Ķīmiskā rūpnīca divpadsmit mēnešu laikā izsekoja 5 kW PTFE iegremdējamā sildītāja enerģijas patēriņu. Sildītājs tika atkaļķots katru ceturksni. Enerģijas dati liecināja par skaidru modeli: patēriņš vienmērīgi pieauga starp tīrīšanas reizēm, pēc tam strauji samazinājās pēc katras atkaļķošanas reizes. Vidējais enerģijas patēriņš gada laikā bija par 12% lielāks nekā tīras{5}} apvalka bāzes līmenis. Piesārņojuma slānis, nevis pats sildītājs, bija atbildīgs par pieaugumu.
Apvalka piesārņojums ir nogulšņu uzkrāšanās uz apkures virsmas. Nogulsnes var būt minerālu nogulsnes, metālu hidroksīdi, organiskie atlikumi vai to kombinācija. Visiem piesārņojuma slāņiem ir zemāka siltumvadītspēja nekā PTFE, tāpēc tie palielina siltuma pretestību starp apvalku un procesa šķidrumu. Sildītājam ir jādarbojas karstāk, lai nodrošinātu tādu pašu siltumu, un augstāka temperatūra palielina enerģijas zudumus.
Piesārņojošā slāņa termiskā pretestība
Piesārņojuma slānis palielina pretestību virknē ar PTFE apvalku un konvektīvo robežslāni. Kopējā termiskā pretestība nosaka apvalka-līdz-temperatūras atstarpi. Noteiktai siltuma plūsmai lielāka kopējā pretestība nozīmē augstāku apvalka temperatūru.
Piesārņojuma slāņa siltumvadītspēja ir atkarīga no tā sastāva un porainības. Kalcija karbonāta skalas siltumvadītspēja ir 0,5–2,0 W/m·K. Metāla hidroksīda nogulsnes ir mazākas, diapazonā no 0,2–0,5 W/m·K. Organiskās atliekas ir vismazākās, bieži vien zem 0,2 W/m·K. 1 mm slānis jebkurai no šīm nogulsnēm rada ievērojamu pretestību.
| Piesārņojuma veids | Siltumvadītspēja | 1 mm pretestība | Apvalka ΔT pieaugums pie 1,0 W/cm² | Enerģijas zudums |
|---|---|---|---|---|
| Kalcija karbonāts | 1.0–2.0 W/m·K | Zems – mērens | 5-10 grādi | 5–10% |
| Kalcija sulfāts | 0.8–1.5 W/m·K | Mērens | 7-12 grādi | 7–12% |
| Metāla hidroksīds | 0.2–0.5 W/m·K | Augsts | 20-50 grādi | 15–25% |
| Organiskais atlikums | <0.2 W/m·K | Ļoti augsts | 50-100 grādi | 20–35% |
| Jauktais depozīts | 0.3–1.0 W/m·K | Vidēji – augsts | 10-30 grādi | 10–20% |
Termiskā pretestība un enerģijas zudumi atkarībā no piesārņojuma veida
Kāpēc piesārņojums palielina enerģijas patēriņu
Sildītāja patērētā enerģija ir vannai piegādātā lietderīgā siltuma un zudumu summa. Lietderīgo siltumu nosaka procesa slodze, un tas nav atkarīgs no piesārņojuma. Zudumi palielinās, paaugstinoties apvalka temperatūrai.
Zudumi rodas caur spaiļu korpusu, atloku un tvertnes sienām. Jo augstāka ir apvalka temperatūra, jo lielāka temperatūras starpība starp sildītāju un vidi, un jo lielāki ir zudumi. Sildītājs, kas darbojas par 20 grādiem karstāks nekā tīrs, pa šiem ceļiem var zaudēt par 10–15% vairāk enerģijas.
Sildītājs arī darbojas ilgāk, lai saglabātu uzdoto vērtību. Kontrolieris redz, ka vannas temperatūra pazeminās vai nesasniedz iestatīto vērtību, un uztur sildītāju ieslēgtu. Lielāku zudumu un ilgāka darbības laika kombinācija palielina kopējo enerģijas patēriņu.
Netīrumu sarežģītā ietekme laika gaitā
Netīrumi uzkrājas pakāpeniski. Plānam slānim ir maza ietekme uz siltuma pārnesi. Bet, slānim sabiezinot, paaugstinās apvalka temperatūra, kas paātrina turpmāku nogulsnēšanos. Process ir paš-pastiprinošs.
Enerģijas patēriņš notiek pēc tāda paša modeļa. Sākumā tas paceļas lēni, pēc tam paātrina, sabiezējot piesārņojuma slānim. Sildītājs, kas tiek atkaļķots reizi ceturksnī, var uzrādīt enerģijas pieaugumu par 5% pirmajā mēnesī, par 10% otrajā un par 15–20% trešajā mēnesī. Ceturkšņa vidējais rādītājs ir par 10–12% virs bāzes līmeņa.
| Laiks kopš atkaļķošanas | Netīrumu biezums | Apvalka ΔT palielinājums | Relatīvais enerģijas patēriņš |
|---|---|---|---|
| 0 nedēļas (tīra) | 0 mm | Pamatlīnija | 1.00× |
| 2 nedēļas | 0,2–0,4 mm | 3-6 grādi | 1.03–1.06× |
| 4 nedēļas | 0,4–0,8 mm | 6-12 grādi | 1.06–1.12× |
| 8 nedēļas | 0,8–1,5 mm | 12-20 grādi | 1.12–1.20× |
| 12 nedēļas | 1,5–2,5 mm | 20-35 grādi | 1.20–1.35× |
| 16+ nedēļas | >2,5 mm | >35 grādi | >1.35× |
Enerģijas patēriņš palielinās, jo starp tīrīšanas reizēm uzkrājas netīrumi
Izmaksas par piesārņojumu{0}}ar enerģijas atkritumiem
Iztērētās enerģijas izmaksas ir atkarīgas no sildītāja jaudas, darba stundām un elektroenerģijas tarifa. 5 kW sildītājam, kas darbojas 6000 stundas gadā par 0,10 ASV dolāriem par kWh, tīras -sildītāja enerģijas izmaksas ir 3000 ASV dolāru. Vidēji 12% pieaugums no piesārņojuma rada 360 USD gadā.
Iekārtā ar 20 sildītājiem ar piesārņojumu saistītie enerģijas atkritumi varētu sasniegt USD 7200 gadā. Tas ir vairāk nekā izmaksas par profilaktiskās apkopes programmu, kas uztur sildītājus tīrus.
| Sildītāja jauda | Gada stundas | Tīras enerģijas izmaksas | 10% piesārņojuma izmaksas | 15% piesārņojuma izmaksas | Gada atkritumi |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Ikgadējās enerģijas izmaksas un atkritumi pēc sildītāja jaudas un piesārņojuma līmeņa
Ar piesārņojumu{0}}saistīto enerģijas atkritumu samazināšana
Visefektīvākais veids, kā samazināt ar piesārņojumu saistītos{0}}enerģijas atkritumus, ir atkaļķot, pirms piesārņojuma slānis kļūst biezs. Ceturkšņa atkaļķošanas grafiks nodrošina vidējo piesārņojuma līmeni zem 1 mm un enerģijas pieaugumu zem 10%. Ikmēneša atkaļķošanas grafiks saglabā enerģijas pieaugumu zem 5%, bet palielina darbaspēka un dīkstāves izmaksas.
Vatu blīvuma samazināšana samazina apvalka temperatūru un palēnina piesārņojuma ātrumu. Sildītājs, kas darbojas ar jaudu 0,9 W/cm², uzkrāj katlakmens lēnāk nekā sildītājs ar jaudu 1,4 W/cm², pagarinot intervālu starp tīrīšanām un samazinot vidējo enerģijas izšķērdēšanu.
Plūsmas uzlabošana apvalka virsmā samazina robežslāņa biezumu un apvalka temperatūru. Uz sildītāju vērsta izplūdes caurule var samazināt apvalka temperatūru par 10–15 grādiem, kas palēnina piesārņojumu un samazina enerģijas izšķērdēšanu.
Ja piesārņojums{0}}par enerģijas izšķērdēšanu norāda specifikācijas problēmu
Atkārtota piesārņošana un enerģijas izšķiešana tajā pašā tvertnē norāda, ka sildītājs darbojas ar vatu blīvumu, kas ir pārāk augsts ķīmijas un plūsmas apstākļiem. Pielāgota PTFE iegremdējamā sildītāja konfigurācija ar zemu vatu blīvumu, lielu virsmas laukumu un uzlabotu piekļuvi plūsmai samazina piesārņojumu un ar to saistītos enerģijas atkritumus. Specifikācijas procesam ir nepieciešama vannas ķīmija, darba temperatūra, ūdens cietība un nepieciešamā jauda.
