Una planta química realizó un seguimiento del consumo de energía de un calentador de inmersión de PTFE de 5 kW durante doce meses. La calefacción se descalcificó cada trimestre. Los datos energéticos mostraron un patrón claro: el consumo aumentó constantemente entre limpiezas y luego cayó bruscamente después de cada descalcificación. El consumo promedio de energía durante el año fue un 12 % mayor que la línea base-de cobertura limpia. La causa del aumento fue la capa de suciedad, no la propia calefacción.
La contaminación de la funda es la acumulación de depósitos en la superficie de calentamiento. Los depósitos pueden ser incrustaciones minerales, hidróxidos metálicos, residuos orgánicos o una combinación. Todas las capas de incrustaciones tienen una conductividad térmica más baja que el PTFE, por lo que añaden resistencia térmica entre la funda y el fluido del proceso. El calentador debe funcionar a mayor temperatura para entregar el mismo calor, y la temperatura más alta aumenta las pérdidas de energía.
La resistencia térmica de una capa incrustante
Una capa de incrustación añade resistencia en serie con la funda de PTFE y la capa límite convectiva. La resistencia térmica total determina la diferencia de temperatura entre la funda-y-el material. Para un flujo de calor dado, una resistencia total más alta significa una temperatura de cubierta más alta.
La conductividad térmica de una capa de incrustación depende de su composición y porosidad. Las incrustaciones de carbonato de calcio tienen una conductividad térmica de 0,5 a 2,0 W/m·K. Los depósitos de hidróxido metálico son menores, en el rango de 0,2 a 0,5 W/m·K. Los residuos orgánicos son los más bajos, a menudo por debajo de 0,2 W/m·K. Una capa de 1 mm de cualquiera de estos depósitos aporta una resistencia importante.
| Tipo de incrustación | Conductividad térmica | Resistencia de 1mm | Aumento del ΔT de la funda a 1,0 W/cm² | Pérdida de energía |
|---|---|---|---|---|
| Carbonato de calcio | 1.0–2.0 W/m·K | Bajo-moderado | 5 a 10 grados | 5–10% |
| sulfato de calcio | 0.8–1.5 W/m·K | Moderado | 7-12 grados | 7–12% |
| hidróxido metálico | 0.2–0.5 W/m·K | Alto | 20-50 grados | 15–25% |
| Residuos orgánicos | <0.2 W/m·K | muy alto | 50-100 grados | 20–35% |
| Depósito mixto | 0.3–1.0 W/m·K | Moderado-alto | 10 a 30 grados | 10–20% |
Resistencia térmica y pérdida de energía por tipo de incrustación.
Por qué las incrustaciones aumentan el consumo de energía
La energía consumida por el calentador es la suma del calor útil entregado al baño y las pérdidas. El calor útil está determinado por la carga del proceso y es independiente de la contaminación. Las pérdidas aumentan a medida que aumenta la temperatura de la vaina.
Las pérdidas ocurren a través del recinto del terminal, la brida y las paredes del tanque. Cuanto mayor sea la temperatura de la funda, mayor será la diferencia de temperatura entre el calentador y el ambiente y mayores serán las pérdidas. Un calentador que funciona a 20 grados más que uno limpio puede perder entre un 10% y un 15% más de energía a través de estas vías.
El calentador también funciona por más tiempo para mantener el punto de ajuste. El controlador ve que la temperatura del baño cae o no alcanza el punto de ajuste y mantiene el calentador energizado. La combinación de mayores pérdidas y un mayor tiempo de funcionamiento aumenta el consumo total de energía.
El efecto agravante de las incrustaciones con el tiempo
La suciedad se acumula gradualmente. Una capa fina tiene poco efecto sobre la transferencia de calor. Pero a medida que la capa se espesa, la temperatura de la vaina aumenta, lo que acelera una mayor deposición. El proceso se refuerza a sí mismo-.
El consumo de energía sigue el mismo patrón. Al principio asciende lentamente y luego se acelera a medida que la capa de incrustación se espesa. Un calentador que se descalcifica trimestralmente puede mostrar un aumento de energía del 5 % en el primer mes, del 10 % en el segundo y del 15 al 20 % en el tercero. El promedio durante el trimestre está entre un 10% y un 12% por encima del valor base.
| Tiempo desde la descalcificación | Espesor de incrustaciones | Aumento del ΔT de la funda | Consumo relativo de energía |
|---|---|---|---|
| 0 semanas (limpio) | 0 milímetros | Base | 1.00× |
| 2 semanas | 0,2–0,4 mm | 3 a 6 grados | 1.03–1.06× |
| 4 semanas | 0,4–0,8 mm | 6 a 12 grados | 1.06–1.12× |
| 8 semanas | 0,8–1,5 mm | 12-20 grados | 1.12–1.20× |
| 12 semanas | 1,5–2,5 mm | 20-35 grados | 1.20–1.35× |
| 16+ semanas | >2,5 milímetros | >35 grados | >1.35× |
El consumo de energía aumenta a medida que se acumula suciedad entre limpiezas
El coste de la contaminación-desperdicio de energía relacionado
El coste de la energía desperdiciada depende de la potencia del calentador, las horas de funcionamiento y la tarifa eléctrica. Para un calentador de 5 kW que funciona 6000 horas al año a $0,10 por kWh, el costo de energía limpia-del calentador es de $3000. Un aumento promedio del 12% debido a las incrustaciones agrega $360 por año.
En una planta con 20 calentadores, el desperdicio de energía-relacionado con las incrustaciones podría ascender a 7200 dólares al año. Eso es más que el costo de un programa de mantenimiento preventivo que mantenga limpios los calentadores.
| Potencia del calentador | Horas anuales | Costo de energía limpia | 10% Costo de Incrustaciones | 15% Costo de Incrustaciones | Residuos anuales |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 kilovatios | 6,000 | $1,800 | $1,980 | $2,070 | $180–270 |
| 5 kilovatios | 6,000 | $3,000 | $3,300 | $3,450 | $300–450 |
| 8 kilovatios | 6,000 | $4,800 | $5,280 | $5,520 | $480–720 |
| 12 kilovatios | 6,000 | $7,200 | $7,920 | $8,280 | $720–1,080 |
Costo anual de energía y desperdicio por potencia del calentador y nivel de contaminación
Reducción de la contaminación-desperdicio de energía relacionado
La forma más eficaz de reducir el desperdicio de energía relacionado con la incrustación-es es descalcificar antes de que la capa de incrustación se vuelva espesa. Un programa de descalcificación trimestral mantiene el nivel medio de incrustaciones por debajo de 1 mm y el aumento de energía por debajo del 10%. Un programa de descalcificación mensual mantiene el aumento de energía por debajo del 5 % pero aumenta los costos de mano de obra y tiempo de inactividad.
Reducir la densidad de vatios reduce la temperatura de la funda y reduce la tasa de contaminación. Un calentador que funciona a 0,9 W/cm² acumula sarro más lentamente que uno a 1,4 W/cm², lo que amplía el intervalo entre limpiezas y reduce el desperdicio medio de energía.
La mejora del flujo en la superficie de la vaina reduce el espesor de la capa límite y la temperatura de la vaina. Un eductor o un tubo de rociado dirigido al calentador puede reducir la temperatura de la funda entre 10 y 15 grados, lo que ralentiza la incrustación y reduce el desperdicio de energía.
Cuando la contaminación-desperdicio de energía relacionada indica un problema de especificación
La suciedad repetida y el desperdicio de energía en el mismo tanque indican que el calentador está funcionando a una densidad de vatios demasiado alta para las condiciones químicas y de flujo. Una configuración personalizada del calentador de inmersión de PTFE con baja densidad de vatios, gran superficie y acceso mejorado al flujo reduce la contaminación y el desperdicio de energía asociado. El proceso de especificación requiere la química del baño, la temperatura de funcionamiento, la dureza del agua y la potencia requerida.
