Fűtőelemek és kaloriferek levegőhöz

Bemeneti adatok

• A térfogatáram, V̇ [m³/h], és a csatorna keresztmetszete
• Belépő és kilépő hőmérséklet, ΔT [K]
• A rendelkezésre álló nyomás és a kaloriferen megengedett nyomásesés
• A zóna besorolása: normál vagy robbanásveszélyes
• A feszültség és az elfogadott szabályozási fokozatok száma

A terhelési teljesítmény

Normál állapotú levegőre, ρ = 1,2 kg/m³ és cp = 1,005 kJ/kg·K értékkel:

P [kW] = V̇ [m³/h] · ρ · cp · ΔT / 3600 ≈ V̇ · ΔT / 3000

Példa: 2000 m³/h 25 K-nel történő felfűtése 2000 · 25 / 3000 = 16,7 kW terhelési teljesítményt kíván. 100 °C felett a sűrűség érezhetően csökken, és az összefüggést a légáram középhőmérsékletével korrigáljuk.

A hőmérleg

A beépített teljesítményt a folyamat hőmérlegéből határozzuk meg, az elektrotermikus berendezések tervezésében szokásos formában:

Pt = (P1 + P2 + P3) · fs

• P1, a terhelés felfűtése — P1 [kW] = m [kg] · cp [kJ/kg·K] · ΔT [K] / τ [s]
• P2, halmazállapot-változás, ha van — P2 [kW] = m [kg] · r [kJ/kg] / τ [s], ahol r az olvadás- vagy párolgáshő
• P3, a burkolaton át távozó hőveszteség — P3 [W] = λ [W/m·K] · A [m²] · ΔT [K] / δ [m], ahol δ a szigetelés vastagsága
• fs, biztonsági tényező — 1,10…1,30, a bemeneti adatok bizonytalansága és a tér nyitásainak gyakorisága szerint

Átmeneti üzemben P1 és P2 a méretező; állandósult üzemben P3. A két üzemmódot külön ellenőrizzük, és a beépített teljesítmény a nagyobbik.

A méretezési kritérium: a határréteg hőmérséklete

Az elem élettartamát nem egyedül a beépített teljesítmény határozza meg. A kritikus mennyiség a védőcsővel érintkező folyadékréteg hőmérséklete:

Tvédőcső = Tközeg + qs / α

ahol qs a felületi hőteljesítmény-sűrűség W/m²-ben (1 W/cm² = 104 W/m²), α pedig a konvektív hőátadási tényező W/m²·K-ben. Szakirodalmi szokásos értékek, nagyságrendileg:

A táblázat szélső értékeinek aránya 10³ nagyságrendű. Ez magyarázza, miért megengedett ugyanaz a fajlagos terhelés az egyik közegben, és elfogadhatatlan a másikban, azonos beépített teljesítmény mellett.

A kiterjesztett felület szerepe

A táblázat értékeinek számszerű következménye: sima csövön, kényszerkonvekcióban α ≈ 60 W/m²·K és qs = 2 W/cm² mellett adódik

ΔThatárréteg = 20 000 / 60 = 333 K

ami a legtöbb alkalmazásnál elfogadhatatlan. Az ötszörösére növelt hőcserélő felületű bordákkal a külső felületre vetített teljesítménysűrűség 0,4 W/cm²-re, a határréteg hőtöbblete 67 K-re csökken. Ez a borda feladata: nem a teljesítményt növeli, hanem azonos teljesítmény mellett a fém hőmérsékletét csökkenti.

• Négyszögletes borda — azonos befoglaló méret mellett a legnagyobb felületnövelés; légcsatornákban és klímaberendezések kaloriferjeiben használják, általában 300–400 °C-ig.
• Csavarvonalas borda — könnyebben tisztítható, poros vagy szöszös légáramokhoz ajánlott.
• Sima cső — magas hőmérsékletek és kemencekamrák, hőálló rozsdamentes acélból vagy Incoloy®-ból. Ott a hőátadás túlnyomóan sugárzással történik, és a borda már nem hoz nyereséget.

Légcsatorna-kaloriferek

A kalorifer a csatorna négyszögletes vagy kör keresztmetszetére készül, az elemek teljesítményfokozatokra csoportosítva. A fokozatokra bontás korlátozza a bekapcsolási áramot, és finom szabályozást tesz lehetővé; alternatívaként tirisztoros vezérlés teljes hullámú vagy fázishasításos üzemmódban.

A kaloriferen fellépő nyomásesést a ventilátor jelleggörbéjével együtt ellenőrizzük: a túl kis bordaosztású kalorifer eltolhatja a munkapontot, és a térfogatáramot a számított érték alá csökkentheti, ami érvényteleníti a hőtechnikai méretezést.

Üzem légáram nélkül

Ez a méretező üzemzavari állapot. A ventilátor leállásakor az α a kényszerkonvekció tartományából a természetes konvekcióéba, vagyis egy nagyságrenddel esik, és a védőcső hőmérséklete ennek megfelelően nő. Kötelező intézkedések:

• különbségi nyomáskapcsoló a csatornán vagy a ventilátor működését visszajelző érintkező, a kalorifer vezérlésével sorba kötve;
• kézi visszaállítású hőmérséklet-határoló, érzékelővel a kilépő légáramban;
• utószellőztetési késleltetés leálláskor, az elemekben felhalmozott hő elvezetésére.

Robbanásveszélyes területek

Robbanásveszélyes légkörben az EN 60079 szerint tanúsított, robbanásbiztos kivitelű konvektorokat és légfűtőket használunk. A hőmérsékleti osztályt és az anyagcsoportot a zóna besorolása szerint határozzuk meg, a megfelelőségi dokumentáció pedig átadáskor a berendezéssel együtt jár.

Ellenőrzések és szabványi besorolás

• EN 60335-1 — szivárgó áram legfeljebb 0,75 mA/kW, készülékenként legfeljebb 5 mA; villamos szilárdság 1250 V-tal, 1 percig vizsgálva az aktív részek és a test között.
• EN 60529 — védettség. Normál kivitel IP 40; alumínium kapocsdobozzal IP 66, vízsugaras mosáshoz és állandó nedvességhez.
• Táplálás — kis teljesítménynél 230 V egyfázisú; egyébként 3~230 V delta vagy 3~400 V csillag. A fázisok megengedett aszimmetriáját a fokozatokra bontásnál ellenőrizzük.
• Túlmelegedés elleni védelem — üzemi termosztát plusz független, kézi visszaállítású határoló, saját érzékelővel, úgy szerelve, hogy ne ugyanazt a zónát mérje, mint a szabályozó.

Kivitelezés

Az Electricfor importőrei vagyunk; a spanyol gyártó Rubíban (Barcelona) 1918 óta saját maga gyárt. A kalorifer a csatorna keresztmetszetére készül, az alkalmazás által előírt fokozatokkal és védelmekkel. A határidőt az ajánlatban erősítjük meg.

Küldje el a bemeneti adatokat — térfogatáram, keresztmetszet, ΔT, a zóna besorolása. Vagy írjon WhatsAppon.

Lásd még a levegő- és gázfűtő elemeket és a kemencefűtő elemeket.

Gyakori kérdések

Hogyan számolható egy légcsatorna-kalorifer teljesítménye?

P = térfogatáram x sűrűség x fajhő x dT. 20 °C-on rho = 1,2 kg/m3 és cp = 1,005 kJ/kg·K értékkel az összefüggés P [kW] = V [m3/h] x dT [K] / 3000 alakra egyszerűsödik. 100 °C feletti technológiai meleg levegőnél a sűrűség csökken, és az összefüggést a középhőmérséklettel korrigáljuk.

Miért kellenek a bordák?

Mert a levegő alfája kényszerkonvekcióban 25-250 W/m2·K nagyságrendű, a víz 10^3-ával szemben. Sima csövön a 2 W/cm2-es terhelés 300 K feletti határréteg-hőtöbbletet adna. A bordák többszörösére növelik a hőcserélő felületet, arányosan csökkentve a külső felületre vetített teljesítménysűrűséget.

Mi történik, ha a ventilátor leáll?

Az üzem kényszerkonvekcióból természetes konvekcióba vált, így az alfa nagyjából tizedére esik. A védőcső hőmérséklete állandósult állapotban izzásig nő, a csatornában lévő lerakódások meggyulladásának veszélyével. A ventilátorreteszelés különbségi nyomáskapcsolóval vagy visszajelző érintkezővel kötelező.

Miért bontjuk fokozatokra a kalorifert?

Két okból: a bekapcsolási áram korlátozása és a szabályozás miatt. Az egészében kapcsolt kalorifer hőmérséklet-ingadozást okoz a csatornában, és minden bekapcsoláskor terheli a hálózatot. A fokozatokra bontás vagy a teljes hullámú, illetve fázishasításos tirisztoros vezérlés szűk határok között tartja a kilépő hőmérsékletet.