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Jul 10, 2023

Steam : minimisez les pertes, économisez de l'énergie

Que vous utilisiez la vapeur comme ingrédient alimentaire (qualité culinaire) ou pour la cuisson,

Que vous utilisiez la vapeur comme ingrédient alimentaire (qualité culinaire) ou pour cuisiner, avec la tendance actuelle des prix du gaz naturel et du pétrole à la hausse, la conservation n'est pas seulement importante du point de vue de la durabilité de l'entreprise, mais surtout du point de vue du résultat net. Aujourd'hui, pensez aux trois R - réduire, réutiliser et recycler - dans la mesure du possible. Par exemple, réutiliser et recycler les condensats ? C'est déjà de l'eau, c'est traité et c'est chaud. Considérez le coût de production en termes de BTU par livre de nourriture produite ou par baril de bière. Où et quelles sont les pertes courantes d'énergie de la vapeur ?

"Les systèmes d'évacuation de la vapeur sont le plus grand point de perte d'énergie, mais peuvent être gérés efficacement avec des solutions stratégiques", déclare Sam Simkowski, ingénieur procédé III chez Stellar. Un système de vapeur correctement équilibré peut aider à réduire les pertes d'énergie et les émissions globales de la chaudière. Pour ce faire, les usines doivent essayer de minimiser ou d'éliminer la quantité de vapeur libérée dans l'atmosphère. Plutôt que d'évacuer la vapeur, les usines peuvent récupérer et recycler la vapeur de détente pour répondre aux besoins de l'usine, comme le chauffage de l'eau dans les zones de traitement. L'intégration d'échangeurs de chaleur ou de condenseurs permet aux installations d'utiliser l'énergie de la vapeur de détente, ce qui peut avoir un impact positif significatif sur les coûts globaux. Une autre façon d'éviter les pertes dues à la ventilation consiste à incorporer un réservoir de détente ou un système en cascade dans un système de vapeur à haute pression. Cette méthode fournit une source de vapeur à basse pression qui peut être utilisée ailleurs dans l'usine, ajoute Simkowski.

La principale source de vapeur instantanée se produit lorsque le condensat saturé chute à une pression inférieure, explique Jonathan Clark, PE, ingénieur en mécanique au CRB. Lorsque le condensat de vapeur passe à travers le purgeur de vapeur de l'équipement auquel il est connecté, la chute de pression résultante à travers le purgeur de vapeur entraînera une certaine génération de vapeur instantanée. Il s'agit d'une vapeur parfaitement utile et, dans de nombreux cas, elle est négligée en tant que source de vapeur pour l'équipement. Si les conditions de fonctionnement de l'équipement le permettent, il peut être récupéré et utilisé ailleurs s'il existe des utilisateurs pouvant accepter la vapeur de détente.

Ce qu'il faut retenir, dit Clark, "la vapeur flash qui n'est pas récupérée est à la fois une perte d'énergie et une perte d'eau. Pour chaque livre de vapeur flash non récupérée, il y a une livre associée d'eau d'appoint nécessaire. L'ingénieur évaluant le système de vapeur peut déterminer le coût de ces pertes."

"Le concepteur du système de vapeur doit évaluer les flux de condensat disponibles pour la récupération de la vapeur instantanée", ajoute Clark. Un séparateur de vapeur instantanée peut être utilisé entre les courants de condensat à haute et basse pression pour la récupération de vapeur utile à utiliser dans des applications de chauffage à basse pression. Les caractéristiques opérationnelles de la récupération de vapeur flash et de l'utilisateur à basse pression doivent également être prises en compte pour s'assurer qu'il y a un approvisionnement suffisant et constant disponible.

Une autre méthode de récupération de la vapeur instantanée consiste à permettre au condensat haute pression de s'évaporer à une pression inférieure et d'être réutilisé, explique Gabriel Legorburu, PE, PhD, ingénieur principal des procédés du groupe Dennis. Cette approche peut être utilisée lorsqu'il y a plusieurs pressions de vapeur dans une installation. Par exemple, considérez une application où de la vapeur à haute pression est utilisée pour chauffer l'huile de friteuse à 415°F. Le condensat sortant de l'échangeur de chaleur vapeur-huile pourrait encore être supérieur à 200 PSIG. Idéalement, ce condensat à haute pression serait flashé dans un récipient avec un régulateur de contre-pression réglé à 200 PSIG ou moins. Ensuite, la vapeur à basse pression pourrait alors être utilisée pour des équipements nécessitant moins de pression que les friteuses.

Le bilan massique et énergétique du système de vapeur doit inclure tous les calculs du système de vapeur. Ces calculs sont utilisés pour déterminer les coûts d'exploitation du système de vapeur à partir d'une analyse de l'apport d'énergie pour générer de la vapeur. Les calculs de récupération de la vapeur flash dans le cadre du bilan massique et énergétique sont détaillés dans la publication de Spirax Sarco, "Design of Fluid Systems, Hook-Ups", explique Clark.

Les purgeurs de vapeur défaillants causent des problèmes, quel que soit le mode de défaillance. Lorsqu'ils ne s'ouvrent pas, ils perdent de la vapeur et, selon l'opération, peuvent coûter jusqu'à six chiffres en énergie gaspillée, sans oublier que les purgeurs qui ne s'ouvrent pas affectent la pression et l'efficacité. Les pannes fermées peuvent arrêter la production de chaleur et permettre à la pression de monter à des niveaux dangereux. Envisagez une enquête sur le purgeur de vapeur par un ingénieur qualifié pour déterminer la quantité d'énergie que vous gaspillez. (Voir l'encadré, "L'enquête sur le système de vapeur peut révéler des problèmes et des déchets du système".) Pensez également à installer des moniteurs/capteurs sur les purgeurs de vapeur, qui détectent les pannes et peuvent alerter les opérateurs via le réseau ou les communications sans fil lorsqu'une panne est sur le point de se produire ou s'est produite.

Les purgeurs de vapeur dans les usines alimentaires se trouvent souvent dans des endroits peu visibles, par exemple au-dessus des têtes et dans des espaces interstitiels ou cachés dans des endroits peu visibles. Par l'intermédiaire d'une société tierce d'audit et d'installation, Pulse Industrial, un fournisseur d'une solution de surveillance de purgeur de vapeur en tant que service (SaaS), a installé son logiciel et ses moniteurs de purgeur de vapeur pour une grande usine de transformation des aliments avec 193 purgeurs de vapeur, dont certains étaient difficiles à inspecter à des fins d'audit. Au cours du processus d'installation, la société d'audit a localisé et remplacé un purgeur de vapeur défectueux, économisant des dizaines de milliers de dollars en énergie gaspillée par an. Ce fabricant de produits alimentaires utilisait des applications de vapeur culinaire, de CVC et d'échangeur de chaleur.

Après avoir installé les moniteurs et le logiciel SaaS, l'entreprise alimentaire est en passe d'atteindre son objectif de réduction du gaspillage d'énergie et des émissions de CO2. Le recours à la société d'audit pour installer l'équipement de surveillance a également permis au transformateur d'enregistrer la taille, le type et la position des pièges afin qu'ils soient faciles à localiser en cas de défaillance. Le fabricant de produits alimentaires n'a plus besoin d'envoyer du personnel dans des endroits dangereux pour inspecter les pièges ; au lieu de cela, les moniteurs sans fil maintiennent à jour les opérations et la maintenance de tous les purgeurs de vapeur de l'installation, évitant les inspections manuelles et assurant la sécurité des travailleurs.

Une étude complète de la vapeur d'une installation doit inclure une évaluation des éléments suivants :

Une inspection physique des systèmes de vapeur et de condensat de vapeur doit être une tâche de routine pour le personnel de maintenance de l'installation. Une inspection visuelle extérieure du système et du fonctionnement peut révéler les problèmes suivants : joints d'étanchéité qui fuient, joints d'étanchéité de tige de soupape qui fuient, siphons ouverts bloqués, intégrité de la tuyauterie, fonctionnement anormal de la chaudière, points de vidange laissés ouverts, défauts de traitement chimique et modifications incorrectes du système.

L'examen de la conception technique du système et l'inspection visuelle doivent également examiner la conception de l'application, l'utilisation appropriée de l'équipement à vapeur et la conception du système de tuyauterie.

Les points de perte typiques dans la vapeur et le condensat de vapeur comprennent les éléments suivants :

Les installations alimentaires plus anciennes qui ont connu une multitude d'agrandissements, de modernisations d'installations et d'expansions de lignes peuvent présenter des défis uniques dans les enquêtes sur le système. Parfois, la conception technique n'est pas disponible pour l'ensemble du système ou n'est pas à jour. C'est un effort valable de maintenir le bilan de masse et d'énergie du système et les dessins du système pour refléter l'état actuel de l'installation.

—Jonathan Clark, PE, ingénieur mécanique, CRB

Les lignes de retour de condensat vous permettent de réutiliser l'eau que vous avez déjà traitée. Mais ces lignes peuvent être problématiques et peuvent gaspiller de l'énergie en fonction de leur emplacement et de la distance jusqu'au réservoir d'alimentation de la chaudière. Dans la plupart des usines aujourd'hui, ces conduites s'enroulent généralement dans l'espace interstitiel, ce qui signifie que le condensat devra être pompé vers le haut et parcourir une longue distance jusqu'au réservoir d'alimentation.

« L'exécution de services publics dans l'espace interstitiel est une tendance croissante dans la conception de nouvelles installations, mais elle présente des défis uniques dans la conception globale, car le condensat est généré à une altitude inférieure à la ligne de retour de condensat principale », explique Simkowski de Stellar. "L'équipement de traitement sur le plancher de traitement qui génère une quantité substantielle de condensat crée des opportunités pour générer des économies de coûts à long terme et augmenter l'efficacité globale de la chaudière. Une pompe est nécessaire pour surmonter la tête associée à la remontée du condensat dans l'espace interstitiel et connectée à la ligne de retour de condensat principale. "

"La tuyauterie de vapeur et de condensat de vapeur installée au-dessus des utilisateurs de vapeur peut présenter des défis pour renvoyer le condensat des utilisateurs vers le collecteur", explique Clark de CRB. "Une idée fausse courante qui peut être observée dans de nombreuses usines est qu'un purgeur de vapeur est tout ce qui est nécessaire dans une application de retour de colonne montante verticale. Ce n'est pas correct. Pour soulever le condensat de vapeur, un purgeur de pompe dédié à l'équipement doit être utilisé, ou si plusieurs utilisateurs dans une zone sont présents où le condensat peut s'écouler par gravité vers un récepteur commun, alors un système de retour de condensat partagé peut être installé dans cette zone."

"Étant donné que les conduites principales de retour de condensat sont généralement inclinées vers la chaudière, la gravité prendra le relais", ajoute Simkowski de Stellar. Le cas échéant, le condensat d'un équipement identique ou similaire peut souvent partager une pompe à condensat commune pour optimiser la conception. Le fonctionnement du système nécessite moins d'énergie avec cette solution. De plus, cette approche permet de minimiser la quantité de tuyauterie et d'équipements nécessaires et de réduire les coûts d'installation, générant ainsi des économies supplémentaires.

"Les applications de système de retour de condensat partagé nécessitent souvent un récepteur ouvert lorsque le condensat à plusieurs températures pénètre dans le récepteur", explique Clark. Le condensat dans ce scénario est souvent renvoyé par l'utilisation de pompes de retour électriques ou de pompes à pression motrice. Les pompes à pression motrice peuvent utiliser de la vapeur ou de l'air comprimé comme pression motrice pour renvoyer le condensat. Les pompes centrifuges électriques de retour de condensat ont plusieurs limites dans leur utilisation dans tout sauf les systèmes de vapeur à basse pression. Les fabricants de ces pompes détaillent ces limitations dans leurs bulletins d'application, mais les principales limitations sont la capacité de température maximale et le potentiel de cavitation. Le type de pompe de retour de condensat utilisé doit être soigneusement évalué en fonction des flux de condensat qui entreront dans le récepteur.

L'emplacement des chaudières par rapport aux utilisateurs de vapeur doit être maintenu aussi près que possible afin de réduire la tuyauterie globale du système, ajoute Clark. Les longs trajets de tuyauterie nécessitent plus de pièges à gouttes dans le réseau, ce qui entraîne de petites pertes de vapeur instantanée. Les pompes de retour de condensat motrices utilisant de la vapeur comme force motrice doivent fonctionner à la pression recommandée par le fabricant au-dessus de la pression du collecteur de retour sous pression pour minimiser le gaspillage de vapeur. Évitez de renvoyer les conduites de condensat piégées dans les collecteurs de retour pompés, ce qui peut entraîner des problèmes fonctionnels avec le purgeur.

"Clayton recommande de commencer les études d'efficacité en ciblant la chaudière elle-même", déclare James Adgey, ventes thermiques, Clayton Industries. "Une chaudière vieillissante ou mal conçue souffrant de pertes d'efficacité est un suspect majeur dans tout système de vapeur sous-performant, et les pertes de chaleur de l'enveloppe de la chaudière peuvent également y contribuer. Bien que différentes entreprises puissent utiliser des noms différents, Clayton appelle cette enquête un" profil de charge de vapeur ", qui prendra les données opérationnelles de votre installation et les convertira en un simple résumé de la performance de votre chaudière et aura une idée des zones de perte et d'amélioration potentielle. peut aussi être responsable », dit Adgey. Un examen des registres chimiques et du traitement serait également recommandé pour voir s'il y a des problèmes potentiels d'entartrage.

"La purge de la chaudière est une caractéristique opérationnelle nécessaire de toute chaudière allumée", déclare Clark de CRB. L'optimisation du traitement chimique et l'entretien de la chaudière ont un impact direct sur la fréquence de vidange de la chaudière. Les entreprises de traitement de l'eau spécialisées dans le traitement des chaudières peuvent évaluer le système d'eau pour le plan de traitement chimique optimal afin de réduire la purge au minimum possible tout en réduisant l'encrassement de la chaudière.

En général, placer les générateurs de vapeur plus près du point d'application est une excellente idée dans n'importe quelle installation, car une longueur de tuyau plus courte contribue à moins de pertes et à une installation moins chère, ainsi qu'à l'avantage supplémentaire d'une attente réduite pour commencer la production par le simple fait que la vapeur a une distance plus courte à parcourir, explique Clayton's Adgey. "Votre installation peut même être adaptée pour placer de petits générateurs dans votre usine aux points d'utilisation, au lieu de les garder tous dans un emplacement centralisé, mais cela serait circonstanciel."

"Dans toute installation, le système de vapeur doit répondre aux exigences des parties 141, 142 et 143 du 21CFR173.310 et du 40CFR pour l'injection directe dans les aliments destinés à la consommation humaine", déclare Clark. Si les chaudières existantes ou les chaudières prévues ne répondent pas à ces exigences, une évaluation du capital de la modernisation d'un système existant à usage alimentaire ou de l'installation d'une chaudière dédiée à la sécurité alimentaire pour l'application doit être effectuée.

La vapeur hygiénique, ou propre, est généralement produite soit avec un générateur de vapeur électrique hygiénique, soit avec un échangeur de chaleur vapeur-vapeur si les caractéristiques de fonctionnement du système le permettent, ajoute Clark. Dans l'un ou l'autre scénario, une évaluation des coûts d'investissement et d'exploitation des deux systèmes doit être effectuée pour faciliter la décision du type à utiliser.

« En ce qui concerne une installation culinaire, l'utilisation de la vapeur utilitaire dans toutes les situations où votre vapeur n'entre pas en contact direct avec votre produit est toujours une bonne option, étant donné que la vapeur utilitaire ne nécessite pas le même niveau de traitement chimique et de filtration, et est donc plus rentable à produire », explique Adgey. "Cependant, selon la taille et le niveau de production de votre installation, il faudrait déterminer s'il vaut la peine de produire deux qualités de vapeur distinctes ou d'inclure un générateur de vapeur à vapeur."

Combustible électrique ou fossile pour les chaudières à vapeur ?

Alors que le gaz naturel reste le choix prédominant pour les chaudières à vapeur et les générateurs, les générateurs de vapeur électriques semblent présenter plusieurs avantages par rapport au gaz naturel. Par exemple, ils n'ont aucun dégagement de CO2 ou d'autres gaz (empreinte carbone nulle), atteignent une efficacité de conversion de près de 100 %, nécessitent un entretien minimal car ils ont beaucoup moins de pièces et d'équipements associés (par exemple, des soufflantes) à entretenir et auraient apparemment moins de temps d'arrêt.

Dans un livre blanc de Chromalox intitulé « Faites l'expérience d'un coût total de possession inférieur avec un générateur de vapeur électrique », l'auteur compare le coût relatif de possession d'une chaudière de 10 MBtu/h (2 931 kW) alimentée par l'électricité, le gaz naturel et le mazout. Bien qu'il n'ait pas indiqué le tarif de l'électricité utilisé à des fins de comparaison, il a suggéré que le coût de l'électricité serait le double de celui du gaz naturel comparable, mais que le coût total de possession (TCO) serait inférieur à la moitié de celui d'une chaudière à vapeur au gaz naturel. et compte tenu d'une durée de vie de 20 ans, la chaudière électrique aurait toujours un TCO inférieur à la moitié du gaz naturel.

Bien sûr, sans comparer les tarifs énergétiques réels, ces TCO pourraient être une cible mouvante sur les marchés de l'énergie d'aujourd'hui. Avec la montée en flèche des tarifs du gaz naturel et du pétrole, les services publics d'électricité sont tenus de répercuter ces coûts. Bien que la comparaison du coût total de possession de l'auteur sur 20 ans soit encore inférieure pour l'électricité, quel est le coût réel du fonctionnement du service haute tension à l'emplacement de la chaudière, en particulier si le service haute tension n'est pas disponible ? De plus, lorsque le courant est coupé, la chaudière à vapeur électrique est hors service.

"Les transformateurs devraient évaluer leur équipement existant pour déterminer s'il est exploité efficacement", déclare Clark. "Vérifiez que les points de consigne du système n'ont pas été modifiés pour tenir compte des mauvaises pratiques de maintenance ou des inefficacités opérationnelles. Évaluez les coûts opérationnels à long terme de la réduction de la vapeur instantanée aux besoins en capital initiaux de l'équipement ajouté. Si une analyse comparative n'a pas été fournie, demandez-en une pour vous aider dans l'analyse de rentabilisation des améliorations des immobilisations. "

Les usines devraient intégrer un programme de maintenance préventive ou prédictive pour leurs systèmes de vapeur, déclare Simkowski de Stellar. Lorsque les composants du système (pièges, vannes, condenseurs, échangeurs de chaleur et serpentins, pour n'en nommer que quelques-uns) ne fonctionnent pas correctement, la fiabilité et l'efficacité du système sont réduites.

Dans le cas d'une nouvelle installation, investissez dans un équipement à haut rendement avec un dossier de qualité éprouvé, dit Adgey. Bien que cela représente un coût initial plus élevé, un système avec un taux d'efficacité même légèrement supérieur non seulement minimise vos pertes, mais peut également fournir un retour sur investissement plusieurs fois supérieur à votre coût d'installation, parfois au cours de la seule première année. Pour être sûr de la qualité d'un produit, demandez à vos fournisseurs de fournir une ventilation réelle de son efficacité et de son retour sur investissement potentiel, adaptée aux besoins de votre usine. Ne vous contentez pas d'une description vague et idéalisée, car votre plante sera tout sauf cela.

"Un dernier point à considérer est l'isolation", explique Adgey. Les conduites de vapeur et les échangeurs de chaleur peuvent être problématiques en ce qui concerne la perte de chaleur rayonnante, il est donc toujours recommandé de garder vos lignes isolées, ainsi que de vérifier la régularité des zones qui doivent être remplacées.

"Qu'est-ce que la spécification LoRaWAN", LoRa Alliance, https://lora-alliance.org/about-lorawan

"Faites l'expérience d'un coût total de possession inférieur avec un générateur de vapeur électrique", Mark Wheeler, directeur des systèmes et des services, Chromalox Inc. (2 mars 2020).

"Faire avancer la stérilisation des aliments secs à toute vapeur", FE, "R&D en ingénierie", 13 mai 2013

"Envisagez les réseaux sans fil cellulaires pour les systèmes IIoT d'aujourd'hui", FE, 28 septembre 2022