蒸気代の高騰
めっき施設の蒸気生成のための天然ガス料金は、生産量が横ばいであるにもかかわらず、3 年間で 18% 増加します。ボイラー効率を検証します。スチームトラップは機能しています。蒸気分配配管は断熱されています。消費量の増加は、プロセスタンク内の熱交換器によるものです-、具体的には、金属コイルの汚れや腐食による熱伝達効率の進行性の損失です。
設置時の清潔なステンレス鋼コイルは、全体の U- 値が約 800 W/m²·K で熱を伝達します。 12 か月の使用後、U- 値は 450 W/m²·K に低下しました。 24ヶ月後、320W/m²・K。 36 か月後、コイルはフル蒸気流量でバス温度をかろうじて維持しているため、交換が予定されています。
同時に設置された PTFE コイルは、低い U-値-約 280 W/m²・K-で始まりますが、その値を維持します。 36 か月後でも、U- 値は依然として 260 ～ 270 W/m²·K です。これら 2 つのパフォーマンス曲線のエネルギーコストの軌跡は大きく異なります。
効率損失のメカニズム
金属コイルは 2 つのメカニズムによって熱伝達効率を失います。外部の汚れ堆積物はスケール-硫酸カルシウム、金属水酸化物、有機残留物-であり、チューブ壁と直列に熱抵抗を増加させます。厚さ 0.5 mm のスケール層は、熱伝導率に応じて U- 値を 30 ～ 50% 低減できます。
内部表面の腐食により、蒸気-側の管壁が粗くなります。粗さの増加により乱流が強化され、内部熱伝達係数がわずかに向上しますが、腐食生成物はこの増加を相殺する以上の断熱層を形成します。最終的な影響は進行性の劣化です。
この設備は蒸気圧力を高めることで補償します。蒸気圧力が高くなると飽和温度が上昇し、熱伝達を促進する対数平均温度差が増加します。 LMTD が高くなると、U- 値の低下が部分的に相殺されます。しかし、蒸気温度が高くなるとタンクや配管からの熱損失が増加し、出力温度が高くなるとボイラーの作動効率が低下します。エネルギーペナルティはさらに増大します。
表 1: 36 か月のエネルギーコストの比較 (設計負荷 50 kW、運転時間 6,000 時間/年)
| 期間 | ステンレス鋼の U-値 (W/m²・K) | PTFE U-値 (W/m²・K) | SS蒸気消費量(kg/h) | PTFE蒸気消費量(kg/h) | 累積エネルギーコストペナルティ (SS 対 PTFE) |
|---|---|---|---|---|---|
| 月 1 (クリーン) | 800 | 280 | 78 | 82 | -$180 (SS 特典) |
| 6ヶ月目 | 500 | 275 | 83 | 82 | +$60 |
| 12ヶ月目 | 400 | 270 | 86 | 83 | +$480 |
| 18ヶ月目 | 350 | 268 | 88 | 83 | +$960 |
| 24 月目 | 310 | 265 | 90 | 84 | +$1,620 |
| 月30 | 290 | 262 | 91 | 84 | +$2,340 |
| 36 か月目 (交換前) | 260 | 260 | 93 | 85 | +$3,180 |
| 3 年間の総エネルギーコスト | – | – | – | – | +$9,440 |
蒸気コストは 30 ドル/トン (1,000 kg) で計算されます。累積的なペナルティは、安定した PTFE 性能に対する効率の低下により、ステンレス鋼コイルによって発生する追加の蒸気コストです。
PTFE の利点: ピーク時の安定性
PTFE コイルは、ステンレス鋼コイルが汚れていない最初の数か月間は、エネルギーコストが若干不利になります。この最初のギャップは約 180 ドルであり、無視できる金額です。ステンレスコイルが傷むとギャップが逆転します。 9 か月目までに、累積エネルギーコストは等しくなります。その時点から、PTFE コイルは月を追うごとにエネルギーコストを削減します。
安定した PTFE コイルは、36- か月間にわたって、劣化するステンレス鋼コイルによって発生する追加の蒸気コストを約 9,440 ドル回避します。このエネルギーコストの節約だけで、スケール除去コストの回避、洗浄のためのダウンタイムの回避、または 36 か月での交換の回避を考慮せずに、PTFE コイルの高い初期購入価格を回収できます。
スケール除去のエネルギーペナルティ
ステンレス鋼コイルを 12- か月ごとにスケール除去すると、その U- 値は部分的に回復します。しかし、スケール除去によって元の性能が回復することは決してありません。洗浄のたびにスケールとともに卑金属の一部が除去され、洗浄のたびに粗くなった表面の汚れが早くなります。スケール除去を実施すると、PTFE のエネルギーコストの利点は減少しますが、なくなるわけではありません。
さらに、スケール除去自体もエネルギーを消費します。洗浄剤は加熱する必要があります。スケール除去プロセスの後にタンクを再加熱する必要があります。これらのエネルギーコストは金属コイルの総所有コストの一部ですが、エネルギー費用として追跡されることはほとんどありません。
まとめ
安定した PTFE 熱交換器の性能により、金属コイルの汚れによるエネルギーコストの増大を回避できます。 36- か月間で、安定した PTFE 運転による累積蒸気コスト節約額は 50 kW 熱交換器 1 台あたり 9,400 ドルを超え、エネルギー節約だけで PTFE の購入価格を回収できるほどです。
エネルギーコストの利点は、PTFE エクスチェンジャーの 10+ 年間の耐用年数全体にわたって維持されますが、金属コイルは交換のたびに 36- か月の劣化サイクルを繰り返します。 PTFE の安定した効率により、初期の損益分岐点期間後も永続的なエネルギーコストの利点が得られます。
現在の熱交換器のタイプと使用年数、蒸気コスト、汚れ率データ、スケール除去の頻度と有効性を提出すると、特定の動作条件でのエネルギーコストを比較するためのエンジニアリング分析が可能になります。
