Un impianto chimico ha monitorato il consumo energetico di un riscaldatore a immersione in PTFE da 5 kW per dodici mesi. Il riscaldatore veniva decalcificato ogni trimestre. I dati energetici hanno mostrato uno schema chiaro: il consumo è aumentato costantemente tra una pulizia e l'altra, per poi diminuire drasticamente dopo ogni decalcificazione. Il consumo medio di energia nel corso dell'anno è stato superiore del 12% rispetto al valore di riferimento della guaina pulita. Responsabile dell’aumento è lo strato di incrostazione, non il riscaldatore stesso.
L'incrostazione della guaina è l'accumulo di depositi sulla superficie riscaldante. I depositi possono essere scaglie minerali, idrossidi metallici, residui organici o una combinazione. Tutti gli strati di incrostazione hanno una conduttività termica inferiore rispetto al PTFE, quindi aggiungono resistenza termica tra la guaina e il fluido di processo. Il riscaldatore deve diventare più caldo per fornire lo stesso calore e una temperatura più elevata aumenta le perdite di energia.
La resistenza termica di uno strato di incrostazione
Uno strato di incrostazione aggiunge resistenza in serie con la guaina in PTFE e lo strato limite convettivo. La resistenza termica totale determina l'intervallo di temperatura tra la guaina-e-la massa. Per un dato flusso di calore, una resistenza totale più elevata significa una temperatura della guaina più elevata.
La conduttività termica di uno strato di incrostazione dipende dalla sua composizione e porosità. Le incrostazioni di carbonato di calcio hanno una conduttività termica di 0,5–2,0 W/m·K. I depositi di idrossido metallico sono inferiori, nell'intervallo 0,2–0,5 W/m·K. I residui organici sono i più bassi, spesso inferiori a 0,2 W/m·K. Uno strato di 1 mm di uno qualsiasi di questi depositi aggiunge una resistenza significativa.
| Tipo di incrostazione | Conducibilità termica | Resistenza da 1mm | Aumento ΔT della guaina a 1,0 W/cm² | Perdita di energia |
|---|---|---|---|---|
| Carbonato di calcio | 1.0–2.0 W/m·K | Basso-moderato | 5-10 gradi | 5–10% |
| Solfato di calcio | 0.8–1.5 W/m·K | Moderare | 7-12 gradi | 7–12% |
| Idrossido di metallo | 0.2–0.5 W/m·K | Alto | 20–50 gradi | 15–25% |
| Residuo organico | <0.2 W/m·K | Molto alto | 50-100 gradi | 20–35% |
| Deposito misto | 0.3–1.0 W/m·K | Moderato-Alto | 10-30 gradi | 10–20% |
Resistenza termica e perdita di energia per tipologia di incrostazione
Perché le incrostazioni aumentano il consumo di energia
L'energia consumata dal riscaldatore è la somma del calore utile fornito al bagno e delle perdite. Il calore utile è determinato dal carico di processo ed è indipendente dalle incrostazioni. Le perdite aumentano all'aumentare della temperatura della guaina.
Le perdite si verificano attraverso la custodia del terminale, la flangia e le pareti del serbatoio. Maggiore è la temperatura della guaina, maggiore è la differenza di temperatura tra il riscaldatore e l'ambiente e maggiori sono le perdite. Un riscaldatore che funziona a 20 gradi più caldo di quello pulito può perdere il 10-15% di energia in più attraverso questi percorsi.
Il riscaldatore funziona anche più a lungo per mantenere il setpoint. Il controller rileva che la temperatura del bagno scende o non raggiunge il setpoint e mantiene il riscaldatore sotto tensione. La combinazione di perdite più elevate e tempi di funzionamento più lunghi aumenta il consumo energetico totale.
L'effetto cumulativo delle incrostazioni nel tempo
Le incrostazioni si accumulano gradualmente. Uno strato sottile ha poco effetto sul trasferimento di calore. Ma man mano che lo strato si ispessisce, la temperatura della guaina aumenta, il che accelera l’ulteriore deposizione. Il processo si-si autoalimenta.
Il consumo energetico segue lo stesso schema. Inizialmente sale lentamente, poi accelera man mano che lo strato di incrostazione si ispessisce. Un riscaldatore decalcificato trimestralmente può mostrare un aumento di energia del 5% nel primo mese, del 10% nel secondo e del 15-20% nel terzo. La media nel trimestre è del 10-12% superiore al basale.
| Tempo trascorso dalla decalcificazione | Spessore delle incrostazioni | Aumento ΔT della guaina | Consumo energetico relativo |
|---|---|---|---|
| 0 settimane (pulito) | 0 mm | Linea di base | 1.00× |
| 2 settimane | 0,2–0,4 mm | 3-6 gradi | 1.03–1.06× |
| 4 settimane | 0,4–0,8 mm | 6-12 gradi | 1.06–1.12× |
| 8 settimane | 0,8–1,5 mm | 12-20 gradi | 1.12–1.20× |
| 12 settimane | 1,5–2,5 mm | 20-35 gradi | 1.20–1.35× |
| 16+ settimane | >2,5 mm | >35 gradi | >1.35× |
Il consumo di energia aumenta man mano che le incrostazioni si accumulano tra una pulizia e l'altra
Il costo dell'incrostazione-spreco energetico correlato
Il costo dell’energia sprecata dipende dalla potenza del riscaldatore, dalle ore di funzionamento e dalla tariffa elettrica. Per un riscaldatore da 5 kW che funziona 6.000 ore all'anno a $ 0,10 per kWh, il costo dell'energia pulita-del riscaldatore è $ 3.000. Un aumento medio del 12% dovuto alle incrostazioni aggiunge $ 360 all'anno.
In un impianto con 20 riscaldatori, lo spreco energetico-correlato alle incrostazioni potrebbe ammontare a 7.200 dollari all'anno. Questo è più del costo di un programma di manutenzione preventiva che mantiene puliti i riscaldatori.
| Potenza del riscaldatore | Ore annuali | Costo dell'energia pulita | 10% del costo del fouling | 15% Costo Incrostazione | Rifiuti annuali |
|---|---|---|---|---|---|
| 3kW | 6,000 | $1,800 | $1,980 | $2,070 | $180–270 |
| 5kW | 6,000 | $3,000 | $3,300 | $3,450 | $300–450 |
| 8kW | 6,000 | $4,800 | $5,280 | $5,520 | $480–720 |
| 12kW | 6,000 | $7,200 | $7,920 | $8,280 | $720–1,080 |
Costo energetico annuale e sprechi in base alla potenza del riscaldatore e al livello di incrostazione
Riduzione delle incrostazioni-spreco energetico correlato
Il modo più efficace per ridurre lo spreco energetico legato alle incrostazioni-è quello di disincrostare prima che lo strato di incrostazioni diventi spesso. Un programma di decalcificazione trimestrale mantiene il livello medio di incrostazione al di sotto di 1 mm e l'aumento di energia al di sotto del 10%. Un programma di decalcificazione mensile mantiene l'aumento di energia al di sotto del 5%, ma aumenta i costi di manodopera e tempi di inattività.
L'abbassamento della densità di watt riduce la temperatura della guaina e rallenta il tasso di incrostazione. Un riscaldatore funzionante a 0,9 W/cm² accumula calcare più lentamente di uno a 1,4 W/cm², allungando l'intervallo tra le pulizie e riducendo lo spreco medio di energia.
Il miglioramento del flusso sulla superficie della guaina riduce lo spessore dello strato limite e la temperatura della guaina. Un eduttore o un tubo di distribuzione diretto al riscaldatore può ridurre la temperatura della guaina di 10-15 gradi, rallentando la formazione di incrostazioni e riducendo lo spreco di energia.
Quando si sporcano-Gli sprechi energetici correlati segnalano un problema di specifiche
Incrostazioni ripetute e sprechi di energia nello stesso serbatoio indicano che il riscaldatore funziona a una densità di watt troppo elevata per le condizioni chimiche e di flusso. Una configurazione personalizzata del riscaldatore a immersione in PTFE con bassa densità di watt, ampia superficie e migliore accesso al flusso riduce le incrostazioni e lo spreco di energia associato. Il processo di specifica richiede la chimica del bagno, la temperatura operativa, la durezza dell'acqua e la potenza richiesta.
