.
Il vantaggio in termini di costi energetici è mantenuto per l'intera durata di servizio dello scambiatore in PTFE, pari a 10+ anni, mentre la bobina metallica ripete il ciclo di degrado di 36- mesi con ogni sostituzione. L'efficienza stabile del PTFE fornisce un vantaggio permanente in termini di costi energetici dopo il periodo di pareggio iniziale.
L'analisi tecnica per il confronto dei costi energetici in condizioni operative specifiche è disponibile previa presentazione del tipo e dell'età dello scambiatore di calore attuale, dei costi del vapore, dei dati sul tasso di incrostazione e della frequenza ed efficacia della decalcificazione.
