Хімічний завод відстежував енергоспоживання занурювального нагрівача PTFE потужністю 5 кВт протягом дванадцяти місяців. Обігрівач очищали від накипу кожен квартал. Дані про енергоспоживання показали чітку закономірність: споживання неухильно зростало між очищеннями, а потім різко падало після кожного видалення накипу. Середнє споживання енергії за рік було на 12% вищим за базовий рівень чистої-оболонки. Відповідальним за збільшення був шар забруднення, а не сам нагрівач.
Забруднення оболонки - це накопичення відкладень на поверхні нагріву. Відкладення можуть бути мінеральними накипами, гідроксидами металів, органічними залишками або їх комбінацією. Усі шари забруднення мають нижчу теплопровідність, ніж PTFE, тому вони додають термічний опір між оболонкою та технологічною рідиною. Нагрівач повинен нагріватися, щоб забезпечити те саме тепло, а вища температура збільшує втрати енергії.
Термічний опір шару забруднення
Шар забруднення додає стійкість послідовно з оболонкою з ПТФЕ та конвективним граничним шаром. Загальний термічний опір визначає температурний зазор між-і-оболонкою. Для заданого теплового потоку вищий загальний опір означає вищу температуру оболонки.
Теплопровідність шару забруднення залежить від його складу та пористості. Накип карбонату кальцію має теплопровідність 0,5–2,0 Вт/м·К. Відкладення гідроксиду металу менші, в діапазоні 0,2–0,5 Вт/м·К. Органічні залишки є найнижчими, часто нижче 0,2 Вт/м·К. Шар 1 мм будь-якого з цих відкладень додає значний опір.
| Тип забруднення | Теплопровідність | 1 мм Опір | Збільшення ΔT оболонки на 1,0 Вт/см² | Втрата енергії |
|---|---|---|---|---|
| Карбонат кальцію | 1.0–2.0 W/m·K | Низький–Помірний | 5-10 град | 5–10% |
| Сульфат кальцію | 0.8–1.5 W/m·K | Помірний | 7-12 ступінь | 7–12% |
| Гідроксид металу | 0.2–0.5 W/m·K | Високий | 20-50 градусів | 15–25% |
| Органічні залишки | <0.2 W/m·K | Дуже високий | 50-100 градусів | 20–35% |
| Змішаний депозит | 0.3–1.0 W/m·K | Помірний–Високий | 10-30 градусів | 10–20% |
Термічний опір і втрати енергії за типом забруднення
Чому забруднення збільшує споживання енергії
Енергія, споживана нагрівачем, є сумою корисного тепла, що подається у ванну, і втрат. Корисне тепло визначається технологічним навантаженням і не залежить від забруднення. Втрати зростають із підвищенням температури оболонки.
Втрати відбуваються через корпус клеми, фланець і стінки бака. Чим вище температура оболонки, тим більше різниця температур нагрівача і навколишнього середовища і тим більше втрати. Обігрівач, який працює на 20 градусів вище, ніж чистий, може втратити на 10–15% більше енергії через ці шляхи.
Нагрівач також працює довше, щоб підтримувати задане значення. Контролер бачить, що температура ванни падає або не досягає встановленого значення, і підтримує нагрівач під напругою. Поєднання вищих втрат і тривалості роботи збільшує загальне споживання енергії.
Збільшувальний ефект забруднення з часом
Забруднення накопичуються поступово. Тонкий шар мало впливає на тепловіддачу. Але в міру потовщення шару температура оболонки підвищується, що прискорює подальше осадження. Процес само-посилюється.
Споживання енергії відбувається за тією ж схемою. Спочатку він піднімається повільно, потім прискорюється, коли шар забруднення потовщується. Обігрівач, який щоквартально очищається від накипу, може продемонструвати збільшення енергії на 5% за перший місяць, 10% за другий і 15–20% за третій. Середній показник за квартал на 10–12% вище базового.
| Час після видалення накипу | Товщина забруднень | Оболонка ΔT Збільшення | Відносне енергоспоживання |
|---|---|---|---|
| 0 тижнів (чистий) | 0 мм | Базовий рівень | 1.00× |
| 2 тижні | 0,2–0,4 мм | 3-6 ступінь | 1.03–1.06× |
| 4 тижні | 0,4–0,8 мм | 6-12 град | 1.06–1.12× |
| 8 тижнів | 0,8–1,5 мм | 12-20 градусів | 1.12–1.20× |
| 12 тижнів | 1,5–2,5 мм | 20-35 градусів | 1.20–1.35× |
| 16+ тижнів | >2,5 мм | >35 градусів | >1.35× |
Споживання енергії збільшується, оскільки забруднення накопичуються між очищеннями
Витрати на забруднення,-пов’язані з втратами енергії
Вартість витраченої енергії залежить від потужності обігрівача, годин роботи та тарифу на електроенергію. Для обігрівача потужністю 5 кВт, який працює 6000 годин на рік за 0,10 дол. США за кВт/год, вартість чистої-енергії нагрівача становить 3000 дол. Середнє збільшення від забруднення на 12% додає 360 доларів на рік.
На заводі з 20 обігрівачами витрати енергії,-пов’язані з забрудненнями, можуть становити 7200 доларів США на рік. Це більше, ніж вартість програми профілактичного обслуговування, яка підтримує чистоту обігрівачів.
| Потужність обігрівача | Річні години | Вартість чистої енергії | 10% вартості забруднення | 15% вартості забруднення | Річні відходи |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 кВт | 6,000 | $1,800 | $1,980 | $2,070 | $180–270 |
| 5 кВт | 6,000 | $3,000 | $3,300 | $3,450 | $300–450 |
| 8 кВт | 6,000 | $4,800 | $5,280 | $5,520 | $480–720 |
| 12 кВт | 6,000 | $7,200 | $7,920 | $8,280 | $720–1,080 |
Річна вартість енергії та відходи за потужністю нагрівача та рівнем забруднення
Зменшення втрат-енергетичних відкладень
Найефективніший спосіб зменшити витрати-енергії, пов’язані з забрудненням, — це видалення накипу до того, як шар забруднення стане товстим. Щоквартальний графік видалення накипу дозволяє підтримувати середній рівень забруднення нижче 1 мм, а збільшення енергії нижче 10%. Щомісячний графік видалення накипу зберігає збільшення енергії нижче 5%, але збільшує витрати на оплату праці та час простою.
Зменшення щільності ват зменшує температуру оболонки та сповільнює швидкість забруднення. Обігрівач, що працює на потужності 0,9 Вт/см², накопичує накип повільніше, ніж обігрівач із потужністю 1,4 Вт/см², подовжуючи інтервал між очищеннями та зменшуючи середні витрати енергії.
Покращення потоку на поверхні оболонки зменшує товщину прикордонного шару та температуру оболонки. Едуктор або розбризкувальна труба, спрямована на нагрівач, може знизити температуру оболонки на 10–15 градусів, що уповільнює забруднення та зменшує витрати енергії.
Коли забруднення-пов’язані з витратами енергії, сигналізують про проблему зі специфікацією
Повторне забруднення та витрати енергії в тому самому резервуарі вказують на те, що нагрівач працює з щільністю ват, яка є занадто високою для хімічного складу та умов потоку. Спеціальна конфігурація занурювального нагрівача з PTFE з низькою щільністю ват, великою площею поверхні та покращеним доступом до потоку зменшує забруднення та пов’язану з цим втрату енергії. Процес специфікації вимагає хімічного складу ванни, робочої температури, жорсткості води та необхідної потужності.
