Chemijos gamykla per dvylika mėnesių stebėjo 5 kW PTFE panardinamojo šildytuvo energijos suvartojimą. Kas ketvirtį šildytuvas buvo nukalkintas. Energijos duomenys parodė aiškų modelį: suvartojimas nuolat didėjo tarp valymo, o po kiekvieno nukalkinimo smarkiai sumažėjo. Vidutinis energijos suvartojimas per metus buvo 12 % didesnis nei švaraus apvalkalo{5}}bazinė vertė. Užteršimo sluoksnis, o ne pats šildytuvas, buvo atsakingas už padidėjimą.
Apvalkalo užsiteršimas – tai nuosėdų susikaupimas ant šildymo paviršiaus. Nuosėdos gali būti mineralinės nuosėdos, metalų hidroksidai, organinės liekanos arba jų derinys. Visų nešvarumų sluoksnių šilumos laidumas yra mažesnis nei PTFE, todėl jie padidina šiluminę varžą tarp apvalkalo ir proceso skysčio. Šildytuvas turi veikti karštiau, kad tiektų tą pačią šilumą, o aukštesnė temperatūra padidina energijos nuostolius.
Užteršimo sluoksnio šiluminė varža
Užteršimo sluoksnis padidina atsparumą nuosekliai su PTFE apvalkalu ir konvekciniu ribiniu sluoksniu. Bendra šiluminė varža lemia apvalkalo-ir-masės temperatūros skirtumą. Esant tam tikram šilumos srautui, didesnis bendras pasipriešinimas reiškia aukštesnę apvalkalo temperatūrą.
Užteršimo sluoksnio šilumos laidumas priklauso nuo jo sudėties ir poringumo. Kalcio karbonato skalės šilumos laidumas yra 0,5–2,0 W/m·K. Metalo hidroksido nuosėdos mažesnės – 0,2–0,5 W/m·K. Organinių likučių yra mažiausia, dažnai mažesnė nei 0,2 W/m·K. 1 mm sluoksnis bet kurios iš šių nuosėdų padidina atsparumą.
| Užteršimo tipas | Šilumos laidumas | 1 mm Atsparumas | Apvalkalo ΔT padidėjimas esant 1,0 W/cm² | Energijos praradimas |
|---|---|---|---|---|
| Kalcio karbonatas | 1.0–2.0 W/m·K | Žemas – Vidutinis | 5-10 laipsnių | 5–10% |
| Kalcio sulfatas | 0.8–1.5 W/m·K | Vidutinis | 7–12 laipsnių | 7–12% |
| Metalo hidroksidas | 0.2–0.5 W/m·K | Aukštas | 20-50 laipsnių | 15–25% |
| Organinės liekanos | <0.2 W/m·K | Labai aukštas | 50-100 laipsnių | 20–35% |
| Mišrus indėlis | 0.3–1.0 W/m·K | Vidutinis – didelis | 10-30 laipsnių | 10–20% |
Šiluminė varža ir energijos praradimas pagal užteršimo tipą
Kodėl užsiteršimas padidina energijos suvartojimą
Krosnelės suvartojama energija yra į vonią tiekiamos naudingosios šilumos ir nuostolių suma. Naudingą šilumą lemia proceso apkrova ir ji nepriklauso nuo užsiteršimo. Nuostoliai didėja didėjant apvalkalo temperatūrai.
Nuostoliai atsiranda per terminalo gaubtą, flanšą ir rezervuaro sieneles. Kuo aukštesnė apvalkalo temperatūra, tuo didesnis temperatūrų skirtumas tarp šildytuvo ir aplinkos, tuo didesni nuostoliai. Šildytuvas, veikiantis 20 laipsnių karščiau nei švarus, per šiuos kelius gali prarasti 10–15 % daugiau energijos.
Šildytuvas taip pat veikia ilgiau, kad išlaikytų nustatytą vertę. Valdiklis mato, kad vonios temperatūra nukrenta arba nepasiekia nustatytos vertės, ir palaiko šildytuvą įjungtą. Didesnių nuostolių ir ilgesnės veikimo trukmės derinys padidina bendrą energijos suvartojimą.
Sudėtingas nešvarumų poveikis laikui bėgant
Užteršimas kaupiasi palaipsniui. Plonas sluoksnis turi mažai įtakos šilumos perdavimui. Tačiau sluoksniui storėjant, pakyla apvalkalo temperatūra, o tai pagreitina tolesnį nusėdimą. Procesas yra savaime-sustiprinantis.
Energijos suvartojimas vyksta pagal tą patį modelį. Iš pradžių jis pakyla lėtai, o paskui greitėja, nes užteršimo sluoksnis storėja. Šildytuvas, kuris nukalkinamas kas ketvirtį, pirmąjį mėnesį gali padidinti energijos kiekį 5 %, antrąjį – 10 %, o trečią – 15–20 %. Ketvirčio vidurkis yra 10–12% didesnis už pradinį lygį.
| Laikas nuo kalkių pašalinimo | Užteršimo storis | Apvalkalo ΔT padidėjimas | Santykinis energijos suvartojimas |
|---|---|---|---|
| 0 savaičių (švarus) | 0 mm | Bazinė linija | 1.00× |
| 2 savaites | 0,2–0,4 mm | 3-6 laipsniai | 1.03–1.06× |
| 4 savaites | 0,4–0,8 mm | 6–12 laipsnių | 1.06–1.12× |
| 8 savaites | 0,8–1,5 mm | 12-20 laipsnių | 1.12–1.20× |
| 12 savaičių | 1,5–2,5 mm | 20-35 laipsnių | 1.20–1.35× |
| 16+ sav | >2,5 mm | >35 laipsnių | >1.35× |
Energijos sąnaudos didėja, nes tarp valymų kaupiasi nešvarumai
Su užteršimu{0}}susijusių energijos atliekų kaina
Iššvaistomos energijos kaina priklauso nuo šildytuvo galios, darbo valandų ir elektros tarifo. 5 kW šildytuvo, veikiančio 6 000 valandų per metus, už 0,10 USD už kWh, švarios-šildytuvo energijos kaina yra 3 000 USD. Vidutinis 12% padidėjimas dėl užsiteršimo prideda 360 USD per metus.
Gamykloje, kurioje yra 20 šildytuvų, su užterštumu{1}}susijusios energijos atliekos gali sudaryti 7 200 USD per metus. Tai daugiau nei kainuoja prevencinės priežiūros programa, kuri palaiko šildytuvus švarius.
| Šildytuvo galia | Metinės valandos | Švarios energijos kaina | 10% užteršimo išlaidų | 15% užteršimo kaina | Kasmetinės atliekos |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Metinės energijos sąnaudos ir atliekos pagal šildytuvo galingumą ir užterštumo lygį
Sumažinti su{0}}užteršimu susijusias energijos atliekas
Veiksmingiausias būdas sumažinti su užsiteršimu{0}}susijusius energijos švaistymą yra nukalkinti, kol užsiteršęs sluoksnis nepatirs. Ketvirčio nukalkinimo grafikas leidžia išlaikyti vidutinį užsiteršimo lygį žemiau 1 mm, o energijos padidėjimą žemiau 10%. Mėnesinis kalkių šalinimo grafikas sumažina energijos padidėjimą iki 5%, tačiau padidina darbo ir prastovų sąnaudas.
Sumažinus vatų tankį, sumažėja apvalkalo temperatūra ir sulėtėja užsiteršimo greitis. Šildytuvas, veikiantis 0,9 W/cm², kaupia apnašas lėčiau nei esant 1,4 W/cm², todėl pailgėja intervalas tarp valymo ir sumažėja vidutinis energijos švaistymas.
Geresnis srautas apvalkalo paviršiuje sumažina ribinio sluoksnio storį ir apvalkalo temperatūrą. Į šildytuvą nukreiptas siurblys arba pūtimo vamzdis gali sumažinti apvalkalo temperatūrą 10–15 laipsnių, o tai sulėtina užsiteršimą ir sumažina energijos švaistymą.
Kai užsiteršia{0}}susijusių energijos atliekų signalai, kyla specifikacijų problema
Pakartotinis užsiteršimas ir energijos švaistymas tame pačiame bakelyje rodo, kad šildytuvas veikia per dideliu vatų tankiu, atitinkančiu chemines ir srauto sąlygas. Pasirinktinė PTFE panardinamojo šildytuvo konfigūracija su mažu vatų tankiu, dideliu paviršiaus plotu ir geresne prieiga prie srauto sumažina užsiteršimą ir su tuo susijusį energijos švaistymą. Specifikacijos procesas reikalauja vonios chemijos, darbinės temperatūros, vandens kietumo ir reikiamos galios.
