Pumpeomkostningerne, der kører døgnet rundt
Et kemisk behandlingsanlæg, der driver et recirkuleret pletteringsbad med en PTFE varmeveksler, rapporterer, at cirkulationspumpen forbruger 22 kW kontinuerligt. Pumpen blev dimensioneret til at overvinde trykfaldet i varmeveksleren og rørsystemet ved den beregnede flowhastighed. Varmeveksleren står for cirka 40 % af det samlede trykfald, og rørføringen står for resten.
Over et års kontinuerlig drift forbruger pumpen 192.720 kWh. Ved en elpris på 0,10 USD pr. kWh er den årlige pumpeomkostning 19.272 USD. Over en ti-årig levetid er den kumulative pumpeomkostning 192.720 USD, hvilket er flere gange varmevekslerens kapitalomkostning.
Strømningskonfigurationen af varmeveksleren bestemmer det trykfald, som pumpen skal overvinde. En konfiguration, der reducerer trykfaldet med 30 %, reducerer pumpeeffekten med cirka 30 % (forudsat at pumpeeffektiviteten er konstant), hvilket sparer 5.782 USD om året og 57.820 USD over ti år. Dette er en væsentlig reduktion af driftsomkostningerne, som ikke er indfanget i kapitalomkostningssammenligningen.
Hvordan flowkonfiguration bestemmer trykfald
Trykfaldet over en PTFE varmeveksler bestemmes af strømningskonfigurationen, strømningshastigheden og rørgeometrien. Strømningskonfigurationen inkluderer antallet af rørgennemløb, rørdiameteren, rørlængden og arrangementet af indløbs- og udløbsforbindelserne.
Antal rørpassager.En fler-passage-konfiguration har et højere trykfald end en enkelt-pass-konfiguration, fordi flowet vender retningen ved hver passage, hvilket skaber yderligere tab. Trykfaldet stiger tilnærmelsesvis med kvadratet på antallet af gennemløb.
Rør diameter.En mindre rørdiameter har et højere trykfald for den samme strømningshastighed, fordi strømningshastigheden er højere, og friktionsfaktoren er større. Trykfaldet er omvendt proportionalt med rørdiameteren hævet til femte potens.
Rørlængde.Et længere rør har et højere tryktab, fordi friktionstabet er proportionalt med længden. Trykfaldet er direkte proportionalt med rørlængden.
Tilslutningsarrangement.Arrangementet af indløbs- og udløbstilslutningerne påvirker strømningsfordelingen og trykfaldet. En konfiguration med bratte overgange eller dårligt designede headere har et højere trykfald end en med gradvise overgange og veldesignede headere.
Afvekslingen-mellem varmeoverførsel og trykfald
Strømningskonfigurationen, der minimerer trykfaldet, er ikke den samme som strømningskonfigurationen, der maksimerer varmeoverførslen. En mindre rørdiameter og en højere strømningshastighed øger varmeoverførselskoefficienten, men øger også trykfaldet. En større rørdiameter og en lavere strømningshastighed reducerer trykfaldet, men reducerer også varmeoverførselskoefficienten.
Den optimale flowkonfiguration er den, der minimerer de samlede omkostninger til varmeveksleren og pumpeenergien i løbet af levetiden. Dette er et andet optimeringsproblem end det, der minimerer kapitalomkostningerne eller maksimerer varmeoverførselsydelsen.
For en varmeveksler, der kører kontinuerligt, er pumpeenergien en dominerende omkostningskomponent, og den optimale konfiguration tenderer mod et lavere trykfald, selvom det kræver et lidt større overfladeareal. For en varmeveksler, der fungerer intermitterende, er pumpeenergien en mindre omkostningskomponent, og den optimale konfiguration tenderer mod en højere varmeoverførselskoefficient, selvom det kræver et højere trykfald.
Kvantificering af pumpeenergien for forskellige konfigurationer
Følgende tabel opsummerer pumpeenergien og de årlige pumpeomkostninger for forskellige PTFE varmevekslerstrømningskonfigurationer i et recirkuleret kemikaliebad med en flowhastighed på 30 m³/h og en elpris på $0,10 pr. kWh.
| Flow konfiguration | Rør diameter | Antal gennemløb | Trykfald | Pumpekraft | Årlige pumpeomkostninger | Ti-års pumpeomkostninger |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Lille rør, multi-pass | 6 mm | 4 | 45 kPa | 22 kW | $19,272 | $192,720 |
| Lille rør, to-pass | 6 mm | 2 | 28 kPa | 14 kW | $12,264 | $122,640 |
| Medium rør, to-pass | 9,5 mm | 2 | 18 kPa | 9 kW | $7,884 | $78,840 |
| Mellemrør, enkelt-passage | 9,5 mm | 1 | 12 kPa | 6 kW | $5,256 | $52,560 |
| Stort rør, enkelt-passage | 12,7 mm | 1 | 8 kPa | 4 kW | $3,504 | $35,040 |
| Stort rør, enkelt-passage, optimerede overskrifter | 12,7 mm | 1 | 6 kPa | 3 kW | $2,628 | $26,280 |
Trykfaldsværdierne er estimater baseret på typiske PTFE-varmevekslerkonfigurationer og en flowhastighed på 30 m³/h. Pumpeeffekten beregnes ud fra trykfaldet og flowhastigheden under forudsætning af en pumpevirkningsgrad på 70 %. De årlige pumpeomkostninger forudsætter 8.760 timers kontinuerlig drift.
Udveksling af kapitalomkostninger-
En strømningskonfiguration med en større rørdiameter og færre gennemløb har et lavere trykfald og lavere pumpeomkostninger, men det kan kræve et større overfladeareal for at opnå den samme varmeoverførselskoefficient. Det større overfladeareal øger varmevekslerens kapitalomkostninger.
Afvejningen- er mellem den højere kapitalomkostning og den lavere pumpeomkostning. For en konfiguration, der reducerer pumpeomkostningerne med $13.000 om året med en kapitalpræmie på $15.000, er tilbagebetalingsperioden cirka 14 måneder. For en konfiguration, der reducerer pumpeomkostningerne med $16.000 om året med en kapitalpræmie på $25.000, er tilbagebetalingsperioden cirka 19 måneder.
Tilbagebetalingsperioden er kortere for anlæg med høje elomkostninger, høje driftstimer eller høje flowhastigheder. Den er længere for anlæg med lave elomkostninger eller intermitterende drift.
Andre faktorer, der påvirker pumpeenergi
Adskillige andre faktorer påvirker pumpeenergien, og disse faktorer interagerer med flowkonfigurationen.
Rør design.Rørlayoutet, antallet af bøjninger og ventiltyperne påvirker det samlede trykfald i cirkulationssløjfen. Et vel-designet rørsystem med gradvise overgange og fuld-ventiler reducerer trykfaldet og pumpeenergien.
Pumpeeffektivitet.En pumpe med højere-effektivitet reducerer pumpeenergien ved samme trykfald og samme flowhastighed. Pumpens effektivitet bør overvejes i analysen af de samlede ejeromkostninger.
Flowkontrolmetode.Et variabelt frekvensdrev (VFD) på pumpen gør det muligt at justere flowhastigheden, så den matcher procesbehovet, hvilket reducerer pumpeenergien i perioder med lavt-behov. En drosselventil spilder energi ved at øge trykfaldet.
Tilsmudsning af varmeveksleren.Tilsmudsning øger trykfaldet over varmeveksleren, hvilket øger pumpeenergien. Regelmæssig rengøring fastholder trykfaldet på designværdien.
Temperatur.Viskositeten af procesvæsken falder med stigende temperatur, hvilket reducerer trykfaldet og pumpeenergien. Varmeveksleren skal være designet til den aktuelle driftstemperatur.
Designfunktioner, der reducerer pumpeenergien
Adskillige designfunktioner reducerer pumpeenergien i et recirkuleret kemikaliebad.
Større rørdiameter.En større rørdiameter reducerer trykfaldet og pumpeenergien. Rørdiameteren bør vælges baseret på de samlede ejeromkostninger, ikke kun varmeoverførselsydelsen.
Færre afleveringer.En enkelt-pass-konfiguration har et lavere trykfald end en multi-pass-konfiguration. Enkelt-pass-konfigurationen bør vælges, når trykfaldet er en væsentlig omkostningskomponent.
Optimerede overskrifter.Godt-designede skæreborde med gradvise overgange og ensartet flowfordeling reducerer trykfaldet og pumpeenergien.
Glat røroverflade.En glat røroverflade reducerer friktionsfaktoren og trykfaldet. Røroverfladen skal være fri for defekter, der kan øge friktionen.
På-sted rengøringsmidler.Tilslutninger til rensemiddeltilførsel og -retur gør det muligt at rengøre varmeveksleren uden demontering, hvilket holder trykfaldet på designværdien.
Overvågning af tryktab.Trykfaldssensorer på tværs af varmeveksleren gør det muligt at overvåge tilsmudsningshastigheden og planlægge rengøringen, før trykfaldet stiger markant.
Specifikationsparametre for lav pumpeenergi
Udstyrsingeniører, der specificerer en PTFE-varmeveksler til et recirkuleret kemisk bad, bør bekræfte følgende parametre med leverandøren.
Flowhastighed.Angiv designflowhastigheden og det forventede område af flowhastigheder.
Trykfaldsgrænse.Angiv det maksimalt tilladte trykfald over varmeveksleren.
Rør diameter.Angiv rørdiameteren baseret på trykfaldsgrænsen og varmeoverførselskravet.
Antal afleveringer.Angiv antallet af rørgennemgange. En enkelt-pass-konfiguration foretrækkes til lav pumpeenergi.
Header design.Angiv header-designet for at minimere trykfaldet og sikre ensartet flowfordeling.
Pumpeeffektivitet.Angiv pumpeeffektiviteten og flowkontrolmetoden.
Overvågning af tryktab.Angiv trykfaldssensorerne og overvågningsmetoden.
Rengøringsbestemmelser.Angiv de nødvendige forbindelser og ventiler til-rengøring på stedet.
Matchende flowkonfiguration til pumpeenergiomkostninger
Flowkonfigurationen af en PTFE-varmeveksler bestemmer trykfaldet, den nødvendige pumpehøjde og pumpeenergien. I recirkulerede kemiske bade er pumpeenergien en kontinuerlig driftsomkostning, der kan overstige varmevekslerens kapitalomkostninger over en ti-årig levetid. En konfiguration med en større rørdiameter, færre gennemløb og optimerede samlerør reducerer trykfaldet og pumpeenergien med 30-60 % sammenlignet med en kompakt multi-pass-konfiguration.
Flowkonfigurationen bør vælges baseret på de samlede ejeromkostninger, inklusive kapitalomkostninger og pumpeenergiomkostninger. En simpel regnearksmodel med trykfaldsberegning og elomkostningsdata giver den nødvendige information til at vælge den optimale konfiguration.
For recirkulerede kemiske bade, der evaluerer PTFE-varmevekslermuligheder, skal flowkonfigurationen angives i indkøbsdokumenterne og bekræftes af producenten. Standardkonfigurationen leveret af producenten kan være optimeret til kompakthed i stedet for at pumpe energi, og de resulterende driftsomkostninger kan overstige kapitalomkostningsbesparelserne.
Udstyrsingeniører og indkøbsspecialister, der evaluerer PTFE-varmevekslerspecifikationer for recirkulerede kemiske bade eller andre kontinuerlige-flowtjenester, kan anmode om en designgennemgang, der dækker rørdiameter, antal passager, samlingsrørdesign, trykfald og pumpeenergi for at bekræfte, at enheden er afstemt med anlæggets faktiske strømningsforhold og energiomkostningsstrukturen.
