Ένα χημικό εργοστάσιο παρακολούθησε την κατανάλωση ενέργειας ενός θερμαντήρα εμβάπτισης PTFE 5 kW για δώδεκα μήνες. Η θερμάστρα αφαλατώνονταν κάθε τρίμηνο. Τα ενεργειακά δεδομένα έδειξαν ένα σαφές μοτίβο: η κατανάλωση αυξανόταν σταθερά μεταξύ των καθαρισμών και στη συνέχεια έπεφτε απότομα μετά από κάθε αφαλάτωση. Η μέση κατανάλωση ενέργειας κατά τη διάρκεια του έτους ήταν 12% υψηλότερη από την αρχική τιμή καθαρού-θηκάριου. Το στρώμα ρύπανσης, όχι ο ίδιος ο θερμαντήρας, ευθύνεται για την αύξηση.
Η ρύπανση του περιβλήματος είναι η συσσώρευση εναποθέσεων στην επιφάνεια θέρμανσης. Τα κοιτάσματα μπορεί να είναι ορυκτά άλατα, υδροξείδια μετάλλων, οργανικά υπολείμματα ή συνδυασμός. Όλα τα στρώματα ρύπανσης έχουν χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα από το PTFE, επομένως προσθέτουν θερμική αντίσταση μεταξύ της θήκης και του ρευστού διεργασίας. Ο θερμαντήρας πρέπει να λειτουργεί πιο ζεστός για να παρέχει την ίδια θερμότητα και η υψηλότερη θερμοκρασία αυξάνει τις απώλειες ενέργειας.
Η θερμική αντίσταση ενός στρώματος ρύπανσης
Ένα στρώμα ρύπανσης προσθέτει αντίσταση σε σειρά με το περίβλημα PTFE και το μετααγωγικό οριακό στρώμα. Η συνολική θερμική αντίσταση καθορίζει το διάκενο της θήκης-σε-μεγάλη θερμοκρασία. Για μια δεδομένη ροή θερμότητας, υψηλότερη συνολική αντίσταση σημαίνει υψηλότερη θερμοκρασία περιβλήματος.
Η θερμική αγωγιμότητα ενός στρώματος ρύπανσης εξαρτάται από τη σύνθεση και το πορώδες του. Η κλίμακα ανθρακικού ασβεστίου έχει θερμική αγωγιμότητα 0,5–2,0 W/m·K. Οι εναποθέσεις υδροξειδίου μετάλλου είναι χαμηλότερες, στην περιοχή 0,2–0,5 W/m·K. Τα οργανικά υπολείμματα είναι τα χαμηλότερα, συχνά κάτω από 0,2 W/m·K. Ένα στρώμα 1 mm οποιασδήποτε από αυτές τις εναποθέσεις προσθέτει σημαντική αντίσταση.
| Τύπος ρύπανσης | Θερμική αγωγιμότητα | Αντίσταση 1 mm | Θήκη ΔT Αύξηση κατά 1,0 W/cm² | Απώλεια Ενέργειας |
|---|---|---|---|---|
| Ανθρακικό ασβέστιο | 1.0–2.0 W/m·K | Χαμηλή – Μέτρια | 5-10 μοίρες | 5–10% |
| Θειικό ασβέστιο | 0.8–1.5 W/m·K | Μέτριος | 7-12 βαθμοί | 7–12% |
| Υδροξείδιο μετάλλου | 0.2–0.5 W/m·K | Ψηλά | 20-50 μοίρες | 15–25% |
| Οργανικό υπόλειμμα | <0.2 W/m·K | Πολύ ψηλά | 50-100 μοίρες | 20–35% |
| Μικτή κατάθεση | 0.3–1.0 W/m·K | Μέτρια – Υψηλή | 10-30 μοίρες | 10–20% |
Θερμική αντίσταση και απώλεια ενέργειας κατά τύπο ρύπανσης
Γιατί η ρύπανση αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας
Η ενέργεια που καταναλώνει ο θερμαντήρας είναι το άθροισμα της χρήσιμης θερμότητας που παραδίδεται στο λουτρό και των απωλειών. Η ωφέλιμη θερμότητα καθορίζεται από το φορτίο της διεργασίας και είναι ανεξάρτητη από τη ρύπανση. Οι απώλειες αυξάνονται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του περιβλήματος.
Οι απώλειες συμβαίνουν μέσω του περιβλήματος του τερματικού, της φλάντζας και των τοιχωμάτων της δεξαμενής. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του περιβλήματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του θερμαντήρα και του περιβάλλοντος και τόσο μεγαλύτερες είναι οι απώλειες. Ένας θερμαντήρας που λειτουργεί 20 βαθμούς πιο ζεστός από τον καθαρό μπορεί να χάσει 10-15% περισσότερη ενέργεια μέσω αυτών των οδών.
Ο θερμαντήρας λειτουργεί επίσης περισσότερο για να διατηρεί το σημείο ρύθμισης. Ο ελεγκτής βλέπει τη θερμοκρασία του μπάνιου να πέφτει ή να μην φτάνει στο σημείο ρύθμισης και διατηρεί τη θερμάστρα ενεργοποιημένη. Ο συνδυασμός υψηλότερων απωλειών και μεγαλύτερου χρόνου λειτουργίας αυξάνει τη συνολική κατανάλωση ενέργειας.
Η σύνθετη επίδραση της ρύπανσης με την πάροδο του χρόνου
Η ρύπανση συσσωρεύεται σταδιακά. Ένα λεπτό στρώμα έχει μικρή επίδραση στη μεταφορά θερμότητας. Αλλά καθώς το στρώμα πυκνώνει, η θερμοκρασία του περιβλήματος αυξάνεται, γεγονός που επιταχύνει την περαιτέρω εναπόθεση. Η διαδικασία είναι αυτο-ενισχυόμενη.
Η κατανάλωση ενέργειας ακολουθεί το ίδιο μοτίβο. Στην αρχή ανεβαίνει αργά και στη συνέχεια επιταχύνεται καθώς πυκνώνει το στρώμα ρύπανσης. Ένας θερμαντήρας που αφαιρείται αλάτων ανά τρίμηνο μπορεί να παρουσιάσει αύξηση ενέργειας 5% τον πρώτο μήνα, 10% τον δεύτερο και 15–20% τον τρίτο. Ο μέσος όρος του τριμήνου είναι 10–12% πάνω από τη βασική τιμή.
| Χρόνος από την αφαίρεση αλάτων | Πάχος ρύπανσης | Θήκη ΔT Αύξηση | Σχετική Κατανάλωση Ενέργειας |
|---|---|---|---|
| 0 εβδομάδες (καθαρό) | 0 mm | Βασική γραμμή | 1.00× |
| 2 εβδομάδες | 0,2–0,4 χλστ | 3-6 βαθμοί | 1.03–1.06× |
| 4 εβδομάδες | 0,4–0,8 χλστ | 6-12 βαθμοί | 1.06–1.12× |
| 8 εβδομάδες | 0,8–1,5 χλστ | 12-20 μοίρες | 1.12–1.20× |
| 12 εβδομάδες | 1,5–2,5 mm | 20–35 μοίρες | 1.20–1.35× |
| 16+ εβδομάδες | >2,5 χλστ | >35 μοίρες | >1.35× |
Η κατανάλωση ενέργειας αυξάνεται καθώς συσσωρεύονται ρύπες μεταξύ των καθαρισμών
Το κόστος της ρύπανσης-Σχετικά απόβλητα ενέργειας
Το κόστος της σπατάλης ενέργειας εξαρτάται από την ισχύ του θερμαντήρα, τις ώρες λειτουργίας και την τιμή ηλεκτρικής ενέργειας. Για έναν θερμαντήρα 5 kW που λειτουργεί 6.000 ώρες ετησίως με 0,10 $ ανά kWh, το κόστος καθαρής-ενέργειας του θερμαντήρα είναι 3.000 $. Μια μέση αύξηση 12% από το ρυπαντικό προσθέτει $360 ετησίως.
Σε ένα εργοστάσιο με 20 θερμαντήρες, τα ενεργειακά απόβλητα που σχετίζονται με τη ρύπανση-μπορούν να ανέλθουν σε 7.200 $ ετησίως. Αυτό είναι περισσότερο από το κόστος ενός προγράμματος προληπτικής συντήρησης που διατηρεί τις θερμάστρες καθαρές.
| Ισχύς θερμαντήρα | Ετήσιες ώρες | Κόστος Καθαρής Ενέργειας | 10% Κόστος ρύπανσης | 15% Κόστος ρύπανσης | Ετήσια Απόβλητα |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Ετήσιο κόστος ενέργειας και σπατάλη ανά ισχύ θερμαντήρα και επίπεδο ρύπανσης
Μείωση της ρύπανσης-Σχετική ενεργειακή σπατάλη
Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη μείωση της σπατάλης ενέργειας που σχετίζεται με τη ρύπανση-είναι η αφαίρεση αλάτων πριν γίνει παχύ το στρώμα ρύπανσης. Ένα τριμηνιαίο πρόγραμμα αφαλάτωσης διατηρεί το μέσο επίπεδο ρύπανσης κάτω από 1 mm και την αύξηση της ενέργειας κάτω από 10%. Ένα μηνιαίο πρόγραμμα αφαλάτωσης διατηρεί την αύξηση της ενέργειας κάτω από 5%, αλλά αυξάνει το κόστος εργασίας και χρόνου διακοπής λειτουργίας.
Η μείωση της πυκνότητας watt μειώνει τη θερμοκρασία του περιβλήματος και επιβραδύνει τον ρυθμό ρύπανσης. Ένας θερμαντήρας που λειτουργεί στα 0,9 W/cm² συσσωρεύει άλατα πιο αργά από έναν στα 1,4 W/cm², επεκτείνοντας το διάστημα μεταξύ των καθαρισμών και μειώνοντας τη μέση σπατάλη ενέργειας.
Η βελτίωση της ροής στην επιφάνεια του περιβλήματος μειώνει το πάχος του οριακού στρώματος και τη θερμοκρασία του περιβλήματος. Ένας εξαγωγέας ή ένας σωλήνας ψεκασμού που κατευθύνεται στον θερμαντήρα μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία του περιβλήματος κατά 10–15 βαθμούς, γεγονός που επιβραδύνει τη ρύπανση και μειώνει τη σπατάλη ενέργειας.
Όταν η ρύπανση-Σχετικά απόβλητα ενέργειας σηματοδοτεί ένα πρόβλημα προδιαγραφών
Η επαναλαμβανόμενη ρύπανση και η σπατάλη ενέργειας στην ίδια δεξαμενή υποδεικνύουν ότι ο θερμαντήρας λειτουργεί σε πυκνότητα watt που είναι πολύ υψηλή για τη χημεία και τις συνθήκες ροής. Μια προσαρμοσμένη διαμόρφωση θερμαντήρα εμβάπτισης PTFE με χαμηλή πυκνότητα watt, μεγάλη επιφάνεια και βελτιωμένη πρόσβαση ροής μειώνει τη ρύπανση και τη σχετική σπατάλη ενέργειας. Η διαδικασία προδιαγραφής απαιτεί τη χημεία του μπάνιου, τη θερμοκρασία λειτουργίας, τη σκληρότητα του νερού και την απαιτούμενη ισχύ.
