私たちの仕事で「持続可能性」と聞くと、すぐにソーラーパネルや風力タービンが頭に浮かぶことがよくあります。しかし、化学工場、製油所、発電所などの重工業では、何十年もの間、静かに重労働をこなしてきたキットがあり、それが空冷熱交換器 (ACHE) です。単なる「ファンとフィンチューブのバンドル」としてごまかされているプレゼンテーションを私はあまりにも多く見てきましたが、これでは要点全体が抜け落ちています。本当の話は、その基本的な機能にあるわけではありません。それは、その固有の設計哲学がリソースを大量に消費する冷却をどのように阻止するかにあります。作動するために大量の水域は必要ありません。このたった 1 つの事実によって、特に水が不足している地域では、持続可能性の計算が完全に変わります。しかし、それは特効薬ではありません。私は、仕様やメンテナンスが不十分なユニットがエネルギーを大量に消費し、環境上の合理性を完全に損なう現場に行ってきました。では、どうすれば真に持続可能性を高めることができるのでしょうか?それは、直接的な影響と微妙で体系的な利点の組み合わせであり、成功と挫折の両方を経て、現場で見て初めて理解できるものです。
水の方程式: 単なる保全を超えたもの
最も明白な出発点は水の使用です。従来のシェルアンドチューブ熱交換器は、多くの場合、川、湖、または大規模な冷却塔回路からの連続的な冷却水の流れに依存しています。つまり、取水、スケールや生物付着を防ぐための化学処理、熱源への熱放出を意味します。 ACHE はそのループ全体を排除します。テキサス州の干ばつが起こりやすい地域でのガス処理プラントのプロジェクトを思い出します。クライアントの最初の設計では湿式冷却システムが必要でしたが、水を汲むことが許可されるのは悪夢でした。私たちはフィンファンクーラーバンクに軸足を移しました。初期費用は高くつきましたが、すぐに運用の自由が得られました。水利権の交渉や排出温度制限の監視はもう必要ありません。ここでの持続可能性の勝利は絶対的です。それにより、地域の水文学に対する産業のフットプリントがほぼゼロに削減されます。みたいなメーカーの場合 上海シェンリンM&Eテクノロジー株式会社のポートフォリオは https://www.shenglincoolers.com はこれらのテクノロジーを中心に構築されており、これは水危機を完全に回避する産業用冷却を提供するという、同社が設計する中核となる価値提案です。
ただし、「水ゼロ」という主張には若干の修飾語が必要です。空気が特に汚れている場合には、フィンチューブを洗浄するための小型の水洗システムがあるかもしれませんが、それは断続的であり、冷却塔が消費する量のほんの一部です。実際の操作上の微妙な違いは、ドライ操作を扱うことです。巨大な熱質量の水が除去されると、空気の比較的貧弱な熱容量が残ります。これにより、フィンによる表面積を最大化し、空気の流れを最適化するという、異なる種類の設計思考が強制されます。これは、材料とファンのエネルギー効率を最前線に押し上げるトレードオフであり、それが次の、それほど明白ではない持続可能性の層につながります。
エネルギーとファンのジレンマ
ここで会話がザラザラになります。批評家は、大型ファンを稼働させると大量の電力を消費することを正しく指摘しています。耳をつんざくようなファンの騒音がするユニットの前を通り過ぎたことがありますが、これはシステムが非効率であるか、チューブの汚れによってシステムが過剰に動作していることの確かな兆候です。持続可能性へのつながりは、そのエネルギー投入を管理する方法の詳細にあります。私のキャリアの初期には、どこでも標準の固定速度ファンを仕様化していました。シンプルで堅牢。しかし、その後は周囲の気温に左右されることになります。涼しい朝は冷えすぎてファンの電力を無駄に消費します。暑い午後には、空気を送り込むことができずにプロセスが停止する可能性があります。それは持続可能な運営とは言えません。
ファン モーターの可変周波数ドライブ (VFD) への移行は、ゲームチェンジャーでした。現在、ファン速度はプロセス出口温度または周囲条件に基づいて調整されます。ファンの消費電力は速度の 3 乗に比例します。速度を 20% 下げると、エネルギー使用量がほぼ半分になります。 VFD を追加すると、純粋に電力の節約だけで 2 年以内に回収できた改造プロジェクトを見てきました。これは、ACHE を受動的コンポーネントからアクティブに最適化されたコンポーネントに変える、実用的な運用上の持続可能性の向上です。メーカーもそれに追いつき、より軽量で空気力学に優れたファンブレードとより効率的なギアボックスを設計し、あらゆるパーセントポイントの効率を絞り出しました。
見落とされがちな間接的なエネルギー節約もあります。それは、水の汲み上げが不要であるということです。大規模な冷却水システムには、毎分数千ガロンを循環させるための大規模なポンプが必要です。これは一定の巨大な電気負荷であり、空冷システムでは存在しません。プラントのユーティリティ全体のバランスを考慮すると、特に穏やかな気候の地域では、ACHE の正味エネルギー状況が驚くほど良好になる可能性があります。
物質的な寿命とライフサイクルの考え方
持続可能性は運用上のインプットだけを意味するものではありません。それはハードウェアのライフサイクルに関係します。しっかりと構築された ACHE は、ブルータリズム的なインフラストラクチャです。炭素鋼フレーム内のフィン付きチューブであるコアバンドルは、基本的な手入れを行えば 25 ～ 30 年間使用できます。私は 80 年代のユニットを検査しましたが、チューブ内 (プロセス側) の環境は管理されており、外部フィンは腐食しやすいものの、多くの場合、アルミメッキ鋼板やその他の保護コーティングで作られているため、まだ使用されています。この長寿命により、頻繁な交換サイクルや、耐久性の低い機器に伴う製造時の排出が回避されます。
故障モードは有益です。チューブの漏れは、通常、フィンとチューブの接合部、またはチューブがヘッダー ボックスに転がり込む部分で発生します。修理は局所的に行われます。チューブを差し込むか、セクションを交換します。これをシェルアンドチューブ交換器と比較してください。大規模な漏れが発生すると、バンドル全体を引き抜くという大作業が必要になる可能性があります。修理可能であるため、資産の寿命が大幅に延長されます。以前、現場でクレーンの揺れによって束が破損したことがありました。 SHENGLIN のような経験豊富な企業に期待されるように、製造業者のチームは、それを廃棄する代わりに、損傷したベイを切り取って新しいモジュールを溶接することを提案しました。ユニットは数か月ではなく数週間でオンラインに戻りました。それが持続可能な資産運用です。
ただし、素材の選択は重要です。沿岸地域では、塩飛沫が炭素鋼のフレームを侵食する可能性があります。最初から溶融亜鉛メッキを指定すると、コストが 15% 増加しますが、予想される耐用年数が 2 倍になるプロジェクトを見てきました。この先行投資は持続可能性を直接決定するものであり、長期的な無駄や再建のためのリソースの使用を削減します。
システム統合と廃熱回収
ここでは、より高度な角度から、ACHE を熱を排除するためのエンドポイントとしてだけでなく、廃熱回収スキームの制御可能な要素として使用します。直観に反しているように思えますが、なぜもっと効率的に熱を遮断したいのでしょうか?鍵となるのは温度管理です。蒸気タービンを運転するには低品位すぎる廃熱を含むプロセスストリームがあるとしますが、給水の予熱や建物の熱にはそれを使用できるとします。唯一のクーラーが粗製の特大 ACHE である場合、その熱を利用する前にすべて大気中に放出してしまいます。
モダンなデザインにより、より洗練されたデザインが可能になります。バンドルをセクション (ベイと呼ばれることが多い) に分割し、ファンを個別に制御することで、出口温度を正確に制御できます。プロセスのニーズを満たすのに十分なだけストリームを冷却し、まだ温かいストリームを二次回収ループに流すことができます。私はセメント工場でのパイロット プロジェクトに参加し、まさにこれを実施しました。補助電力を生成する下流の有機ランキン サイクル (ORC) ユニットの最適温度を維持するために、変調 ACHE を使用しました。 ACHE はショーの主役ではありませんでしたが、その正確な制御性により、回復ループ全体が実行可能になりました。これにより、減算 (節水) による持続可能性ツールから、有効化 (エネルギー回収の促進) による持続可能性ツールに変わります。
これには、より高いレベルのシステム設計思考が必要です。既製のクーラーを購入するだけではありません。それを制御や他のプロセスユニットと統合します。これが機能すると、相乗効果によりプラント全体の熱効率が大幅に向上します。
実用的な課題とトレードオフ
頭痛について触れずにこれについて書くのは不誠実でしょう。空冷が常に正しい答えであるとは限りません。大きなものは周囲の気温です。中東の気温 45°C (113°F) の日には、冷却デルタ T が大幅に縮小します。はるかに大きな表面積が必要になります。これは、より多くの材料 (より多くのカーボンが組み込まれている)、より多くの敷地スペース、およびより大きなファンを意味します。場合によっては、ハイブリッド (ウェット/ドライ) システムが真に持続可能な最適なシステムとなり、最も暑い日に小さな蒸発セクションを使用して吸気口を冷却し、設置面積を大幅に削減します。私は、イデオロギー的な理由から 100% ドライ システムに固執した結果、ライフサイクル全体の評価においてスマート ハイブリッド設計よりも悪い、大きすぎて非効率なモンスターを生み出したプロジェクトを見てきました。
もう一つの現実世界の問題は、空気側の汚れです。ほこりの多い環境や肥料工場の近くでは、フィンがすぐに詰まります。気流が低下し、パフォーマンスが低下し、ファンのエネルギーが急増します。効果的な洗浄戦略が必要です。多くの場合、回転ノズルを備えた自動化されたオンライン洗浄システムが使用されます。これを無視すると、詰まったマトリックスに空気を押し込むためにユニットが電力を消費するため、持続可能性のメリットが蒸発してしまいます。これはエンジニアリングの問題であると同時に、メンテナンス文化の問題でもあります。
では、それらは持続可能性を高めるのでしょうか？絶対に、ただし条件付きで。これらは産業用冷却を水ストレスから切り離すための堅牢な経路を提供し、スマート制御を通じて大幅なエネルギー節約を実現します。その耐久性により、ライフサイクルの無駄が削減されます。ただし、強化は自動的には行われません。それは、適切なサイジング、材料の選択、ファン制御戦略などの思慮深い仕様と、献身的な運用保守によって実現されます。知識豊富なオペレーターの手と、専門家による確かなエンジニアリングに支えられた空冷式熱交換器は、単なるフィンの付いた配管以上のものになります。これは、回復力があり、資源を重視した産業プラントを構築するための基礎的なコンポーネントです。それが実際の現実であり、パンフレットの華やかな話とはかけ離れています。
