化学プラントでは、5 kW PTFE 浸漬ヒーターのエネルギー消費量を 12 か月にわたって追跡しました。ヒーターは四半期ごとにスケールを除去しました。エネルギー データには明確なパターンが示されています。つまり、洗浄と洗浄の間に消費量が着実に増加し、スケール除去のたびに急激に減少しました。年間の平均エネルギー消費量は、クリーン シース ベースラインより 12% 高かった-。ヒーター自体ではなく、汚れ層が増加の原因でした。
シースの汚れは、加熱面上の堆積物の蓄積です。堆積物は、鉱物スケール、金属水酸化物、有機残留物、またはそれらの組み合わせである可能性があります。すべての汚れ層は PTFE よりも熱伝導率が低いため、シースとプロセス流体の間に熱抵抗が加わります。同じ熱を供給するにはヒーターをより高温で動作させる必要があり、温度が高くなるとエネルギー損失が増加します。
ファウリング層の熱抵抗
ファウリング層は、PTFE シースと対流境界層と直列に抵抗を追加します。総熱抵抗によって、シースとバルクの温度差が決まります。--特定の熱流束の場合、合計抵抗が高いほどシース温度が高くなります。
ファウリング層の熱伝導率は、その組成と気孔率によって異なります。炭酸カルシウムスケールの熱伝導率は0.5～2.0W/m・Kです。金属水酸化物の堆積は、0.2 ～ 0.5 W/m・K の範囲で低くなります。有機残留物は最も少なく、多くの場合 0.2 W/m・K 未満です。これらの堆積物のいずれかの層が 1 mm あると、かなりの抵抗が追加されます。
| 汚れの種類 | 熱伝導率 | 1mmの抵抗 | 1.0 W/cm2 でのシース ΔT の増加 | エネルギー損失 |
|---|---|---|---|---|
| 炭酸カルシウム | 1.0–2.0 W/m·K | 低～中程度 | 5～10度 | 5–10% |
| 硫酸カルシウム | 0.8–1.5 W/m·K | 適度 | 7～12度 | 7–12% |
| 金属水酸化物 | 0.2–0.5 W/m·K | 高い | 20～50度 | 15–25% |
| 有機残留物 | <0.2 W/m·K | 非常に高い | 50～100度 | 20–35% |
| 混合預金 | 0.3–1.0 W/m·K | 中～高 | 10～30度 | 10–20% |
ファウリングの種類による熱抵抗とエネルギー損失
汚れがエネルギー消費を増加させる理由
ヒーターによって消費されるエネルギーは、浴槽に供給される有効熱と損失の合計です。有効な熱はプロセス負荷によって決まり、汚れとは無関係です。シース温度が上昇すると損失が増加します。
損失は、端子エンクロージャ、フランジ、タンク壁を通じて発生します。シース温度が高くなるほど、ヒーターと周囲の温度差が大きくなり、損失も大きくなります。クリーンより 20 度高温で動作するヒーターは、これらの経路を通じて 10 ～ 15% 多くのエネルギーを失う可能性があります。
また、設定値を維持するためにヒーターの作動時間が長くなります。コントローラーは、バス温度が低下しているか、設定値に到達していないことを認識し、ヒーターへの通電を維持します。損失が大きくなり、実行時間が長くなることで、総エネルギー消費量が増加します。
時間の経過とともに生じる汚れの複合的な影響
汚れは徐々に蓄積していきます。薄い層は熱伝達にほとんど影響を与えません。しかし、層が厚くなるにつれてシースの温度が上昇し、さらなる堆積が加速されます。このプロセスは自己強化的です。-
エネルギー消費も同じパターンに従います。最初はゆっくりと上昇しますが、汚れの層が厚くなるにつれて加速します。四半期ごとにスケール除去されたヒーターでは、最初の 1 か月で 5%、2 か月目で 10%、3 か月目で 15 ～ 20% のエネルギー増加が見られる場合があります。四半期の平均はベースラインを 10 ～ 12% 上回っています。
| スケール除去からの時間 | 汚れの厚さ | シースΔT増加 | 相対的なエネルギー消費量 |
|---|---|---|---|
| 0週間（クリーン） | 0mm | ベースライン | 1.00× |
| 2週間 | 0.2～0.4mm | 3～6度 | 1.03–1.06× |
| 4週間 | 0.4～0.8mm | 6～12度 | 1.06–1.12× |
| 8週間 | 0.8～1.5mm | 12～20度 | 1.12–1.20× |
| 12週間 | 1.5～2.5mm | 20～35度 | 1.20–1.35× |
| 16+週間 | >2.5mm | >35度 | >1.35× |
洗浄の間に汚れが蓄積すると、エネルギー消費量が増加します
汚損にかかるコスト-関連するエネルギー廃棄物
無駄なエネルギーのコストは、ヒーターのワット数、稼働時間、電気料金によって異なります。 5 kW のヒーターを 1 kWh あたり 0.10 ドルで年間 6,000 時間動作させる場合、クリーン ヒーターのエネルギー コストは 3,000 ドルとなります。-汚れによる平均 12% の増加により、年間 360 ドルが追加されます。
20 台のヒーターを備えた工場では、汚れに関連したエネルギーの無駄は年間合計 7,200 ドルになる可能性があります。-これは、ヒーターを清潔に保つための予防メンテナンス プログラムのコストを上回ります。
| ヒーターワット数 | 年間営業時間 | クリーン エネルギーのコスト | 10%の汚れコスト | 15%の汚れコスト | 年間廃棄物 |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
ヒーターのワット数と汚れレベル別の年間エネルギーコストと廃棄物
汚れ-関連のエネルギー無駄の削減
汚れに関連したエネルギーの無駄を減らす最も効果的な方法は、汚れの層が厚くなる前にスケールを除去することです。{0}}四半期ごとのスケール除去スケジュールにより、平均汚れレベルは 1 mm 未満に抑えられ、エネルギー増加は 10% 未満に抑えられます。毎月のスケール除去スケジュールでは、エネルギーの増加は 5% 未満に抑えられますが、人件費とダウンタイムのコストが増加します。
ワット密度を下げるとシース温度が下がり、汚れの速度が遅くなります。 0.9 W/cm2 で動作するヒーターは、1.4 W/cm2 で動作するヒーターよりもスケールの蓄積が遅いため、清掃の間隔が長くなり、平均エネルギーの無駄が削減されます。
シース表面の流れを改善すると、境界層の厚さが減少し、シース温度が下がります。ヒーターに向けてエダクターまたはスパージ パイプを使用すると、シース温度を 10 ～ 15 度下げることができ、汚れの付着が遅くなり、エネルギーの無駄が削減されます。
汚れ-関連のエネルギー廃棄物が仕様上の問題を示している場合
同じタンク内で繰り返し汚れが発生し、エネルギーが浪費される場合は、ヒーターが化学的性質や流量条件に対して高すぎるワット密度で動作していることを示しています。低ワット密度、大きな表面積、改善されたフローアクセスを備えたカスタム PTFE 浸漬ヒーター構成により、汚れとそれに伴うエネルギーの無駄が削減されます。仕様プロセスでは、浴の化学的性質、動作温度、水の硬度、および必要なワット数が必要です。
