Een chemische fabriek volgde twaalf maanden lang het energieverbruik van een PTFE-dompelverwarmer van 5 kW. Ieder kwartaal werd de kachel ontkalkt. De energiegegevens lieten een duidelijk patroon zien: het verbruik steeg gestaag tussen de schoonmaakbeurten door en daalde vervolgens scherp na elke ontkalking. Het gemiddelde energieverbruik over het jaar was 12% hoger dan de basislijn voor schone-mantels. De vervuilingslaag, en niet de verwarming zelf, was verantwoordelijk voor de toename.
Mantelvervuiling is de ophoping van afzettingen op het verwarmingsoppervlak. De afzettingen kunnen minerale aanslag, metaalhydroxiden, organische resten of een combinatie daarvan zijn. Alle vervuilingslagen hebben een lagere thermische geleidbaarheid dan PTFE, dus voegen ze thermische weerstand toe tussen de mantel en de procesvloeistof. De verwarming moet heter worden om dezelfde warmte te leveren, en de hogere temperatuur verhoogt het energieverlies.
De thermische weerstand van een aangroeilaag
Een vervuilingslaag voegt weerstand toe in serie met de PTFE-mantel en de convectieve grenslaag. De totale thermische weerstand bepaalt het temperatuurverschil tussen de schede- en- bulk. Voor een gegeven warmteflux betekent een hogere totale weerstand een hogere manteltemperatuur.
De thermische geleidbaarheid van een vervuilingslaag hangt af van de samenstelling en porositeit ervan. Calciumcarbonaataanslag heeft een thermische geleidbaarheid van 0,5–2,0 W/m·K. De afzettingen van metaalhydroxide zijn lager, in het bereik van 0,2–0,5 W/m·K. Organische residuen zijn het laagst, vaak onder de 0,2 W/m·K. Een laag van 1 mm van een van deze afzettingen voegt een aanzienlijke weerstand toe.
| Vervuilingstype | Thermische geleidbaarheid | 1 mm weerstand | Omhulsel ΔT Toename bij 1,0 W/cm² | Energieverlies |
|---|---|---|---|---|
| Calciumcarbonaat | 1.0–2.0 W/m·K | Laag-matig | 5–10 graden | 5–10% |
| Calciumsulfaat | 0.8–1.5 W/m·K | Gematigd | 7–12 graden | 7–12% |
| Metaalhydroxide | 0.2–0.5 W/m·K | Hoog | 20-50 graden | 15–25% |
| Organisch residu | <0.2 W/m·K | Zeer hoog | 50–100 graden | 20–35% |
| Gemengde storting | 0.3–1.0 W/m·K | Matig-hoog | 10–30 graden | 10–20% |
Thermische weerstand en energieverlies door vervuilingstype
Waarom vervuiling het energieverbruik verhoogt
De door de verwarming verbruikte energie is de som van de nuttige warmte die aan het bad wordt geleverd en de verliezen. De nuttige warmte wordt bepaald door de procesbelasting en is onafhankelijk van vervuiling. De verliezen nemen toe naarmate de temperatuur van de mantel stijgt.
De verliezen treden op via de terminalbehuizing, de flens en de tankwanden. Hoe hoger de manteltemperatuur, hoe groter het temperatuurverschil tussen de verwarmer en de omgeving, en hoe groter de verliezen. Een verwarming die 20 graden warmer dan schoon werkt, kan via deze routes 10-15% meer energie verliezen.
De verwarming werkt ook langer om het instelpunt te behouden. De controller ziet de badtemperatuur dalen of het instelpunt niet bereiken en houdt de verwarming bekrachtigd. De combinatie van hogere verliezen en een langere looptijd verhoogt het totale energieverbruik.
Het samengestelde effect van vervuiling in de loop van de tijd
Vervuiling stapelt zich geleidelijk op. Een dunne laag heeft weinig effect op de warmteoverdracht. Maar naarmate de laag dikker wordt, stijgt de temperatuur van de mantel, wat verdere afzetting versnelt. Het proces versterkt zichzelf-.
Het energieverbruik volgt hetzelfde patroon. Het stijgt eerst langzaam en versnelt vervolgens naarmate de vervuilingslaag dikker wordt. Een verwarming die elk kwartaal wordt ontkalkt, kan in de eerste maand een energietoename van 5% laten zien, in de tweede maand 10% en in de derde maand 15-20%. Het gemiddelde over het kwartaal ligt 10-12% boven de basislijn.
| Tijd sinds ontkalken | Vervuilingsdikte | Schede ΔT Toename | Relatief energieverbruik |
|---|---|---|---|
| 0 weken (schoon) | 0 mm | Basislijn | 1.00× |
| 2 weken | 0,2–0,4 mm | 3–6 graden | 1.03–1.06× |
| 4 weken | 0,4–0,8 mm | 6–12 graden | 1.06–1.12× |
| 8 weken | 0,8–1,5 mm | 12–20 graden | 1.12–1.20× |
| 12 weken | 1,5–2,5 mm | 20-35 graden | 1.20–1.35× |
| 16+ weken | >2,5 mm | >35 graden | >1.35× |
Het energieverbruik neemt toe naarmate de vervuiling zich tussen de schoonmaakbeurten ophoopt
De kosten van vervuiling-gerelateerde energieverspilling
De kosten van de verspilde energie zijn afhankelijk van het wattage van de verwarming, de bedrijfsuren en het elektriciteitstarief. Voor een verwarming van 5 kW die 6000 uur per jaar werkt tegen $ 0,10 per kWh, bedragen de schone-energiekosten voor de verwarming $ 3000. Een gemiddelde toename van 12% door vervuiling voegt $360 per jaar toe.
In een fabriek met twintig verwarmingstoestellen kan de aan vervuiling-gerelateerde energieverspilling oplopen tot $7.200 per jaar. Dat is meer dan de kosten van een preventief onderhoudsprogramma dat de verwarmingstoestellen schoon houdt.
| Verwarming Wattage | Jaarlijkse uren | Kosten voor schone energie | 10% Vervuilingskosten | 15% Vervuilingskosten | Jaarlijks afval |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Jaarlijkse energiekosten en verspilling per wattage van de verwarming en vervuilingsniveau
Vermindering van vervuiling-Gerelateerde energieverspilling
De meest effectieve manier om aan vervuiling-gerelateerde energieverspilling te verminderen, is door te ontkalken voordat de vervuilingslaag dik wordt. Een driemaandelijks ontkalkingsschema houdt het gemiddelde vervuilingsniveau onder de 1 mm en de energietoename onder de 10%. Een maandelijks ontkalkingsschema houdt de energietoename onder de 5%, maar verhoogt de arbeids- en stilstandkosten.
Het verlagen van de wattdichtheid verlaagt de manteltemperatuur en vertraagt de vervuilingssnelheid. Een verwarming met een vermogen van 0,9 W/cm² accumuleert langzamer kalk dan een verwarming met een vermogen van 1,4 W/cm², waardoor het interval tussen de schoonmaakbeurten wordt verlengd en de gemiddelde energieverspilling wordt verminderd.
Het verbeteren van de stroming aan het manteloppervlak vermindert de dikte van de grenslaag en de manteltemperatuur. Een eductor of sproeipijp die op de verwarmer is gericht, kan de temperatuur van de mantel met 10–15 graden verlagen, wat de vervuiling vertraagt en energieverspilling vermindert.
Wanneer vervuiling-gerelateerd energieverspilling duidt op een specificatieprobleem
Herhaaldelijke vervuiling en energieverspilling in dezelfde tank geven aan dat de verwarmer werkt met een wattdichtheid die te hoog is voor de chemische en stromingsomstandigheden. Een op maat gemaakte PTFE-dompelverwarmerconfiguratie met een lage wattdichtheid, een groot oppervlak en verbeterde toegang tot de stroom vermindert vervuiling en het bijbehorende energieverspilling. Het specificatieproces vereist de chemie van het bad, de bedrijfstemperatuur, de waterhardheid en het vereiste wattage.
