Kemijska tvornica pratila je potrošnju energije PTFE uronjenog grijača od 5 kW tijekom dvanaest mjeseci. Grijač je uklonjen kamencem svakog kvartala. Podaci o energiji pokazali su jasan obrazac: potrošnja je postojano rasla između čišćenja, a zatim je naglo pala nakon svakog uklanjanja kamenca. Prosječna potrošnja energije tijekom godine bila je 12% veća od osnovne vrijednosti za čisti-oklop. Za povećanje je odgovoran sloj onečišćenja, a ne sam grijač.
Zaprljanje plašta je nakupljanje naslaga na grijaćoj površini. Naslage mogu biti mineralni kamenac, metalni hidroksidi, organski ostaci ili kombinacija. Svi slojevi zaprljanja imaju nižu toplinsku vodljivost od PTFE-a, pa dodaju toplinski otpor između plašta i procesne tekućine. Grijač mora biti topliji kako bi isporučio istu toplinu, a viša temperatura povećava gubitke energije.
Toplinska otpornost obraštajućeg sloja
Zaprljani sloj dodaje otpor u nizu s PTFE omotačem i konvektivnim graničnim slojem. Ukupni toplinski otpor određuje temperaturni jaz-i-zapremine. Za određeni toplinski tok, veći ukupni otpor znači višu temperaturu plašta.
Toplinska vodljivost obraštajućeg sloja ovisi o njegovom sastavu i poroznosti. Kamenac kalcijevog karbonata ima toplinsku vodljivost od 0,5–2,0 W/m·K. Naslage metalnog hidroksida su niže, u rasponu od 0,2–0,5 W/m·K. Organski ostaci su najniži, često ispod 0,2 W/m·K. Sloj od 1 mm bilo koje od ovih naslaga dodaje značajnu otpornost.
| Vrsta obraštanja | Toplinska vodljivost | 1 mm Otpor | Plašt ΔT Povećanje na 1,0 W/cm² | Gubitak energije |
|---|---|---|---|---|
| Kalcijev karbonat | 1.0–2.0 W/m·K | Nisko–umjereno | 5-10 stupnjeva | 5–10% |
| Kalcijev sulfat | 0.8–1.5 W/m·K | Umjereno | 7-12 stupnjeva | 7–12% |
| Metalni hidroksid | 0.2–0.5 W/m·K | visoko | 20-50 stupnjeva | 15–25% |
| Organski ostatak | <0.2 W/m·K | Vrlo visoko | 50-100 stupnjeva | 20–35% |
| Mješoviti depozit | 0.3–1.0 W/m·K | Umjereno–Visoko | 10-30 stupnjeva | 10–20% |
Toplinska otpornost i gubitak energije prema vrsti onečišćenja
Zašto obraštanje povećava potrošnju energije
Energija koju troši grijač je zbroj korisne topline predane kadi i gubitaka. Korisna toplina određena je procesnim opterećenjem i neovisna je o onečišćenju. Gubici se povećavaju kako temperatura plašta raste.
Gubici nastaju kroz kućište terminala, prirubnicu i stijenke spremnika. Što je viša temperatura plašta, to je veća temperaturna razlika između grijača i okoline i veći su gubici. Grijač koji radi na 20 stupnjeva višoj temperaturi od čiste može izgubiti 10–15% više energije kroz ove puteve.
Grijač također radi dulje kako bi održao zadanu vrijednost. Regulator prati pad temperature kupelji ili nedostizanje zadane vrijednosti i održava grijač pod naponom. Kombinacija većih gubitaka i duljeg vremena rada povećava ukupnu potrošnju energije.
Složeni učinak obraštanja tijekom vremena
Obraštaj se postupno nakuplja. Tanak sloj malo utječe na prijenos topline. Ali kako se sloj zgušnjava, temperatura omotača raste, što ubrzava daljnje taloženje. Proces se sam-osnažuje.
Potrošnja energije slijedi isti obrazac. U početku se polako diže, a zatim ubrzava kako se sloj onečišćenja zgušnjava. Grijač s kojeg se uklanja kamenac kvartalno može pokazati povećanje energije od 5% u prvom mjesecu, 10% u drugom i 15-20% u trećem mjesecu. Prosjek u tromjesečju je 10-12% iznad osnovne vrijednosti.
| Vrijeme od uklanjanja kamenca | Debljina obraštanja | Plašt ΔT Povećanje | Relativna potrošnja energije |
|---|---|---|---|
| 0 tjedana (čisto) | 0 mm | Osnovna linija | 1.00× |
| 2 tjedna | 0,2–0,4 mm | 3-6 stupanj | 1.03–1.06× |
| 4 tjedna | 0,4–0,8 mm | 6-12 stupnjeva | 1.06–1.12× |
| 8 tjedana | 0,8–1,5 mm | 12-20 stupnjeva | 1.12–1.20× |
| 12 tjedana | 1,5–2,5 mm | 20-35 stupnjeva | 1.20–1.35× |
| 16+ tjedana | >2,5 mm | >35 stupnjeva | >1.35× |
Potrošnja energije se povećava jer se nečistoće nakupljaju između čišćenja
Trošak obraštanja{0}}vezan za rasipanje energije
Trošak potrošene energije ovisi o snazi grijača, radnim satima i cijeni električne energije. Za grijač od 5 kW koji radi 6000 sati godišnje po cijeni od 0,10 USD po kWh, trošak energije čistog-grijača iznosi 3000 USD. Prosječno povećanje od 12% od onečišćenja dodaje 360 USD godišnje.
U postrojenju s 20 grijača, rasipanje energije-povezano s onečišćenjem moglo bi iznositi 7200 USD godišnje. To je više od cijene programa preventivnog održavanja koji grijače održava čistima.
| Snaga grijača | Godišnje radno vrijeme | Cijena čiste energije | 10% troškova obraštanja | 15% troškova obraštanja | Godišnji otpad |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Godišnji trošak energije i otpad prema snazi grijača i razini onečišćenja
Smanjenje obraštanja-srodnog rasipanja energije
Najučinkovitiji način za smanjenje gubitka energije-povezanog s onečišćenjem je uklanjanje kamenca prije nego što sloj zaprljanja postane debeo. Tromjesečni raspored uklanjanja kamenca održava prosječnu razinu onečišćenja ispod 1 mm i povećanje energije ispod 10%. Mjesečni raspored uklanjanja kamenca zadržava povećanje energije ispod 5%, ali povećava troškove rada i zastoja.
Smanjenje gustoće vata smanjuje temperaturu plašta i usporava stopu onečišćenja. Grijač koji radi na 0,9 W/cm² nakuplja kamenac sporije nego onaj na 1,4 W/cm², produžujući interval između čišćenja i smanjujući prosječni gubitak energije.
Poboljšanje protoka na površini plašta smanjuje debljinu graničnog sloja i temperaturu plašta. Eduktor ili raspršivač usmjeren na grijač može smanjiti temperaturu plašta za 10-15 stupnjeva, što usporava onečišćenje i smanjuje gubitak energije.
Kada zaprljanje-povezano s gubitkom energije signalizira problem specifikacije
Ponovljeno onečišćenje i rasipanje energije u istom spremniku pokazuju da grijač radi na gustoći vata koja je previsoka za kemiju i uvjete protoka. Prilagođena konfiguracija PTFE uronjenog grijača s niskom gustoćom u vatima, velikom površinom i poboljšanim pristupom protoku smanjuje onečišćenje i povezano rasipanje energije. Proces specifikacije zahtijeva kemijski sastav kupke, radnu temperaturu, tvrdoću vode i potrebnu snagu u vatima.
