La facture vapeur en hausse
La facture de gaz naturel d'une installation de placage pour la production de vapeur augmente de 18 % sur trois ans alors que le volume de production reste stable. L'efficacité de la chaudière est vérifiée. Les purgeurs de vapeur fonctionnent. La tuyauterie de distribution de vapeur est isolée. L'augmentation de la consommation est imputable aux échangeurs de chaleur dans les réservoirs de traitement-en particulier, à la perte progressive de l'efficacité du transfert de chaleur à mesure que les serpentins métalliques s'encrassent et se corrodent.
Un serpentin en acier inoxydable propre lors de l'installation transfère de la chaleur avec une valeur U- globale d'environ 800 W/m²·K. Après 12 mois de service, la valeur U-est tombée à 450 W/m²·K. Après 24 mois, 320 W/m²·K. Après 36 mois, le serpentin maintient à peine la température du bain à plein débit de vapeur et doit être remplacé.
Une bobine PTFE installée en même temps démarre avec une valeur U-inférieure-d'environ 280 W/m²·K-mais la maintient. Après 36 mois, la valeur U-est toujours de 260-270 W/m²·K. Les trajectoires de coûts énergétiques de ces deux courbes de performance divergent significativement.
Le mécanisme de perte d’efficacité
Les serpentins métalliques perdent leur efficacité de transfert de chaleur à travers deux mécanismes. Dépôts d'encrassement externes tartre-sulfate de calcium, hydroxydes métalliques, résidus organiques-qui ajoutent une résistance thermique en série avec la paroi du tube. Une couche de tartre de 0,5 mm d'épaisseur peut réduire la valeur U-de 30 à 50 % en fonction de sa conductivité thermique.
La corrosion de la surface interne rend rugueuse la paroi du tube côté vapeur-. La rugosité accrue renforce la turbulence, ce qui améliore légèrement le coefficient de transfert de chaleur interne, mais les produits de corrosion forment une couche isolante qui compense largement ce gain. L’effet net est une dégradation progressive.
L'installation compense en augmentant la pression de la vapeur. Une pression de vapeur plus élevée augmente la température de saturation, augmentant ainsi la différence de température moyenne logarithmique entraînant le transfert de chaleur. La DMTD plus élevée compense en partie la baisse de la valeur U-. Mais une température de vapeur plus élevée augmente les pertes de chaleur du réservoir et de la tuyauterie, et la chaudière fonctionne avec un rendement moindre à des températures de sortie plus élevées. La pénalité énergétique s’aggrave.
Tableau 1 : Comparaison des coûts énergétiques sur 36 mois (service de conception de 50 kW, 6 000 heures de fonctionnement/an)
| Période | Valeur U- de l'acier inoxydable (W/m²·K) | PTFE U-Valeur (W/m²·K) | Consommation de vapeur SS (kg/h) | Consommation de vapeur PTFE (kg/h) | Pénalité sur le coût énergétique cumulé (SS vs PTFE) |
|---|---|---|---|---|---|
| Mois 1 (propre) | 800 | 280 | 78 | 82 | -180 $ (avantage SS) |
| Mois 6 | 500 | 275 | 83 | 82 | +$60 |
| Mois 12 | 400 | 270 | 86 | 83 | +$480 |
| Mois 18 | 350 | 268 | 88 | 83 | +$960 |
| Mois 24 | 310 | 265 | 90 | 84 | +$1,620 |
| Mois 30 | 290 | 262 | 91 | 84 | +$2,340 |
| Mois 36 (pré-remplacement) | 260 | 260 | 93 | 85 | +$3,180 |
| Coût énergétique total sur 3 ans | – | – | – | – | +$9,440 |
Coût de la vapeur calculé à 30 $/tonne (1 000 kg). La pénalité cumulative est le coût supplémentaire de la vapeur encouru par le serpentin en acier inoxydable en raison de la baisse d'efficacité par rapport aux performances stables du PTFE.
L'avantage du PTFE : stabilité au pic
La bobine en PTFE fonctionne avec un léger désavantage en termes de coût énergétique au cours des premiers mois lorsque la bobine en acier inoxydable est propre. Cet écart initial est d'environ 180 $, un montant négligeable. À mesure que la bobine en acier inoxydable s'encrasse, l'écart s'inverse. Au mois 9, le coût énergétique cumulé est égal. À partir de ce moment-là, la bobine PTFE réduit les coûts énergétiques chaque mois qui passe.
Sur une période complète de 36 -mois, le serpentin en PTFE stable évite environ 9 440 $ de coûts de vapeur supplémentaires encourus par la dégradation du serpentin en acier inoxydable. Cette économie d'énergie permet à elle seule de récupérer le prix d'achat initial plus élevé de la bobine PTFE, sans tenir compte du coût de détartrage évité, du temps d'arrêt évité pour le nettoyage ou du remplacement évité à 36 mois.
Le malus énergétique de détartrage
Si la bobine en acier inoxydable est détartrée tous les 12-mois, sa valeur U-est partiellement restaurée. Mais le détartrage ne restaure jamais les performances d'origine : chaque nettoyage enlève une partie du métal de base ainsi que le tartre, et la surface rugueuse s'encrasse plus rapidement après chaque nettoyage. L’avantage du PTFE en termes de coût énergétique est réduit mais pas éliminé lorsque le détartrage est pratiqué.
De plus, le détartrage lui-même consomme de l’énergie. Les produits chimiques de nettoyage doivent être chauffés. Le réservoir doit être réchauffé après le processus de détartrage. Ces coûts énergétiques font partie du coût total de possession de la bobine métallique mais sont rarement comptabilisés comme dépenses énergétiques.
Résumé
Les performances stables de l'échangeur de chaleur en PTFE évitent la pénalité progressive en termes de coûts énergétiques due à l'encrassement des bobines métalliques. Sur une période de 36 -mois, les économies cumulées sur les coûts de vapeur grâce au fonctionnement stable du PTFE dépassent 9 400 $ pour un seul échangeur de chaleur de 50 kW, soit suffisamment pour récupérer le prix d'achat du PTFE grâce aux seules économies d'énergie.
L'avantage en termes de coût énergétique est maintenu pendant toute la durée de vie de 10+ ans de l'échangeur PTFE, tandis que la bobine métallique répète le cycle de dégradation de 36- mois à chaque remplacement. L'efficacité stable du PTFE offre un avantage permanent en termes de coûts énergétiques après la période initiale d'équilibre.
Une analyse technique permettant de comparer les coûts énergétiques dans des conditions de fonctionnement spécifiques est disponible sur présentation du type et de l'âge actuels de l'échangeur de chaleur, des coûts de vapeur, des données sur le taux d'encrassement, ainsi que de la fréquence et de l'efficacité du détartrage.
