Merač unášanej pary
Manažér pokovovacej dielne si všimne, že účet za zemný plyn stúpa každý štvrťrok nahor. Objem výroby je stabilný. Teploty kúpeľa sú nezmenené. Výkon parného kotla stúpa. Dodatočná para neohrieva viac procesnej tekutiny. Kompenzuje zhoršený prenos tepla cez korodujúce povrchy výmenníka tepla.
Čistý kovový výmenník tepla efektívne prenáša teplo. Po mesiaci prevádzky v tvrdej vode alebo kúpeli na vodný kameň začne jeho účinnosť klesať. Po šiestich mesiacoch sa spotreba pary zvýšila o 20-30% pri rovnakej vykurovacej prevádzke. Po dvanástich mesiacoch môže byť potrebná výmena cievky alebo agresívne odstránenie vodného kameňa, pričom sa cyklus opakuje.
Tepelný výmenník PTFE v rovnakej prevádzke začína s mierne nižšou počiatočnou účinnosťou v dôsledku nižšej tepelnej vodivosti. Jeho účinnosť však zostáva stabilná. Po 12 mesiacoch spotrebuje PTFE špirála menej pary ako špirála z kovu, napriek počiatočnej tepelnej výhode kovu. Rozdiel v energetickej účinnosti sa obrátil.
Rastová krivka odolnosti voči znečisteniu
Odolnosť voči zanášaniu je tepelný odpor, ktorý vytvárajú usadeniny vodného kameňa na povrchu prenosu tepla. Postupom času rastie, keď sa hromadí vodný kameň. Rýchlosť rastu odolnosti voči znečisteniu závisí od povrchového materiálu, chémie tekutiny, teploty a rýchlosti.
Na nehrdzavejúcej oceli odolnosť voči zanášaniu rýchlo rastie. Vysoko-energetický povrch oxidu kovu priťahuje a viaže vodný kameň-tvoriaci zrazeniny. Drsnosť povrchu spôsobená koróziou vytvára mechanické spojovacie miesta. Do 3 mesiacov odolnosť proti znečisteniu pridá 0,0005-0,0010 m²·K/W tepelného odporu. Do 12 mesiacov pridá 0,0015-0,0030 m²·K/W.
Na PTFE odolnosť proti zanášaniu rastie pomaly. Nízkoenergetický fluórpolymérový povrch odoláva priľnavosti vodného kameňa. Hladký povrch poskytuje málo mechanických spojovacích miest. Do 12 mesiacov odolnosť voči zanášaniu pridá iba 0,0002-0,0005 m²·K/Wa zlomok pokuty za znečistenie kovu.
Celkový koeficient prestupu tepla pre čistú špirálu z nehrdzavejúcej ocele je približne 800 W/m²·K. Po 12 mesiacoch škálovania klesne na 250-350 W/m²·Ka 55-70 % zníženie.
Celkový koeficient prestupu tepla pre čistú PTFE špirálu je približne 280 W/m²·K. Po 12 mesiacoch klesne na 240-260 W/m²·K, čo predstavuje zníženie o 8 – 15 %.
Tabuľka 1: Porovnanie energetickej účinnosti za 12 mesiacov (50 kW prevádzka, podmienky mierneho škálovania)
| Časové obdobie | U-hodnota kovovej cievky (W/m²·K) | PTFE cievka U-Hodnota (W/m²·K) | Spotreba kovovej pary (kg/h) | Spotreba pary PTFE (kg/h) | Medzera v účinnosti |
|---|---|---|---|---|---|
| 1. mesiac (čistý) | 800 | 280 | 78 | 82 | +5 % (kovová výhoda) |
| 3. mesiac | 550 | 270 | 82 | 83 | +1 % (blízka parita) |
| 6. mesiac | 380 | 255 | 86 | 83 | -3 % (výhoda PTFE) |
| 9. mesiac | 320 | 248 | 89 | 84 | -6 % (výhoda PTFE) |
| 12. mesiac | 290 | 240 | 91 | 85 | -7 % (výhoda PTFE) |
| Mesiac 12 (po odstránení vodného kameňa) | 800 | 240 | 78 | 85 | +9 % (dočasná výhoda kovu) |
Spotreba pary vypočítaná pri 3 barg nasýtenej pary. Predpokladá konštantnú tepelnú záťaž a LMTD. Odvápnenie kovovou cievkou obnoví účinnosť, ale cyklus sa opakuje.
Ročný vplyv nákladov na palivo
Kumulatívny rozdiel v spotrebe pary sa premieta priamo do nákladov na palivo. Kotol vyrábajúci paru s účinnosťou 80 % zo zemného plynu s cenou 5 USD na milión BTU spotrebuje približne 0,03 USD na kg pary.
Pre kovovú cievku je priemerná spotreba pary za 12 mesiacov (vrátane odvápňovania v 6. mesiaci) približne 84 kg/h. Priemerná spotreba PTFE cievky je približne 83 kg/h. Ročný rozdiel je malý, ak sa kovová cievka pravidelne odvápňuje.
Rozdiel je výrazný, keď je odstraňovanie vodného kameňa oneskorené alebo neúplné. Zariadenie pracujúce s obmedzenými zdrojmi údržby môže prevádzkovať kovovú cievku celých 12 mesiacov bez odstraňovania vodného kameňa. V tomto realistickom scenári spotrebuje kovová cievka priemerne 85 kg/h, zatiaľ čo PTFE spotrebuje 83 kg/h. Viac ako 6 000 prevádzkových hodín predstavuje rozdiel 2 kg/h 12 000 kg dodatočnej pary{11}}približne 360 USD v nákladoch na palivo na cievku za rok.
Tento rozdiel v jednej{0}cievke sa znásobuje vo viacerých nádržiach. Zariadenie s 20 vyhrievanými nádržami má v porovnaní so stabilnými PTFE cievkami približne 7 200 USD na dodatočných ročných nákladoch na palivo v porovnaní so stabilnými PTFE špirálami, okrem nákladov na odstraňovanie vodného kameňa, prácu a prestoje.
Zhrnutie
Skutočná medzera v energetickej účinnosti medzi čistým PTFE výmenníkom tepla a kovovým povrchom so šupinami sa postupne rozširuje počas 12-mesačného prevádzkového cyklu. Kovové špirály začínajú s vyššou účinnosťou, ale strácajú 55 – 70 % svojho koeficientu prestupu tepla znečistením. PTFE cievky začínajú nižšie, ale strácajú iba 8-15%, čím dosahujú vynikajúcu účinnosť po približne 4-6 mesiacoch nepretržitej prevádzky.
Kumulatívne náklady na palivo, aj keď sú na cievku mierny, sú významné pri viacerých nádržiach. Väčším finančným dopadom sú náklady na odstraňovanie vodného kameňa potrebné na obnovenie účinnosti kovovej cievky,{1}}ktoré náklady na PTFE úplne eliminuje.
Po predložení údajov o kvalite vody, aktuálnej frekvencii odstraňovania vodného kameňa, nákladoch na paru a meraní výkonu výmenníka tepla je k dispozícii inžinierska analýza na porovnanie energetickej účinnosti v špecifických podmienkach škálovania.
