La creciente factura del vapor
La factura de gas natural de una instalación de revestimiento para la generación de vapor aumenta un 18% en tres años, mientras que el volumen de producción se mantiene estable. Se verifica el rendimiento de la caldera. Las trampas de vapor están funcionando. La tubería de distribución de vapor está aislada. El aumento del consumo se debe a los intercambiadores de calor en los tanques de proceso-específicamente, a la pérdida progresiva de eficiencia de transferencia de calor a medida que las bobinas metálicas se ensucian y se corroen.
Una bobina de acero inoxidable limpia en la instalación transfiere calor con un valor U-general de aproximadamente 800 W/m²·K. Después de 12 meses en servicio, el valor U-ha disminuido a 450 W/m²·K. Después de 24 meses, 320 W/m²·K. Después de 36 meses, el serpentín apenas mantiene la temperatura del baño con el flujo de vapor máximo y está programado para ser reemplazado.
Una bobina de PTFE instalada al mismo tiempo comienza con un valor U-más bajo-aproximadamente 280 W/m²·K-pero lo mantiene. Después de 36 meses, el valor U-sigue siendo 260-270 W/m²·K. Las trayectorias del costo de energía de estas dos curvas de desempeño divergen significativamente.
El mecanismo de pérdida de eficiencia
Las bobinas metálicas pierden eficiencia de transferencia de calor a través de dos mecanismos. Los depósitos de incrustaciones externas incrustan-sulfato de calcio, hidróxidos metálicos y residuos orgánicos-que añaden resistencia térmica en serie con la pared del tubo. Una capa de cal de 0,5 mm de espesor puede reducir el valor U-entre un 30 y un 50 % dependiendo de su conductividad térmica.
La corrosión de la superficie interna vuelve áspera la pared-del tubo de vapor. El aumento de la rugosidad aumenta la turbulencia, lo que mejora ligeramente el coeficiente de transferencia de calor interno, pero los productos de corrosión forman una capa aislante que compensa con creces esta ganancia. El efecto neto es una degradación progresiva.
La instalación lo compensa aumentando la presión del vapor. Una presión de vapor más alta aumenta la temperatura de saturación, lo que aumenta la diferencia de temperatura media logarítmica que impulsa la transferencia de calor. El mayor LMTD compensa parcialmente la disminución del valor U-. Pero una temperatura más alta del vapor aumenta las pérdidas de calor del tanque y las tuberías, y la caldera funciona con menor eficiencia a temperaturas de salida más altas. La penalización energética se agrava.
Tabla 1: Comparación de costos de energía de 36 meses (servicio de diseño de 50 kW, 6000 horas de funcionamiento/año)
| Período de tiempo | Valor U-de acero inoxidable (W/m²·K) | PTFE U-Valor (W/m²·K) | Consumo de vapor SS (kg/h) | Consumo de vapor de PTFE (kg/h) | Penalización por costo de energía acumulativo (SS versus PTFE) |
|---|---|---|---|---|---|
| Mes 1 (limpio) | 800 | 280 | 78 | 82 | -$180 (ventaja 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-reemplazo) | 260 | 260 | 93 | 85 | +$3,180 |
| Costo total de energía de 3 años | – | – | – | – | +$9,440 |
El coste del vapor se calcula en 30 dólares por tonelada (1.000 kg). La penalización acumulativa es el costo adicional de vapor en el que incurre la bobina de acero inoxidable debido a la disminución de la eficiencia frente al rendimiento estable del PTFE.
La ventaja del PTFE: estabilidad en los picos
La bobina de PTFE funciona con una modesta desventaja en cuanto a costes energéticos durante los primeros meses cuando la bobina de acero inoxidable está limpia. Esta brecha inicial es de aproximadamente $180, una cantidad insignificante. A medida que la bobina de acero inoxidable se ensucia, la brecha se invierte. Para el mes 9, el costo de energía acumulado es igual. A partir de ese momento, la bobina de PTFE ofrece un menor costo de energía cada mes que pasa.
Durante el período completo de 36-meses, la bobina de PTFE estable evita aproximadamente $9,440 en costos adicionales de vapor incurridos por la degradación de la bobina de acero inoxidable. Este ahorro de costos de energía por sí solo recupera el mayor precio de compra inicial de la bobina de PTFE, sin considerar el costo evitado de descalcificación, el tiempo de inactividad evitado por limpieza o el reemplazo evitado a los 36 meses.
La penalización energética por descalcificación
Si la bobina de acero inoxidable se descalcifica en intervalos de 12-meses, su valor U-se restablece parcialmente. Pero la descalcificación nunca restaura el rendimiento original: cada limpieza elimina algo de metal base junto con la cal, y la superficie rugosa se ensucia más rápido después de cada limpieza. La ventaja del costo energético del PTFE se reduce pero no se elimina cuando se practica la desincrustación.
Además, la propia descalcificación consume energía. Los productos químicos de limpieza deben calentarse. El tanque debe recalentarse después del proceso de descalcificación. Estos costos de energía son parte del costo total de propiedad de la bobina metálica, pero rara vez se registran como gastos de energía.
Resumen
El rendimiento estable del intercambiador de calor de PTFE evita la penalización progresiva del coste energético que supone el ensuciamiento de los serpentines metálicos. Durante un período de 36-meses, los ahorros acumulados en costos de vapor provenientes del funcionamiento estable del PTFE superan los $9,400 por un solo intercambiador de calor de 50 kW, suficiente para recuperar el precio de compra del PTFE solo con el ahorro de energía.
La ventaja en el costo de energía se mantiene durante toda la vida útil de 10+ años del intercambiador de PTFE, mientras que la bobina metálica repite el ciclo de degradación de 36-meses con cada reemplazo. La eficiencia estable del PTFE proporciona una ventaja permanente en el costo de la energía después del período de equilibrio inicial.
El análisis de ingeniería para comparar los costos de energía en condiciones operativas específicas está disponible previa presentación del tipo y antigüedad actuales del intercambiador de calor, los costos del vapor, los datos de la tasa de incrustaciones y la frecuencia y efectividad de la descalcificación.
