Kemična tovarna je spremljala porabo energije 5 kW potopnega grelnika iz PTFE v dvanajstih mesecih. Grelnik je bil odstranjen vodni kamen vsako četrtletje. Podatki o energiji so pokazali jasen vzorec: poraba med čiščenji je enakomerno naraščala, nato pa močno padla po vsakem odstranjevanju vodnega kamna. Povprečna poraba energije med letom je bila za 12 % višja od izhodišča za čisti-ohišje. Za povečanje je bila odgovorna plast umazanije in ne sam grelec.
Obraščanje plašča je nabiranje usedlin na grelni površini. Usedline so lahko mineralni kamen, kovinski hidroksidi, organski ostanki ali kombinacija. Vse plasti za obraščanje imajo nižjo toplotno prevodnost kot PTFE, zato dodajo toplotni upor med plaščem in procesno tekočino. Grelec se mora bolj segreti, da zagotovi enako toploto, višja temperatura pa poveča izgube energije.
Toplotna odpornost sloja obraščanja
Plast obraščanja doda odpornost v seriji s PTFE plaščem in konvekcijsko mejno plastjo. Celotna toplotna upornost določa temperaturno vrzel med-ohišjem-. Za dani toplotni tok večji skupni upor pomeni višjo temperaturo plašča.
Toplotna prevodnost sloja obraščanja je odvisna od njegove sestave in poroznosti. Vodni kamen kalcijevega karbonata ima toplotno prevodnost 0,5–2,0 W/m·K. Obloge kovinskega hidroksida so nižje, v območju 0,2–0,5 W/m·K. Organski ostanki so najnižji, pogosto pod 0,2 W/m·K. 1 mm plast katere koli od teh usedlin doda znatno odpornost.
| Vrsta obraščanja | Toplotna prevodnost | 1 mm odpornost | Plašč ΔT Povečanje pri 1,0 W/cm² | Izguba energije |
|---|---|---|---|---|
| kalcijev karbonat | 1.0–2.0 W/m·K | Nizka–Zmerna | 5-10 stopinj | 5–10% |
| Kalcijev sulfat | 0.8–1.5 W/m·K | Zmerno | 7-12 stopinj | 7–12% |
| Kovinski hidroksid | 0.2–0.5 W/m·K | visoko | 20-50 stopinj | 15–25% |
| Organski ostanek | <0.2 W/m·K | Zelo visoko | 50-100 stopinj | 20–35% |
| Mešani depozit | 0.3–1.0 W/m·K | Zmerno–visoko | 10-30 stopinj | 10–20% |
Toplotna odpornost in izguba energije glede na vrsto obraščanja
Zakaj obraščanje poveča porabo energije
Energija, ki jo porabi grelnik, je vsota koristne toplote, dovedene v kopel, in izgub. Koristna toplota je določena s procesno obremenitvijo in ni odvisna od umazanije. Izgube se povečajo, ko se temperatura plašča dvigne.
Izgube nastanejo skozi ohišje terminala, prirobnico in stene rezervoarja. Višja kot je temperatura plašča, večja je temperaturna razlika med grelcem in okolico in večje so izgube. Grelnik, ki deluje za 20 stopinj bolj vroč kot čist, lahko izgubi 10–15 % več energije po teh poteh.
Grelec tudi deluje dlje, da ohrani nastavljeno vrednost. Krmilnik opazi, da temperatura kopeli pada ali ne doseže nastavljene vrednosti, in ohranja grelnik pod napetostjo. Kombinacija večjih izgub in daljšega časa delovanja poveča skupno porabo energije.
Sestavljeni učinek obraščanja skozi čas
Umazanije se kopičijo postopoma. Tanek sloj malo vpliva na prenos toplote. Ko se plast zgosti, se temperatura plašča dvigne, kar pospeši nadaljnje odlaganje. Proces se krepi sam-.
Poraba energije sledi istemu vzorcu. Sprva počasi narašča, nato pa pospešuje, ko se plast umazanije zgosti. Grelnik, ki ga vsako četrtletje odstranjujemo iz vodnega kamna, lahko pokaže 5-odstotno povečanje energije v prvem mesecu, 10-odstotno v drugem in 15–20-odstotno v tretjem mesecu. Povprečje v četrtletju je 10–12 % nad izhodiščem.
| Čas od odstranjevanja vodnega kamna | Debelina obraščanja | Plašč ΔT Povečanje | Relativna poraba energije |
|---|---|---|---|
| 0 tednov (čisto) | 0 mm | Izhodišče | 1.00× |
| 2 tedna | 0,2–0,4 mm | 3-6 stopinj | 1.03–1.06× |
| 4 tedne | 0,4–0,8 mm | 6-12 stopinj | 1.06–1.12× |
| 8 tednov | 0,8–1,5 mm | 12-20 stopinj | 1.12–1.20× |
| 12 tednov | 1,5–2,5 mm | 20-35 stopinj | 1.20–1.35× |
| 16+ tednov | >2,5 mm | >35 stopinj | >1.35× |
Poraba energije se poveča, ko se umazanija kopiči med čiščenji
Stroški obraščanja-povezane izgube energije
Cena izgubljene energije je odvisna od moči grelnika, delovnih ur in cene električne energije. Za grelnik s 5 kW, ki deluje 6000 ur na leto pri 0,10 USD na kWh, je strošek čiste-energije grelnika 3000 USD. Povprečno 12-odstotno povečanje zaradi obraščanja doda 360 USD na leto.
V obratu z 20 grelci bi lahko poraba energije,-povezana z umazanijo, znašala 7200 USD na leto. To je več kot strošek programa preventivnega vzdrževanja, ki ohranja grelnike čiste.
| Moč grelnika | Letne ure | Stroški čiste energije | 10 % stroškov obraščanja | 15 % stroškov obraščanja | Letni odpadki |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Letni stroški energije in odpadki glede na moč grelnika in stopnjo onesnaženja
Zmanjšanje izgube energije,-povezane z obraščanjem
Najučinkovitejši način za zmanjšanje izgube energije,-povezane z obraščanjem, je odstranjevanje vodnega kamna, preden plast umazanije postane debela. Četrtletni razpored odstranjevanja vodnega kamna ohranja povprečno raven umazanije pod 1 mm in povečanje energije pod 10 %. Mesečni urnik odstranjevanja vodnega kamna ohranja povečanje energije pod 5 %, vendar povečuje stroške dela in izpadov.
Zmanjšanje gostote vatov zmanjša temperaturo ovoja in upočasni stopnjo obraščanja. Grelec, ki deluje pri 0,9 W/cm², nabira vodni kamen počasneje kot grelnik pri 1,4 W/cm², kar podaljša interval med čiščenji in zmanjša povprečno izgubo energije.
Izboljšanje pretoka na površini plašča zmanjša debelino mejne plasti in temperaturo plašča. Eduktor ali razpršilna cev, usmerjena proti grelniku, lahko zniža temperaturo plašča za 10–15 stopinj, kar upočasni obraščanje in zmanjša izgubo energije.
Ko umazanija-povezana s potrato energije signalizira težavo s specifikacijo
Ponavljajoče se onesnaženje in izguba energije v istem rezervoarju kažeta, da grelec deluje pri gostoti v vatih, ki je previsoka za pogoje kemije in pretoka. Konfiguracija potopnega grelnika iz PTFE po meri z nizko vatno gostoto, veliko površino in izboljšanim dostopom do pretoka zmanjšuje onesnaženje in s tem povezano izgubo energije. Postopek specifikacije zahteva kemijo kopeli, delovno temperaturo, trdoto vode in zahtevano moč.
