Et kemisk anlæg sporede energiforbruget af en 5 kW PTFE elpatron over tolv måneder. Varmelegemet blev afkalket hvert kvartal. Energidataene viste et tydeligt mønster: Forbruget steg støt mellem rengøringerne og faldt derefter kraftigt efter hver afkalkning. Det gennemsnitlige energiforbrug i løbet af året var 12 % højere end baseline for ren-kappe. Begroningslaget, ikke selve varmelegemet, var ansvarlig for stigningen.
Skedebegroning er akkumulering af aflejringer på varmeoverfladen. Aflejringerne kan være mineralsk belægning, metalhydroxider, organiske rester eller en kombination. Alle begroningslag har lavere termisk ledningsevne end PTFE, så de tilføjer termisk modstand mellem kappen og procesvæsken. Varmelegemet skal køre varmere for at levere den samme varme, og den højere temperatur øger energitabet.
Den termiske modstand af et begroningslag
Et begroningslag tilføjer modstand i serie med PTFE-kappen og det konvektive grænselag. Den samlede termiske modstand bestemmer kappen-til-bulktemperaturgabet. For en given varmeflux betyder en højere total modstand en højere kappetemperatur.
Den termiske ledningsevne af et begroningslag afhænger af dets sammensætning og porøsitet. Calciumkarbonatskala har en termisk ledningsevne på 0,5-2,0 W/m·K. Metalhydroxidaflejringer er lavere, i intervallet 0,2–0,5 W/m·K. Organiske rester er lavest, ofte under 0,2 W/m·K. Et 1 mm lag af enhver af disse aflejringer tilføjer betydelig modstand.
| Begroningstype | Termisk ledningsevne | 1 mm modstand | Skede ΔT Forøgelse med 1,0 W/cm² | Energitab |
|---|---|---|---|---|
| Calciumcarbonat | 1.0–2.0 W/m·K | Lav-Moderat | 5-10 grader | 5–10% |
| Calciumsulfat | 0.8–1.5 W/m·K | Moderat | 7-12 grader | 7–12% |
| Metalhydroxid | 0.2–0.5 W/m·K | Høj | 20-50 grader | 15–25% |
| Organisk rest | <0.2 W/m·K | Meget høj | 50-100 grader | 20–35% |
| Blandet depositum | 0.3–1.0 W/m·K | Moderat – Høj | 10-30 grader | 10–20% |
Termisk modstand og energitab efter begroningstype
Hvorfor tilsmudsning øger energiforbruget
Den energi, der forbruges af varmelegemet, er summen af den nyttige varme, der leveres til badet, og tabene. Nyttevarmen bestemmes af procesbelastningen og er uafhængig af tilsmudsning. Tabene stiger, når kappetemperaturen stiger.
Tabene opstår gennem terminalindkapslingen, flangen og tankvæggene. Jo højere kappetemperaturen er, jo større er temperaturforskellen mellem varmelegemet og omgivelserne, og jo større tab. Et varmelegeme, der kører 20 grader varmere end rent, kan miste 10-15 % mere energi gennem disse veje.
Varmelegemet kører også længere for at opretholde sætpunktet. Regulatoren ser, at badets temperatur falder eller ikke når sætpunktet og holder varmelegemet tændt. Kombinationen af større tab og længere driftstid øger det samlede energiforbrug.
Den sammensatte effekt af begroning over tid
Tilsmudsning ophobes gradvist. Et tyndt lag har ringe effekt på varmeoverførslen. Men efterhånden som laget bliver tykkere, stiger kappetemperaturen, hvilket fremskynder yderligere aflejring. Processen er selv-forstærkende.
Energiforbruget følger samme mønster. Den stiger først langsomt og accelererer derefter, efterhånden som begroningslaget bliver tykkere. Et varmelegeme, der afkalkes hvert kvartal, kan vise en energistigning på 5 % i den første måned, 10 % i den anden måned og 15-20 % i den tredje måned. Gennemsnittet i kvartalet er 10-12 % over baseline.
| Tid siden afkalkning | Begroningstykkelse | Skede ΔT Forøgelse | Relativt energiforbrug |
|---|---|---|---|
| 0 uger (ren) | 0 mm | Baseline | 1.00× |
| 2 uger | 0,2-0,4 mm | 3-6 grader | 1.03–1.06× |
| 4 uger | 0,4–0,8 mm | 6-12 grader | 1.06–1.12× |
| 8 uger | 0,8-1,5 mm | 12-20 grader | 1.12–1.20× |
| 12 uger | 1,5-2,5 mm | 20-35 grader | 1.20–1.35× |
| 16+ uger | >2,5 mm | >35 grader | >1.35× |
Energiforbruget stiger, da der ophobes tilsmudsning mellem rengøringerne
Omkostningerne ved tilsmudsning-relateret energispild
Omkostningerne ved den spildte energi afhænger af varmelegemets effekt, driftstimerne og elprisen. For en 5 kW-varmer, der kører 6.000 timer om året ved 0,10 USD pr. kWh, er den rene-varmeenergiomkostning 3.000 USD. En gennemsnitlig stigning på 12 % fra fouling tilføjer $360 om året.
I et anlæg med 20 varmeapparater kan det tilsmudsningsrelaterede-energispild udgøre 7.200 USD om året. Det er mere end prisen på et forebyggende vedligeholdelsesprogram, der holder varmeapparaterne rene.
| Varmelegeme Watt | Årlige Timer | Ren energiomkostning | 10 % begroningsomkostninger | 15 % begroningsomkostninger | Årligt affald |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Årlige energiomkostninger og spild efter varmeanlæggets effekt og tilsmudsningsniveau
Reduktion af begroning-relateret energispild
Den mest effektive måde at reducere tilsmudsning-relateret energispild på er at afkalke, før begroningslaget bliver tykt. En kvartalsvis afkalkningsplan holder det gennemsnitlige tilsmudsningsniveau under 1 mm og energistigningen under 10 %. En månedlig afkalkningsplan holder energistigningen under 5 %, men øger omkostningerne til arbejdskraft og nedetid.
Sænkning af watt-tætheden reducerer kappetemperaturen og sænker begroningshastigheden. Et varmelegeme, der opererer ved 0,9 W/cm², akkumulerer kalk langsommere end et ved 1,4 W/cm², hvilket forlænger intervallet mellem rengøringer og reducerer det gennemsnitlige energispild.
Forbedring af flow ved kappeoverfladen reducerer grænselagets tykkelse og kappetemperaturen. En eduktor eller et sprøjterør rettet mod varmelegemet kan reducere kappetemperaturen med 10-15 grader, hvilket bremser tilsmudsning og reducerer energispild.
Når tilsmudsning-relateret energispild signalerer et specifikationsproblem
Gentagen tilsmudsning og energispild i samme tank indikerer, at varmelegemet arbejder med en watt-tæthed, der er for høj til kemien og strømningsforholdene. En brugerdefineret PTFE-elvarmerkonfiguration med lav watt-densitet, stort overfladeareal og forbedret flowadgang reducerer tilsmudsning og det tilhørende energispild. Specifikationsprocessen kræver badets kemi, driftstemperatur, vandhårdhed og påkrævet watt.
