Merülőfűtő betétek vízhez
Fűtés a folyadékkal való közvetlen érintkezéssel, gyakorlatilag egységnyi hőátadási hatásfokkal. A méretezés két lépésben történik: hőmérleg a teljesítményhez, és a határréteg-hőmérséklet kritériuma a fajlagos terheléshez.
Bemeneti adatok
- A víz térfogata vagy térfogatárama,
V[m³] vagy [m³/h] - Kezdeti és végső hőmérséklet,
ΔT[K] - A felfűtés megengedett időtartama,
τ[s] - Vízminőség: keménység, kloridtartalom, vezetőképesség
- Az edény geometriája, a szigetelés vastagsága és típusa
- A rendelkezésre álló feszültség és a szekrény teljesítménykorlátai
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], aholraz olvadás- vagy párolgáshőP3, a burkolaton át távozó hőveszteség —P3 [W] = λ [W/m·K] · A [m²] · ΔT [K] / δ [m], aholδa szigetelés vastagságafs, 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.
Számítási példa
1 m³-es tartály, víz 10-ről 60 °C-ra, két óra alatt. ρ = 1000 kg/m³ és cp = 4,18 kJ/kg·K értékkel:
P1 = 1000 · 4,18 · 50 / 7200 = 29,0 kW
Nincs halmazállapot-változás, tehát P2 = 0. A burkolat hőveszteségével és fs = 1,20 értékkel kb. 35 kW beépített teljesítmény adódik, amely három 12 kW-os, karimára szerelt, 3~400 V csillagba kötött elemmel valósítható meg.
Ha a folyamat párologtatást kíván, a P2 tag válik meghatározóvá: a víz párolgáshője r = 2250 kJ/kg, több mint tízszerese az 50 K-es felfűtéshez szükséges energiának.
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:
| Közeg és üzemmód | α [W/m²·K] |
|---|---|
| Víz, természetes konvekció | 300–1.000 |
| Víz, kényszerkonvekció | 1.000–6.000 |
| Ásványolaj, természetes konvekció | 50–350 |
| Ásványolaj, keringtetett | 250–1.000 |
| Levegő, természetes konvekció | 5–25 |
| Levegő, kényszerkonvekció | 25–250 |
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.
Természetes konvekciós víznél, α ≈ 500 W/m²·K és qs = 3 W/cm² értékkel a határréteg hőtöbblete ΔThatárréteg = 30 000 / 500 = 60 K. Kényszerkonvekcióban, α ≈ 2000 W/m²·K mellett ugyanez a hőtöbblet qs = 8…12 W/cm² terhelést enged meg. A buborékos forrás tartományának túllépése gőzfilmet képez a védőcső felületén, a hőátadási tényező összeomlásával és az elem tönkremenetelével teli tartály mellett.
Terhelések a katalógus-sorozatokból
| Táplálás | L [mm] | Csatlakozás | P [W] | qs [W/cm²] | Védőcső |
|---|---|---|---|---|---|
| 230 V | 150 | G 1"1/4 | 750 | 5,0 | AISI 316L |
| 230 V | 350 | G 1"1/4 | 2.000 | 4,5 | AISI 316L |
| 3~ | 350 | G 2" | 3.000 | 7,0 | AISI 316L |
| 3~ | 680 | G 2" | 6.000 | 6,4 | AISI 316L |
| 3~ | 400 | G 2"1/2 | 12.000 | 6,4 | AISI 316L |
| 3~ | 450 | G 2"1/2 | 18.000 | 10,5 | AISI 316L |
| 3~ | 1.320 | G 1"1/2 | 12.000 | 6,3 | Incoloy® 825 |
Látható, hogy az aktív hossz növelése állandó teljesítmény mellett csökkenti qs értékét, és ezzel a határréteg hőmérsékletét. Ez a szokásos méretezési eszköz, ha a közeg nem enged nagy terhelést.
A védőcső anyagának kiválasztása
- AISI 316L — ipari víz, semleges oldatok, élelmiszeripar. Molibdéntartalmú ausztenites acél, ellenáll az általános korróziónak.
- Titán — kloridos közegek: klórozott vagy brómozott víz, tengervíz, ózonos körök. Stabil passziválás halogének jelenlétében.
- Incoloy® 825 — sótalanított víz, savak és lúgok. Mo- és Cu-tartalmú Ni-Fe-Cr ötvözet, ellenáll a lyukkorróziónak és a feszültségkorróziós repedésnek.
- Teflon védőcső — erősen agresszív oldatok, ahol egyetlen fémötvözetnek sincs elfogadható élettartama. Erősen csökkentett fajlagos terhelés, a polimer hővezető képessége miatt.
Csatlakoztatás és szerelés
Kis és közepes teljesítményeknél G 1"1/4 és G 2"1/2 közötti menetes dugó, a tartály csonkjába csavarva. Néhány tíz kW felett karimára váltunk, amely több elem egy csatlakozásra csoportosítását és teljesítményfokozatokra bontását teszi lehetővé.
Védőhüvelyt akkor írunk elő, ha az elemet az edény leürítése nélkül kell kiszerelni. Soros kontakt hőellenállást visz be, ezért a közvetlen szereléshez képest csökkenteni kell a fajlagos terhelést.
A csatlakozásnál lévő hideg zóna és a minimális folyadékszint jelölése szerkezeti elem. A szárazon futás az az üzemmód, amely a leggyorsabban tönkreteszi a merülőfűtőt.
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 gyártja a fűtőelemeit. A méretezést a folyamat adatai alapján végezzük, a védőcső anyagát a vízelemzés, a csatlakozást az edény kialakítása szerint választjuk. A határidőt az ajánlatban erősítjük meg.
Küldje el a bemeneti adatokat vagy írjon WhatsAppon.
Lásd még a merülőfűtő betéteket és az olajhoz és viszkózus folyadékokhoz való fűtőbetéteket.
Gyakori kérdések
Hogyan határozható meg egy víztartály beépített teljesítménye?
A hőmérlegből: P1 = m x cp x dT / tau, vízre cp = 4,18 kJ/kg·K, ehhez jön a burkolat hővesztesége és egy 1,10–1,30 közötti biztonsági tényező. 1 m3 víz 50 K-es felfűtésére 7200 s alatt 29,0 kW terhelés adódik, illetve kb. 35 kW beépített teljesítmény.
Milyen fajlagos terhelés megengedett vízben?
A szabványos merülő sorozatok 4,4 és 10,5 W/cm2 között dolgoznak. A határ nem rögzített szám, hanem abból a feltételből adódik, hogy a határréteg hőmérséklete a buborékos forrás tartományában maradjon. Kemény víznél, ahol kalcium-karbonát rakódik a védőcsőre, a terhelést szándékosan csökkentjük, mert a lerakódás további soros hőellenállást visz be.
Mikor kötelező a titán a rozsdamentes acél helyett?
Kloridok jelenlétében: klórral vagy brómmal kezelt víz, tengervíz, uszodai körök. Az AISI 316L típusú ausztenites acélok kloridos közegben hajlamosak a lyukkorrózióra és a feszültségkorróziós repedésre, a határréteg magas hőmérséklete pedig fokozza a jelenséget.
Miért kíván más anyagot a sótalanított víz?
Mert gyengén vezető és vegyileg agresszív közeg: az oldott sók hiánya elősegíti a védőcső ötvözőelemeinek kioldódását. Incoloy 825-tel vagy teflon védőcsővel dolgozunk, nem közönséges rozsdamentes acéllal.
Mi történik, ha folyadék nélkül üzemel?
A hőátadási tényező 10^3 nagyságrendről 10 W/m2·K nagyságrendre esik, így a q/alfa arányban a határréteg hőmérséklete két nagyságrenddel nő. Az elem néhány perc alatt eléri az ásványi szigetelés tönkremeneteli hőmérsékletét. Ezért a minimális folyadékszintet az elemen jelölik, és szintvédelemmel duplázzák.