מפעל כימי עקב אחר צריכת האנרגיה של דוד טבילה 5 קילוואט PTFE במשך שנים עשר חודשים. התנור הוסר אבנית כל רבעון. נתוני האנרגיה הראו דפוס ברור: הצריכה עלתה בהתמדה בין ניקוי לניקוי, ואז ירדה בחדות לאחר כל הסרת אבנית. צריכת האנרגיה הממוצעת במהלך השנה הייתה גבוהה ב-12% מקו הבסיס של-המעטה הנקי. שכבת העיכול, לא המחמם עצמו, הייתה אחראית לעלייה.
עכירות נדן היא הצטברות של משקעים על משטח החימום. המשקעים יכולים להיות אבנית מינרלית, הידרוקסידי מתכת, שאריות אורגניות או שילוב. לכל שכבות העיכול יש מוליכות תרמית נמוכה יותר מאשר PTFE, ולכן הן מוסיפות התנגדות תרמית בין הנדן לנוזל התהליך. המחמם חייב לפעול חם יותר כדי לספק את אותו החום, והטמפרטורה הגבוהה מגבירה את הפסדי האנרגיה.
ההתנגדות התרמית של שכבת עכירות
שכבת עיבוי מוסיפה התנגדות בסדרה עם מעטפת ה-PTFE ושכבת הגבול ההסעה. ההתנגדות התרמית הכוללת קובעת את פער הטמפרטורה-ל-המעטפת. עבור שטף חום נתון, התנגדות כוללת גבוהה יותר פירושה טמפרטורת נדן גבוהה יותר.
המוליכות התרמית של שכבת עיבוי תלויה בהרכבה ובנקבוביות שלה. לסולם סידן קרבונט יש מוליכות תרמית של 0.5-2.0 W/m·K. מרבצי מתכת הידרוקסיד נמוכים יותר, בטווח של 0.2-0.5 W/m·K. שאריות אורגניות הן הנמוכות ביותר, לרוב מתחת ל-0.2 W/m·K. שכבה של 1 מ"מ של כל אחד מהמשקעים הללו מוסיפה התנגדות משמעותית.
| סוג זיהומים | מוליכות תרמית | 1 מ"מ התנגדות | נדן ΔT הגדלה ב-1.0 W/cm² | אובדן אנרגיה |
|---|---|---|---|---|
| סידן פחמתי | 1.0–2.0 W/m·K | נמוך-בינוני | 5-10 מעלות | 5–10% |
| סידן גופרתי | 0.8–1.5 W/m·K | לְמַתֵן | 7-12 מעלות | 7–12% |
| מתכת הידרוקסיד | 0.2–0.5 W/m·K | גָבוֹהַ | 20-50 מעלות | 15–25% |
| שאריות אורגניות | <0.2 W/m·K | גבוה מאוד | 50-100 מעלות | 20–35% |
| פיקדון מעורב | 0.3–1.0 W/m·K | בינוני-גבוה | 10-30 מעלות | 10–20% |
התנגדות תרמית ואובדן אנרגיה לפי סוג זיהומים
מדוע זיהומים מגבירים את צריכת האנרגיה
האנרגיה הנצרכת על ידי המחמם היא סכום החום השימושי המועבר לאמבטיה וההפסדים. החום השימושי נקבע על פי עומס התהליך ואינו תלוי בהתעכבות. ההפסדים גדלים ככל שטמפרטורת הנדן עולה.
ההפסדים מתרחשים דרך המתחם המסוף, האוגן וקירות המיכל. ככל שטמפרטורת הנדן גבוהה יותר, כך הפרש הטמפרטורות בין המחמם לסביבה גדול יותר וההפסדים גדולים יותר. תנור חימום הפועל ב-20 מעלות חם יותר מאשר נקי עלול לאבד 10-15% יותר אנרגיה דרך המסלולים הללו.
המחמם גם פועל זמן רב יותר כדי לשמור על נקודת ההגדרה. הבקר רואה את טמפרטורת האמבטיה יורדת או לא מגיעה לנקודת ההגדרה ושומר על תנור החימום. השילוב של הפסדים גבוהים יותר וזמן ריצה ארוך יותר מגדיל את צריכת האנרגיה הכוללת.
ההשפעה המהווה של עכירות לאורך זמן
זיהומים מצטברים בהדרגה. לשכבה דקה יש השפעה מועטה על העברת החום. אבל ככל שהשכבה מתעבה, טמפרטורת הנדן עולה, מה שמאיץ משקעים נוספים. התהליך הוא -מחזק את עצמו.
צריכת האנרגיה עוקבת אחר אותו דפוס. הוא עולה לאט בהתחלה, ואז מואץ ככל ששכבת העיכול מתעבה. דוד שמסיר אבנית מדי רבעון עשוי להראות עלייה של 5% באנרגיה בחודש הראשון, 10% בחודש השני ו-15-20% בשלישי. הממוצע ברבעון הוא 10-12% מעל קו הבסיס.
| זמן מאז הסרת האבנית | עובי עכירות | הגדלה של מעטפת ΔT | צריכת אנרגיה יחסית |
|---|---|---|---|
| 0 שבועות (נקי) | 0 מ"מ | קו בסיס | 1.00× |
| 2 שבועות | 0.2–0.4 מ"מ | 3-6 מעלות | 1.03–1.06× |
| 4 שבועות | 0.4–0.8 מ"מ | 6-12 מעלות | 1.06–1.12× |
| 8 שבועות | 0.8-1.5 מ"מ | 12-20 מעלות | 1.12–1.20× |
| 12 שבועות | 1.5-2.5 מ"מ | 20-35 מעלות | 1.20–1.35× |
| 16+ שבועות | >2.5 מ"מ | >35 מעלות | >1.35× |
צריכת האנרגיה עולה כאשר מצטבר זיהומים בין ניקויים
העלות של זיהום-בזבוז אנרגיה קשור
עלות האנרגיה המבוזבזת תלויה בהספק המחמם, בשעות הפעילות ותעריף החשמל. עבור תנור חימום של 5 קילוואט הפועל 6,000 שעות בשנה ב-$0.10 לקוט"ש, עלות אנרגיית החימום הנקייה- היא $3,000. עלייה ממוצעת של 12% כתוצאה מעבירה מוסיפה 360 דולר לשנה.
במפעל עם 20 מחממים, בזבוז האנרגיה הקשור-להתכלות עשוי להסתכם ב-7,200 דולר לשנה. זה יותר מהעלות של תוכנית תחזוקה מונעת ששומרת על תנורי החימום.
| מחמם הספק | שעות שנתיים | עלות אנרגיה נקייה | 10% עלות זיהום | 15% עלות זיהום | בזבוז שנתי |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 קילוואט | 6,000 | $1,800 | $1,980 | $2,070 | $180–270 |
| 5 קילוואט | 6,000 | $3,000 | $3,300 | $3,450 | $300–450 |
| 8 קילוואט | 6,000 | $4,800 | $5,280 | $5,520 | $480–720 |
| 12 קילוואט | 6,000 | $7,200 | $7,920 | $8,280 | $720–1,080 |
עלות אנרגיה שנתית ובזבוז לפי הספק תנור ורמת זיהומים
הפחתת זיהום-בזבוז אנרגיה קשור
הדרך היעילה ביותר להפחתת בזבוז אנרגיה הקשורה-להתכלות היא הסרת אבנית לפני ששכבת העיכול הופכת עבה. לוח זמנים רבעוני להסרת אבנית שומר על רמת הלכלוך הממוצעת מתחת ל-1 מ"מ ועליית האנרגיה מתחת ל-10%. לוח זמנים חודשי להסרת אבנית שומר על עליית האנרגיה מתחת ל-5% אך מגדיל את עלויות העבודה והשבתה.
הורדת צפיפות הוואטים מפחיתה את טמפרטורת המעטפת ומאטה את קצב העיכול. תנור חימום הפועל ב-0.9 W/cm² צובר אבנית לאט יותר מאשר אבנית של 1.4 W/cm², מאריך את המרווח בין הניקוי ומפחית את בזבוז האנרגיה הממוצע.
שיפור הזרימה על פני המעטפת מפחית את עובי שכבת הגבול ואת טמפרטורת המעטפת. מחנך או צינור זבל המכוונים למחמם יכולים להפחית את טמפרטורת המעטפת ב-10-15 מעלות, מה שמאט את ההתכלות ומפחית בזבוז אנרגיה.
כאשר עיבוי-בזבוז אנרגיה מאותת על בעיה במפרט
עכירות חוזרות ונשנות ובזבוז אנרגיה באותו מיכל מעידים על כך שהמחמם פועל בצפיפות וואט גבוהה מדי לתנאי הכימיה והזרימה. תצורת מחמם טבילה מותאם אישית מסוג PTFE עם צפיפות וואט נמוכה, שטח פנים גדול וגישה משופרת לזרימה מפחיתה את ההתכלות ואת בזבוז האנרגיה הנלווה. תהליך המפרט דורש את כימיה האמבטיה, טמפרטורת הפעולה, קשיות המים והספק הנדרש.
