Le coût du pompage 24 heures sur 24

Une installation de traitement chimique exploitant un bain de placage recirculé avec un échangeur thermique en PTFE rapporte que la pompe de circulation consomme 22 kW en continu. La pompe a été dimensionnée pour surmonter la chute de pression de l'échangeur de chaleur et du système de tuyauterie au débit de conception. L'échangeur de chaleur représente environ 40 % de la perte de charge totale et la tuyauterie représente le reste.

Sur une année de fonctionnement continu, la pompe consomme 192 720 kWh. Au coût d'électricité de 0,10 $ le kWh, le coût annuel de pompage est de 19 272 $. Sur une durée de vie de dix-ans, le coût cumulé du pompage s'élève à 192 720 $, soit plusieurs fois le coût en capital de l'échangeur de chaleur.

La configuration du débit de l'échangeur thermique détermine la chute de pression que la pompe doit surmonter. Une configuration qui réduit la chute de pression de 30 % réduit la puissance de pompage d'environ 30 % (en supposant que l'efficacité de la pompe soit constante), ce qui permet d'économiser 5 782 $ par an et 57 820 $ sur dix ans. Il s’agit d’une réduction significative des coûts d’exploitation qui n’est pas prise en compte dans la comparaison des coûts d’investissement.

Comment la configuration du débit détermine la chute de pression

La chute de pression dans un échangeur de chaleur en PTFE est déterminée par la configuration du débit, la vitesse d'écoulement et la géométrie du tube. La configuration du débit comprend le nombre de passages du tube, le diamètre du tube, la longueur du tube et la disposition des connexions d'entrée et de sortie.

Nombre de passages de tubes.Une configuration à plusieurs-passes présente une chute de pression plus élevée qu'une configuration à-passe unique, car le flux inverse la direction à chaque passage, ce qui crée des pertes supplémentaires. La chute de pression augmente approximativement avec le carré du nombre de passages.

Diamètre du tube.Un diamètre de tube plus petit entraîne une perte de charge plus élevée pour le même débit car la vitesse d'écoulement est plus élevée et le facteur de friction est plus grand. La chute de pression est inversement proportionnelle au diamètre du tube élevé à la puissance cinq.

Longueur du tube.Un tube plus long a une perte de charge plus élevée car la perte de charge est proportionnelle à la longueur. La chute de pression est directement proportionnelle à la longueur du tube.

Disposition des connexions.La disposition des raccords d'entrée et de sortie affecte la répartition du débit et la perte de charge. Une configuration avec des transitions brusques ou des collecteurs mal conçus présente une chute de pression plus élevée qu'une configuration avec des transitions progressives et des collecteurs bien conçus.

Le compromis-entre le transfert de chaleur et la chute de pression

La configuration de débit qui minimise la chute de pression n'est pas la même que la configuration de débit qui maximise le transfert de chaleur. Un diamètre de tube plus petit et une vitesse d'écoulement plus élevée augmentent le coefficient de transfert thermique mais augmentent également la perte de charge. Un diamètre de tube plus grand et une vitesse d'écoulement plus faible réduisent la chute de pression mais réduisent également le coefficient de transfert thermique.

La configuration de débit optimale est celle qui minimise le coût total de l'échangeur thermique et l'énergie de pompage pendant toute la durée de vie. Il s’agit d’un problème d’optimisation différent de celui qui minimise le coût d’investissement ou maximise les performances de transfert de chaleur.

Pour un échangeur de chaleur fonctionnant en continu, l'énergie de pompage est un élément de coût dominant, et la configuration optimale tend vers une perte de charge plus faible même si elle nécessite une surface légèrement plus grande. Pour un échangeur de chaleur qui fonctionne par intermittence, l'énergie de pompage représente un élément de coût moindre et la configuration optimale tend vers un coefficient de transfert de chaleur plus élevé même si elle nécessite une perte de charge plus élevée.

Quantification de l'énergie de pompage pour différentes configurations

Le tableau suivant résume l'énergie de pompage et le coût annuel de pompage pour différentes configurations de débit d'échangeur de chaleur en PTFE dans un bain chimique recirculé avec un débit de 30 m³/h et un coût d'électricité de 0,10 $ par kWh.

Configuration du flux	Diamètre du tube	Nombre de passes	Chute de pression	Puissance de la pompe	Coût de pompage annuel	Coût de pompage sur dix - ans
Petit tube, multi-passes	6 mm	4	45kPa	22 kW	$19,272	$192,720
Petit tube, deux-passes	6 mm	2	28 kPa	14 kW	$12,264	$122,640
Tube moyen, deux-passes	9,5 mm	2	18 kPa	9 kW	$7,884	$78,840
Tube moyen, simple-passe	9,5 mm	1	12kPa	6 kW	$5,256	$52,560
Grand tube, passage unique-	12,7 millimètres	1	8kPa	4 kW	$3,504	$35,040
Grand tube, simple-passe, collecteurs optimisés	12,7 millimètres	1	6kPa	3 kW	$2,628	$26,280

Les valeurs de chute de pression sont des estimations basées sur des configurations typiques d'échangeur de chaleur en PTFE et un débit de 30 m³/h. La puissance de la pompe est calculée à partir de la chute de pression et du débit, en supposant un rendement de pompe de 70 %. Le coût annuel de pompage suppose 8 760 heures de fonctionnement continu.

Le compromis sur le coût du capital-

Une configuration d'écoulement avec un diamètre de tube plus grand et moins de passages présente une perte de charge plus faible et un coût de pompage inférieur, mais elle peut nécessiter une plus grande surface pour obtenir le même coefficient de transfert de chaleur. La plus grande surface augmente le coût d’investissement de l’échangeur de chaleur.

Le compromis-se situe entre un coût d'investissement plus élevé et un coût de pompage inférieur. Pour une configuration réduisant le coût de pompage de 13 000 $ par année avec une prime en capital de 15 000 $, la période de récupération est d'environ 14 mois. Pour une configuration réduisant le coût de pompage de 16 000 $ par année avec une prime en capital de 25 000 $, la période de récupération est d'environ 19 mois.

La période de récupération est plus courte pour les installations ayant des coûts d’électricité élevés, des heures de fonctionnement ou des débits élevés. Il est plus long pour les installations à faibles coûts d’électricité ou à fonctionnement intermittent.

Autres facteurs qui affectent le pompage de l'énergie

Plusieurs autres facteurs affectent l’énergie de pompage et ces facteurs interagissent avec la configuration du débit.

Conception de tuyauterie.La disposition des canalisations, le nombre de coudes et les types de vannes affectent la chute de pression totale de la boucle de circulation. Un système de tuyauterie bien-conçu avec des transitions progressives et des vannes-à passage intégral réduit la chute de pression et l'énergie de pompage.

Efficacité de la pompe.Une pompe à rendement supérieur-réduit l'énergie de pompage pour une chute de pression et un débit identiques. L’efficacité de la pompe doit être prise en compte dans l’analyse du coût total de possession.

Méthode de contrôle de flux.Un entraînement à fréquence variable (VFD) sur la pompe permet d'ajuster le débit en fonction de la demande du processus, ce qui réduit l'énergie de pompage pendant les périodes de faible-demande. Une vanne d'étranglement gaspille de l'énergie en augmentant la chute de pression.

Encrassement de l'échangeur de chaleur.L'encrassement augmente la chute de pression dans l'échangeur thermique, ce qui augmente l'énergie de pompage. Un nettoyage régulier maintient la chute de pression à la valeur de conception.

Température.La viscosité du fluide de procédé diminue avec l'augmentation de la température, ce qui réduit la chute de pression et l'énergie de pompage. L'échangeur de chaleur doit être conçu pour la température de fonctionnement réelle.

Caractéristiques de conception qui réduisent l'énergie de pompage

Plusieurs caractéristiques de conception réduisent l'énergie de pompage dans un bain chimique recirculé.

Diamètre de tube plus grand.Un diamètre de tube plus grand réduit la chute de pression et l'énergie de pompage. Le diamètre du tube doit être sélectionné en fonction du coût total de possession, et pas seulement des performances de transfert de chaleur.

Moins de passes.Une configuration à-passe unique présente une chute de pression inférieure à celle d'une configuration à-passes multiples. La configuration à passage unique- doit être sélectionnée lorsque la chute de pression constitue un élément de coût important.

En-têtes optimisés.Des collecteurs-bien conçus avec des transitions progressives et une répartition uniforme du débit réduisent la chute de pression et l'énergie de pompage.

Surface du tube lisse.Une surface de tube lisse réduit le facteur de friction et la chute de pression. La surface du tube doit être exempte de défauts susceptibles d'augmenter le frottement.

Dispositions de nettoyage sur place-.Les raccords d'alimentation et de retour de la solution de nettoyage permettent de nettoyer l'échangeur thermique sans démontage, ce qui maintient la perte de charge à la valeur de conception.

Surveillance des chutes de pression.Des capteurs de chute de pression à travers l'échangeur thermique permettent de surveiller le taux d'encrassement et de planifier le nettoyage avant que la chute de pression n'augmente de manière significative.

Paramètres de spécification pour une faible énergie de pompage

Les ingénieurs d'équipement spécifiant un échangeur de chaleur en PTFE pour un bain chimique recirculé doivent confirmer les paramètres suivants auprès du fournisseur.

Débit.Spécifiez le débit de conception et la plage de débits attendue.

Limite de chute de pression.Spécifiez la chute de pression maximale autorisée à travers l’échangeur de chaleur.

Diamètre du tube.Spécifiez le diamètre du tube en fonction de la limite de perte de charge et des exigences de transfert de chaleur.

Nombre de passes.Spécifiez le nombre de passages de tube. Une configuration à-passage unique est préférable pour une faible énergie de pompage.

Conception d'en-tête.Spécifiez la conception du collecteur pour minimiser la chute de pression et assurer une distribution uniforme du débit.

Efficacité de la pompe.Spécifiez l’efficacité de la pompe et la méthode de contrôle du débit.

Surveillance des chutes de pression.Précisez les capteurs de chute de pression et la méthode de surveillance.

Dispositions de nettoyage.Spécifiez les connexions et les vannes requises pour le nettoyage sur place.

Faire correspondre la configuration du débit au coût énergétique du pompage

La configuration du débit d'un échangeur de chaleur en PTFE détermine la chute de pression, la hauteur de pompe requise et l'énergie de pompage. Dans les bains chimiques recirculés, l'énergie de pompage représente un coût d'exploitation continu qui peut dépasser le coût d'investissement de l'échangeur thermique sur une durée de vie de dix-ans. Une configuration avec un diamètre de tube plus grand, moins de passages et des collecteurs optimisés réduit la chute de pression et l'énergie de pompage de 30 à 60 % par rapport à une configuration compacte à plusieurs-passes.

La configuration du débit doit être sélectionnée en fonction du coût total de possession, y compris le coût d'investissement et le coût de l'énergie de pompage. Un simple modèle de feuille de calcul avec le calcul de la chute de pression et les données sur le coût de l'électricité fournit les informations nécessaires pour sélectionner la configuration optimale.

Pour les bains chimiques recirculés évaluant les options d'échangeur thermique en PTFE, la configuration du débit doit être spécifiée dans les documents d'approvisionnement et confirmée par le fabricant. La configuration par défaut fournie par le fabricant peut être optimisée pour la compacité plutôt que pour le pompage d'énergie, et le coût d'exploitation qui en résulte peut dépasser les économies en capital.

Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes des achats évaluant les spécifications des échangeurs de chaleur en PTFE pour les bains chimiques à recirculation ou tout autre service à flux continu- peuvent demander une révision de la conception couvrant le diamètre du tube, le nombre de passages, la conception du collecteur, la chute de pression et l'énergie de pompage pour confirmer que l'unité est adaptée aux conditions de débit réelles et à la structure des coûts énergétiques de l'installation.

Échangeur de chaleur en PTFE de type 32 pour échangeur de chaleur.