Zakład chemiczny monitorował zużycie energii przez grzałkę zanurzeniową z PTFE o mocy 5 kW w ciągu dwunastu miesięcy. Grzejnik był odkamieniany co kwartał. Dane dotyczące energii wykazały wyraźny wzór: zużycie stale rosło pomiędzy czyszczeniami, a następnie gwałtownie spadało po każdym odkamienianiu. Średnie zużycie energii w ciągu roku było o 12% wyższe niż w przypadku czystej-powłoki. Za wzrost odpowiedzialna była warstwa zanieczyszczeń, a nie sama nagrzewnica.
Zanieczyszczenie powłoki to nagromadzenie osadów na powierzchni grzewczej. Osady mogą składać się z kamienia mineralnego, wodorotlenków metali, pozostałości organicznych lub ich kombinacji. Wszystkie warstwy zanieczyszczeń mają niższą przewodność cieplną niż PTFE, dlatego zwiększają opór cieplny pomiędzy osłoną a płynem procesowym. Grzejnik musi pracować cieplej, aby dostarczyć to samo ciepło, a wyższa temperatura zwiększa straty energii.
Opór cieplny warstwy zanieczyszczającej
Warstwa zanieczyszczeń zwiększa opór szeregowo z osłoną PTFE i konwekcyjną warstwą graniczną. Całkowity opór cieplny określa różnicę temperatur-od-masy. Dla danego strumienia ciepła wyższy całkowity opór oznacza wyższą temperaturę płaszcza.
Przewodność cieplna warstwy zanieczyszczeń zależy od jej składu i porowatości. Skala węglanu wapnia ma przewodność cieplną 0,5–2,0 W/m·K. Niższe są osady wodorotlenków metali, mieszczące się w przedziale 0,2–0,5 W/m·K. Pozostałości organiczne są najniższe, często poniżej 0,2 W/m·K. Warstwa dowolnego z tych osadów o grubości 1 mm zwiększa znaczną odporność.
| Typ zanieczyszczania | Przewodność cieplna | Opór 1 mm | Zwiększenie ΔT powłoki przy 1,0 W/cm² | Strata energii |
|---|---|---|---|---|
| Węglan wapnia | 1.0–2.0 W/m·K | Niski – umiarkowany | 5–10 stopni | 5–10% |
| Siarczan wapnia | 0.8–1.5 W/m·K | Umiarkowany | 7–12 stopni | 7–12% |
| Wodorotlenek metalu | 0.2–0.5 W/m·K | Wysoki | 20–50 stopni | 15–25% |
| Pozostałość organiczna | <0.2 W/m·K | Bardzo wysoki | 50–100 stopni | 20–35% |
| Depozyt mieszany | 0.3–1.0 W/m·K | Umiarkowany – wysoki | 10–30 stopni | 10–20% |
Opór cieplny i straty energii w zależności od rodzaju zanieczyszczenia
Dlaczego zanieczyszczenie zwiększa zużycie energii
Energia zużywana przez grzejnik jest sumą ciepła użytecznego dostarczonego do kąpieli i strat. Ciepło użyteczne zależy od obciążenia procesu i jest niezależne od zanieczyszczeń. Straty rosną wraz ze wzrostem temperatury płaszcza.
Straty występują przez obudowę terminala, kołnierz i ściany zbiornika. Im wyższa temperatura płaszcza, tym większa różnica temperatur pomiędzy grzejnikiem a otoczeniem i tym większe straty. Grzejnik pracujący o 20 stopni wyżej niż czysty może stracić 10–15% więcej energii przez te ścieżki.
Nagrzewnica pracuje również dłużej, aby utrzymać nastawę. Sterownik widzi, że temperatura kąpieli spada lub nie osiąga wartości zadanej, i utrzymuje grzejnik pod napięciem. Połączenie wyższych strat i dłuższego czasu pracy zwiększa całkowite zużycie energii.
Złożony efekt zanieczyszczania w czasie
Zanieczyszczenia gromadzą się stopniowo. Cienka warstwa ma niewielki wpływ na przenoszenie ciepła. Jednak w miarę gęstnienia warstwy wzrasta temperatura powłoki, co przyspiesza dalsze osadzanie. Proces ten-samoistnie się wzmacnia.
Zużycie energii przebiega według tego samego schematu. Początkowo wznosi się powoli, a następnie przyspiesza w miarę gęstnienia warstwy zanieczyszczeń. Grzejnik odkamieniany co kwartał może wykazywać wzrost zużycia energii o 5% w pierwszym miesiącu, o 10% w drugim i 15–20% w trzecim. Średnia w kwartale wynosi 10–12% powyżej wartości wyjściowej.
| Czas od odkamieniania | Grubość zanieczyszczeń | Zwiększenie ΔT powłoki | Względne zużycie energii |
|---|---|---|---|
| 0 tygodni (czysty) | 0 mm | Linia bazowa | 1.00× |
| 2 tygodnie | 0,2–0,4 mm | 3–6 stopni | 1.03–1.06× |
| 4 tygodnie | 0,4–0,8 mm | 6–12 stopni | 1.06–1.12× |
| 8 tygodni | 0,8–1,5 mm | 12–20 stopni | 1.12–1.20× |
| 12 tygodni | 1,5–2,5 mm | 20–35 stopni | 1.20–1.35× |
| 16+ tygodni | >2,5 mm | >35 stopni | >1.35× |
Zwiększa się zużycie energii w miarę gromadzenia się zanieczyszczeń pomiędzy czyszczeniami
Koszt zanieczyszczania-Powiązane straty energii
Koszt zmarnowanej energii zależy od mocy grzejnika, godzin pracy i stawki za energię elektryczną. W przypadku grzejnika o mocy 5 kW pracującego 6000 godzin rocznie po cenie 0,10 dolara za kWh koszt czystej-energii grzewczej wynosi 3000 dolarów. Średni wzrost o 12% z powodu zanieczyszczania dodaje 360 dolarów rocznie.
W zakładzie wyposażonym w 20 grzejników straty energii związane z zarastaniem-mogą wynieść łącznie 7200 dolarów rocznie. To więcej niż koszt programu konserwacji zapobiegawczej, który utrzymuje grzejniki w czystości.
| Moc grzejnika | Roczne godziny | Koszt czystej energii | 10% Kosztu Zanieczyszczania | 15% kosztu zanieczyszczania | Roczne odpady |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 6,000 | $1,800 | $1,980 | $2,070 | $180–270 |
| 5 kW | 6,000 | $3,000 | $3,300 | $3,450 | $300–450 |
| 8 kW | 6,000 | $4,800 | $5,280 | $5,520 | $480–720 |
| 12 kW | 6,000 | $7,200 | $7,920 | $8,280 | $720–1,080 |
Roczny koszt energii i straty według mocy grzejnika i poziomu zanieczyszczenia
Ograniczanie zanieczyszczeń-Powiązane straty energii
Najskuteczniejszym sposobem ograniczenia strat energii związanych z zanieczyszczeniem-jest odkamienianie, zanim warstwa zanieczyszczeń stanie się gęsta. Kwartalny harmonogram odkamieniania utrzymuje średni poziom zanieczyszczeń poniżej 1 mm, a wzrost energii poniżej 10%. Miesięczny harmonogram odkamieniania utrzymuje wzrost zużycia energii poniżej 5%, ale zwiększa koszty robocizny i przestojów.
Obniżenie gęstości watów zmniejsza temperaturę powłoki i spowalnia tempo zanieczyszczania. Grzejnik pracujący przy 0,9 W/cm² gromadzi kamień wolniej niż grzejnik przy 1,4 W/cm², wydłużając okres między czyszczeniami i zmniejszając średnie straty energii.
Poprawa przepływu na powierzchni płaszcza zmniejsza grubość warstwy granicznej i temperaturę płaszcza. Eduktor lub rura bełkotliwa skierowana w stronę grzejnika może obniżyć temperaturę płaszcza o 10–15 stopni, co spowalnia osadzanie się zanieczyszczeń i zmniejsza straty energii.
Zanieczyszczenie-Powiązane straty energii sygnalizują problem ze specyfikacją
Powtarzające się zanieczyszczenia i straty energii w tym samym zbiorniku wskazują, że grzejnik pracuje przy gęstości watów, która jest zbyt wysoka w stosunku do warunków chemicznych i przepływu. Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE o niskiej gęstości watów, dużej powierzchni i lepszym dostępie przepływu zmniejsza zanieczyszczenie i związane z tym straty energii. Proces specyfikacji wymaga składu chemicznego kąpieli, temperatury roboczej, twardości wody i wymaganej mocy.
