โรงงานเคมีแห่งหนึ่งติดตามการใช้พลังงานของเครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE ขนาด 5 kW เป็นเวลากว่าสิบสองเดือน เครื่องทำความร้อนถูกขจัดตะกรันทุกไตรมาส ข้อมูลพลังงานแสดงให้เห็นรูปแบบที่ชัดเจน กล่าวคือ การบริโภคเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องระหว่างการทำความสะอาด จากนั้นลดลงอย่างรวดเร็วหลังจากการขจัดตะกรันแต่ละครั้ง การใช้พลังงานโดยเฉลี่ยตลอดทั้งปีสูงกว่าค่าฐานของปลอกสะอาด-ถึง 12% ชั้นที่เปรอะเปื้อน (ไม่ใช่ตัวทำความร้อน) มีหน้าที่ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้น
การเปรอะเปื้อนของเปลือกคือการสะสมของคราบสกปรกบนพื้นผิวที่ให้ความร้อน สิ่งสะสมอาจเป็นขนาดแร่ ไฮดรอกไซด์ของโลหะ สารตกค้างอินทรีย์ หรือส่วนผสมรวมกัน ชั้นที่เปรอะเปื้อนทั้งหมดมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่า PTFE ดังนั้นจึงเพิ่มความต้านทานความร้อนระหว่างเปลือกและของเหลวในกระบวนการ เครื่องทำความร้อนจะต้องทำงานร้อนขึ้นเพื่อส่งความร้อนเท่าเดิม และอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้สูญเสียพลังงานมากขึ้น
ความต้านทานความร้อนของชั้นที่เปรอะเปื้อน
ชั้นที่เปรอะเปื้อนจะเพิ่มความต้านทานแบบอนุกรมด้วยปลอก PTFE และชั้นขอบเขตการพาความร้อน ความต้านทานความร้อนรวมจะกำหนดช่องว่างอุณหภูมิของปลอก-ถึง-มวล สำหรับฟลักซ์ความร้อนที่กำหนด ความต้านทานรวมที่สูงขึ้นหมายถึงอุณหภูมิของเปลือกที่สูงขึ้น
ค่าการนำความร้อนของชั้นที่เปรอะเปื้อนขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและความพรุน เครื่องชั่งแคลเซียมคาร์บอเนตมีค่าการนำความร้อน 0.5–2.0 W/m·K การสะสมของโลหะไฮดรอกไซด์จะต่ำกว่า ในช่วง 0.2–0.5 W/m·K สารอินทรีย์ตกค้างมีค่าต่ำสุด โดยมักจะต่ำกว่า 0.2 W/m·K ชั้นของคราบใดๆ เหล่านี้หนา 1 มม. จะเพิ่มความต้านทานอย่างมีนัยสำคัญ
| ประเภทการเปรอะเปื้อน | การนำความร้อน | ความต้านทาน 1 มม | เปลือก ΔT เพิ่มขึ้นที่ 1.0 วัตต์/ซม.² | การสูญเสียพลังงาน |
|---|---|---|---|---|
| แคลเซียมคาร์บอเนต | 1.0–2.0 W/m·K | ต่ำ-ปานกลาง | 5–10 องศา | 5–10% |
| แคลเซียมซัลเฟต | 0.8–1.5 W/m·K | ปานกลาง | 7–12 องศา | 7–12% |
| โลหะไฮดรอกไซด์ | 0.2–0.5 W/m·K | สูง | 20–50 องศา | 15–25% |
| สารอินทรีย์ตกค้าง | <0.2 W/m·K | สูงมาก | 50–100 องศา | 20–35% |
| เงินฝากผสม | 0.3–1.0 W/m·K | ปานกลาง-สูง | 10–30 องศา | 10–20% |
ความต้านทานความร้อนและการสูญเสียพลังงานตามประเภทการเปรอะเปื้อน
เหตุใดการเปรอะเปื้อนจึงเพิ่มการใช้พลังงาน
พลังงานที่ใช้โดยเครื่องทำความร้อนคือผลรวมของความร้อนที่มีประโยชน์ที่ส่งไปยังอ่างอาบน้ำและการสูญเสีย ความร้อนที่มีประโยชน์จะถูกกำหนดโดยภาระของกระบวนการ และไม่ขึ้นอยู่กับการเปรอะเปื้อน การสูญเสียจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิของฝักเพิ่มขึ้น
การสูญเสียเกิดขึ้นผ่านแผงขั้วต่อ หน้าแปลน และผนังถัง ยิ่งอุณหภูมิเปลือกสูง อุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่างเครื่องทำความร้อนและสภาพแวดล้อมก็จะยิ่งมากขึ้น และการสูญเสียก็จะยิ่งมากขึ้น เครื่องทำความร้อนที่ทำงานร้อนกว่าสะอาด 20 องศาอาจสูญเสียพลังงานมากขึ้น 10-15% เมื่อผ่านทางเดินเหล่านี้
ตัวทำความร้อนยังทำงานนานขึ้นเพื่อรักษาค่าที่ตั้งไว้ ตัวควบคุมจะเห็นว่าอุณหภูมิอ่างลดลงหรือไม่ถึงค่าที่ตั้งไว้ และเปิดเครื่องทำความร้อนไว้ การรวมกันของการสูญเสียที่สูงขึ้นและระยะเวลาการทำงานที่ยาวนานขึ้นจะทำให้การใช้พลังงานทั้งหมดเพิ่มขึ้น
ผลรวมของการเปรอะเปื้อนเมื่อเวลาผ่านไป
ความสกปรกจะค่อยๆสะสม ชั้นบางๆ มีผลเพียงเล็กน้อยต่อการถ่ายเทความร้อน แต่เมื่อชั้นหนาขึ้น อุณหภูมิของเปลือกก็จะสูงขึ้น ซึ่งเร่งการสะสมเพิ่มเติม กระบวนการนี้เป็นการเสริมกำลังตนเอง-
การใช้พลังงานเป็นไปตามรูปแบบเดียวกัน ในตอนแรกมันจะลอยขึ้นอย่างช้าๆ จากนั้นจะเร่งความเร็วขึ้นเมื่อชั้นคราบสกปรกหนาขึ้น เครื่องทำความร้อนที่ถูกขจัดตะกรันทุกไตรมาสอาจแสดงพลังงานเพิ่มขึ้น 5% ในเดือนแรก 10% ในเดือนที่สอง และ 15–20% ในเดือนที่สาม ค่าเฉลี่ยตลอดทั้งไตรมาสสูงกว่าเส้นพื้นฐาน 10–12%
| เวลาตั้งแต่การขจัดตะกรัน | ความหนาเปรอะเปื้อน | ฝัก ΔT เพิ่มขึ้น | การใช้พลังงานสัมพัทธ์ |
|---|---|---|---|
| 0 สัปดาห์ (สะอาด) | 0 มม | พื้นฐาน | 1.00× |
| 2 สัปดาห์ | 0.2–0.4 มม | 3–6 องศา | 1.03–1.06× |
| 4 สัปดาห์ | 0.4–0.8 มม | 6–12 องศา | 1.06–1.12× |
| 8 สัปดาห์ | 0.8–1.5 มม | 12–20 องศา | 1.12–1.20× |
| 12 สัปดาห์ | 1.5–2.5 มม | 20–35 องศา | 1.20–1.35× |
| 16+ สัปดาห์ | >2.5 มม | >35 องศา | >1.35× |
การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นเนื่องจากคราบสกปรกสะสมระหว่างการทำความสะอาด
ต้นทุนของการเปรอะเปื้อน-จากการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้อง
ต้นทุนของพลังงานที่สูญเปล่าขึ้นอยู่กับกำลังไฟฟ้าของเครื่องทำความร้อน ชั่วโมงการทำงาน และอัตราค่าไฟฟ้า สำหรับเครื่องทำความร้อนขนาด 5 kW ที่ทำงาน 6,000 ชั่วโมงต่อปีที่ 0.10 ดอลลาร์ต่อ kWh ค่าพลังงานสะอาด-ของเครื่องทำความร้อนจะอยู่ที่ 3,000 ดอลลาร์ การเพิ่มขึ้นโดยเฉลี่ย 12% จากการเปรอะเปื้อนจะเพิ่ม $360 ต่อปี
ในโรงงานที่มีเครื่องทำความร้อน 20 เครื่อง การสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเปรอะเปื้อน-อาจมีมูลค่ารวม 7,200 เหรียญสหรัฐต่อปี นั่นเป็นมากกว่าต้นทุนของโปรแกรมบำรุงรักษาเชิงป้องกันที่ช่วยรักษาเครื่องทำความร้อนให้สะอาด
| วัตต์เครื่องทำความร้อน | ชั่วโมงประจำปี | ต้นทุนพลังงานสะอาด | ค่าใช้จ่ายในการฟาวล์ 10% | ค่าใช้จ่ายในการฟาวล์ 15% | ขยะประจำปี |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 กิโลวัตต์ | 6,000 | $1,800 | $1,980 | $2,070 | $180–270 |
| 5 กิโลวัตต์ | 6,000 | $3,000 | $3,300 | $3,450 | $300–450 |
| 8 กิโลวัตต์ | 6,000 | $4,800 | $5,280 | $5,520 | $480–720 |
| 12 กิโลวัตต์ | 6,000 | $7,200 | $7,920 | $8,280 | $720–1,080 |
ต้นทุนพลังงานและของเสียต่อปีตามกำลังไฟของเครื่องทำความร้อนและระดับความเปรอะเปื้อน
การลดความเปรอะเปื้อน-การสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้อง
วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการลด-การสิ้นเปลืองพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเปรอะเปื้อนคือการขจัดตะกรันก่อนที่ชั้นการเปรอะเปื้อนจะหนาขึ้น ตารางการขจัดตะกรันรายไตรมาสจะรักษาระดับการเปรอะเปื้อนโดยเฉลี่ยให้ต่ำกว่า 1 มม. และพลังงานเพิ่มขึ้นต่ำกว่า 10% ตารางการขจัดตะกรันรายเดือนทำให้พลังงานเพิ่มขึ้นต่ำกว่า 5% แต่เพิ่มค่าแรงและการหยุดทำงาน
การลดความหนาแน่นของวัตต์จะช่วยลดอุณหภูมิของฝักและทำให้อัตราการเปรอะเปื้อนช้าลง เครื่องทำความร้อนที่ทำงานที่ 0.9 วัตต์/ซม.² จะสะสมตะกรันช้ากว่าเครื่องที่ 1.4 วัตต์/ซม.² ซึ่งช่วยยืดระยะเวลาระหว่างการทำความสะอาดและลดการสูญเสียพลังงานโดยเฉลี่ย
การปรับปรุงการไหลที่พื้นผิวเปลือกจะช่วยลดความหนาของชั้นขอบเขตและอุณหภูมิของเปลือก ท่อนำหรือท่อกระจายที่พุ่งตรงไปที่เครื่องทำความร้อนสามารถลดอุณหภูมิของปลอกได้ 10–15 องศา ซึ่งจะช่วยชะลอการเปรอะเปื้อนและลดการสิ้นเปลืองพลังงาน
เมื่อการเปรอะเปื้อน-การสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้องส่งสัญญาณถึงปัญหาข้อกำหนด
การเปรอะเปื้อนซ้ำๆ และการสูญเสียพลังงานในถังเดียวกันบ่งชี้ว่าเครื่องทำความร้อนทำงานที่ความหนาแน่นของวัตต์ซึ่งสูงเกินไปสำหรับสภาวะทางเคมีและการไหล การกำหนดค่าเครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE แบบกำหนดเองที่มีความหนาแน่นวัตต์ต่ำ พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ และการเข้าถึงการไหลที่ดีขึ้น ช่วยลดการเกิดตะกรันและการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้อง กระบวนการกำหนดคุณสมบัติต้องใช้เคมีของอ่าง อุณหภูมิในการทำงาน ความกระด้างของน้ำ และกำลังไฟที่ต้องการ
