Une usine chimique a suivi la consommation d’énergie d’un thermoplongeur en PTFE de 5 kW sur douze mois. Le chauffage était détartré tous les trimestres. Les données énergétiques ont montré une tendance claire : la consommation augmentait régulièrement entre les nettoyages, puis diminuait fortement après chaque détartrage. La consommation d'énergie moyenne sur l'année était 12 % supérieure à la référence de référence pour une gaine propre. C'est la couche d'encrassement, et non le radiateur lui-même, qui est responsable de cette augmentation.
L'encrassement de la gaine est l'accumulation de dépôts sur la surface chauffante. Les dépôts peuvent être constitués de tartre minéral, d'hydroxydes métalliques, de résidus organiques ou d'une combinaison de ceux-ci. Toutes les couches d'encrassement ont une conductivité thermique inférieure à celle du PTFE, elles ajoutent donc une résistance thermique entre la gaine et le fluide de procédé. Le radiateur doit chauffer plus pour fournir la même chaleur, et une température plus élevée augmente les pertes d’énergie.
La résistance thermique d'une couche d'encrassement
Une couche d'encrassement ajoute de la résistance en série avec la gaine PTFE et la couche limite convective. La résistance thermique totale détermine l'écart de température entre la gaine- et-. Pour un flux thermique donné, une résistance totale plus élevée signifie une température de gaine plus élevée.
La conductivité thermique d'une couche d'encrassement dépend de sa composition et de sa porosité. Le tartre de carbonate de calcium a une conductivité thermique de 0,5 à 2,0 W/m·K. Les dépôts d'hydroxyde métallique sont plus faibles, de l'ordre de 0,2 à 0,5 W/m·K. Les résidus organiques sont les plus faibles, souvent inférieurs à 0,2 W/m·K. Une couche de 1 mm de l'un de ces dépôts ajoute une résistance significative.
| Type d'encrassement | Conductivité thermique | Résistance 1 mm | Augmentation du ΔT de la gaine à 1,0 W/cm² | Perte d'énergie |
|---|---|---|---|---|
| Carbonate de calcium | 1.0–2.0 W/m·K | Faible à modéré | 5 à 10 degrés | 5–10% |
| Sulfate de calcium | 0.8–1.5 W/m·K | Modéré | 7 à 12 degrés | 7–12% |
| Hydroxyde de métal | 0.2–0.5 W/m·K | Haut | 20 à 50 degrés | 15–25% |
| Résidu organique | <0.2 W/m·K | Très élevé | 50-100 degrés | 20–35% |
| Dépôt mixte | 0.3–1.0 W/m·K | Modéré à élevé | 10 à 30 degrés | 10–20% |
Résistance thermique et perte d'énergie par type d'encrassement
Pourquoi l'encrassement augmente la consommation d'énergie
L'énergie consommée par le réchauffeur est la somme de la chaleur utile délivrée au bain et des déperditions. La chaleur utile est déterminée par la charge du processus et est indépendante de l'encrassement. Les pertes augmentent à mesure que la température de la gaine augmente.
Les pertes se produisent à travers l'enceinte du terminal, la bride et les parois du réservoir. Plus la température de la gaine est élevée, plus la différence de température entre le réchauffeur et l'environnement est importante et plus les pertes sont importantes. Un radiateur fonctionnant 20 degrés plus chaud que propre peut perdre 10 à 15 % d'énergie en plus par ces voies.
Le chauffage fonctionne également plus longtemps pour maintenir le point de consigne. Le contrôleur voit la température du bain baisser ou ne pas atteindre le point de consigne et maintient le chauffage sous tension. La combinaison de pertes plus élevées et d’une durée de fonctionnement plus longue augmente la consommation totale d’énergie.
L'effet cumulatif de l'encrassement au fil du temps
L'encrassement s'accumule progressivement. Une fine couche a peu d’effet sur le transfert de chaleur. Mais à mesure que la couche s’épaissit, la température de la gaine augmente, ce qui accélère le dépôt. Le processus s'auto-renforce-.
La consommation d'énergie suit le même schéma. Elle monte lentement au début, puis s'accélère à mesure que la couche d'encrassement s'épaissit. Un appareil de chauffage détartré tous les trimestres peut afficher une augmentation d'énergie de 5 % le premier mois, de 10 % le deuxième et de 15 à 20 % le troisième. La moyenne sur le trimestre est de 10 à 12 % supérieure à la référence.
| Temps écoulé depuis le détartrage | Épaisseur d'encrassement | Augmentation du ΔT de la gaine | Consommation d'énergie relative |
|---|---|---|---|
| 0 semaines (propre) | 0 mm | Référence | 1.00× |
| 2 semaines | 0,2 à 0,4 mm | 3 à 6 degrés | 1.03–1.06× |
| 4 semaines | 0,4 à 0,8 mm | 6-12 degrés | 1.06–1.12× |
| 8 semaines | 0,8 à 1,5 mm | 12-20 degrés | 1.12–1.20× |
| 12 semaines | 1,5 à 2,5 mm | 20 à 35 degrés | 1.20–1.35× |
| 16+ semaines | >2,5 mm | >35 degrés | >1.35× |
La consommation d'énergie augmente à mesure que l'encrassement s'accumule entre les nettoyages
Le coût de l'encrassement-Le gaspillage d'énergie lié
Le coût de l’énergie gaspillée dépend de la puissance du chauffage, des heures de fonctionnement et du tarif de l’électricité. Pour un appareil de chauffage de 5 kW fonctionnant 6 000 heures par an à 0,10 $ par kWh, le coût de l'énergie propre-du chauffage est de 3 000 $. Une augmentation moyenne de 12 % due à l'encrassement ajoute 360 $ par an.
Dans une usine équipée de 20 appareils de chauffage, le gaspillage d'énergie-lié à l'encrassement pourrait totaliser 7 200 $ par an. C’est plus que le coût d’un programme d’entretien préventif qui maintient les radiateurs propres.
| Puissance du chauffage | Heures annuelles | Coût de l'énergie propre | 10 % de coût d'encrassement | 15 % de coût d'encrassement | Déchets annuels |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Coût énergétique annuel et gaspillage par puissance de chauffage et niveau d'encrassement
Réduire l'encrassement-Le gaspillage d'énergie lié
Le moyen le plus efficace de réduire le gaspillage d'énergie lié à l'encrassement-est de détartrer avant que la couche d'encrassement ne devienne épaisse. Un programme de détartrage trimestriel maintient le niveau d'encrassement moyen en dessous de 1 mm et l'augmentation d'énergie en dessous de 10 %. Un programme de détartrage mensuel maintient l'augmentation d'énergie en dessous de 5 % mais augmente les coûts de main d'œuvre et de temps d'arrêt.
La diminution de la densité en watts réduit la température de la gaine et ralentit le taux d'encrassement. Un appareil de chauffage fonctionnant à 0,9 W/cm² accumule le tartre plus lentement qu'un appareil à 1,4 W/cm², prolongeant ainsi l'intervalle entre les nettoyages et réduisant le gaspillage d'énergie moyen.
L'amélioration de l'écoulement à la surface de la gaine réduit l'épaisseur de la couche limite et la température de la gaine. Un éjecteur ou un tuyau de barbotage dirigé vers le réchauffeur peut réduire la température de la gaine de 10 à 15 degrés, ce qui ralentit l'encrassement et réduit le gaspillage d'énergie.
Lorsque le gaspillage d'énergie lié à l'encrassement-signale un problème de spécification
Des encrassements répétés et un gaspillage d'énergie dans le même réservoir indiquent que le réchauffeur fonctionne à une densité en watts trop élevée pour les conditions chimiques et d'écoulement. Une configuration personnalisée de thermoplongeur en PTFE avec une faible densité de watts, une grande surface et un accès amélioré au flux réduit l'encrassement et le gaspillage d'énergie associé. Le processus de spécification nécessite la chimie du bain, la température de fonctionnement, la dureté de l'eau et la puissance requise.
