Химический завод отслеживал потребление энергии погружным нагревателем из ПТФЭ мощностью 5 кВт в течение двенадцати месяцев. Нагреватель очищали от накипи каждый квартал. Данные по энергопотреблению показали четкую закономерность: потребление постоянно росло между чистками, а затем резко снижалось после каждой очистки от накипи. Среднее энергопотребление за год было на 12 % выше, чем базовый уровень чистой-оболочки. Причиной увеличения был слой загрязнения, а не сам нагреватель.
Загрязнение оболочки – это скопление отложений на поверхности нагрева. Отложения могут представлять собой минеральные отложения, гидроксиды металлов, органические остатки или их комбинацию. Все слои загрязнения имеют более низкую теплопроводность, чем ПТФЭ, поэтому они увеличивают тепловое сопротивление между оболочкой и технологической жидкостью. Чтобы обеспечить такое же количество тепла, нагреватель должен работать сильнее, а более высокая температура увеличивает потери энергии.
Термическое сопротивление слоя загрязнения
Слой загрязнения увеличивает сопротивление последовательно с оболочкой из ПТФЭ и конвективным пограничным слоем. Общее термическое сопротивление определяет температурный зазор между-оболочкой и-объемом. Для данного теплового потока более высокое общее сопротивление означает более высокую температуру оболочки.
Теплопроводность слоя загрязнения зависит от его состава и пористости. Окалина карбоната кальция имеет теплопроводность 0,5–2,0 Вт/м·К. Отложения гидроксидов металлов ниже, в пределах 0,2–0,5 Вт/м·К. Органические остатки самые низкие, часто ниже 0,2 Вт/м·К. Слой любого из этих отложений толщиной 1 мм добавляет значительное сопротивление.
| Тип загрязнения | Теплопроводность | Сопротивление 1 мм | Увеличение ΔT оболочки при 1,0 Вт/см² | Потеря энергии |
|---|---|---|---|---|
| Карбонат кальция | 1.0–2.0 W/m·K | Низкий – средний | 5–10 градусов | 5–10% |
| Сульфат кальция | 0.8–1.5 W/m·K | Умеренный | 7–12 градусов | 7–12% |
| Гидроксид металла | 0.2–0.5 W/m·K | Высокий | 20–50 градусов | 15–25% |
| Органический остаток | <0.2 W/m·K | Очень высокий | 50–100 градусов | 20–35% |
| Смешанный депозит | 0.3–1.0 W/m·K | Умеренный–высокий | 10–30 градусов | 10–20% |
Термическое сопротивление и потери энергии в зависимости от типа загрязнения
Почему загрязнение увеличивает потребление энергии
Энергия, потребляемая нагревателем, представляет собой сумму полезного тепла, отдаваемого ванне, и потерь. Полезное тепло определяется технологической нагрузкой и не зависит от загрязнения. Потери увеличиваются с ростом температуры оболочки.
Потери происходят через клеммную коробку, фланец и стенки резервуара. Чем выше температура оболочки, тем больше разница температур между нагревателем и окружающей средой и тем больше потери. Обогреватель, работающий на 20 градусов горячее, чем чистый, может потерять на 10–15% больше энергии по этим путям.
Нагреватель также работает дольше, чтобы поддерживать заданное значение. Контроллер видит, что температура ванны падает или не достигает заданного значения, и поддерживает питание нагревателя. Сочетание более высоких потерь и длительного времени работы увеличивает общее потребление энергии.
Усугубляющийся эффект загрязнения с течением времени
Загрязнения накапливаются постепенно. Тонкий слой мало влияет на теплообмен. Но по мере утолщения слоя температура оболочки повышается, что ускоряет дальнейшее осаждение. Этот процесс-самоусиливающийся.
Потребление энергии происходит по той же схеме. Сначала он поднимается медленно, затем ускоряется по мере утолщения слоя загрязнения. Нагреватель, очищаемый ежеквартально, может показать увеличение энергопотребления на 5% в первый месяц, на 10% во второй и на 15–20% в третий. Средний показатель за квартал на 10–12% выше базового уровня.
| Время с момента удаления накипи | Толщина загрязнения | Увеличение ΔT оболочки | Относительное энергопотребление |
|---|---|---|---|
| 0 недель (чисто) | 0 мм | Базовый уровень | 1.00× |
| 2 недели | 0,2–0,4 мм | 3–6 градусов | 1.03–1.06× |
| 4 недели | 0,4–0,8 мм | 6–12 градусов | 1.06–1.12× |
| 8 недель | 0,8–1,5 мм | 12–20 градусов | 1.12–1.20× |
| 12 недель | 1,5–2,5 мм | 20–35 градусов | 1.20–1.35× |
| 16+ недели | >2,5 мм | >35 градусов | >1.35× |
Потребление энергии увеличивается по мере накопления загрязнений между чистками.
Стоимость загрязнения,-связанного с энергетическими потерями
Стоимость потраченной энергии зависит от мощности обогревателя, часов работы и тарифа на электроэнергию. Для обогревателя мощностью 5 кВт, работающего 6000 часов в год по цене 0,10 доллара США за кВтч, затраты на чистую-энергию обогревателя составляют 3000 долларов США. Увеличение в среднем на 12% из-за загрязнения добавляет 360 долларов в год.
На заводе с 20 нагревателями затраты энергии,-связанные с загрязнением, могут составить 7200 долларов в год. Это больше, чем стоимость программы профилактического обслуживания, которая поддерживает чистоту обогревателей.
| Мощность нагревателя | Годовые часы | Стоимость чистой энергии | 10% стоимости загрязнения | 15% Стоимость загрязнения | Ежегодные отходы |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 кВт | 6,000 | $1,800 | $1,980 | $2,070 | $180–270 |
| 5 кВт | 6,000 | $3,000 | $3,300 | $3,450 | $300–450 |
| 8 кВт | 6,000 | $4,800 | $5,280 | $5,520 | $480–720 |
| 12 кВт | 6,000 | $7,200 | $7,920 | $8,280 | $720–1,080 |
Годовые затраты на электроэнергию и количество отходов в зависимости от мощности нагревателя и уровня загрязнения.
Снижение потерь энергии,-связанных с загрязнением
Самый эффективный способ сократить потери энергии,-связанные с загрязнением, — это удаление накипи до того, как слой загрязнения станет толстым. Ежеквартальный график удаления накипи позволяет поддерживать средний уровень загрязнения ниже 1 мм и увеличение энергии ниже 10%. Ежемесячный график удаления накипи удерживает увеличение энергопотребления на уровне ниже 5%, но увеличивает затраты на рабочую силу и время простоя.
Снижение удельной мощности снижает температуру оболочки и замедляет скорость загрязнения. Нагреватель с мощностью 0,9 Вт/см² накапливает накипь медленнее, чем нагреватель с мощностью 1,4 Вт/см², что увеличивает интервал между чистками и снижает средние потери энергии.
Улучшение течения на поверхности оболочки уменьшает толщину пограничного слоя и температуру оболочки. Эдуктор или барботажная трубка, направленная на нагреватель, может снизить температуру оболочки на 10–15 градусов, что замедляет загрязнение и снижает потери энергии.
Когда загрязнение-связанное с растратой энергии сигнализирует о проблеме со спецификациями
Повторяющееся загрязнение и потеря энергии в одном и том же резервуаре указывают на то, что нагреватель работает с плотностью ватт, которая слишком высока для данного химического состава и условий потока. Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с низкой плотностью мощности, большой площадью поверхности и улучшенным доступом к потоку снижает загрязнение и связанные с этим потери энергии. Для процесса спецификации требуется химический состав ванны, рабочая температура, жесткость воды и требуемая мощность.
