Fűtőbetétek olajhoz és viszkózus folyadékokhoz
A méretezést a védőcső felületén történő hőátadás határozza meg, nem a beépített teljesítmény. Az olaj ugyanakkora hőmérséklet-emeléshez kevesebb energiát kér, mint a víz, de többszörösen kisebb fajlagos terhelést enged meg.
Fizikai tulajdonságok összehasonlítva
| Mennyiség | Víz | Ásványolaj |
|---|---|---|
| Sűrűség ρ [kg/dm³] | 1,0 | 0,9 |
| Fajhő cp [kJ/kg·K] | 4,18 | 1,8 |
| Párolgáshő r [kJ/kg] | 2.250 | 293 |
| α, természetes konvekció [W/m²·K] | 300–1.000 | 50–350 |
Az első két sor azonos térfogatnál és ΔT mellett a terhelési teljesítményt a víznél szükséges kb. 39 százalékára csökkenti. Az elemet azonban az utolsó sor méretezi.
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.
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.
A kokszosodási küszöb
Természetes konvekciós viszkózus olajnál, α ≈ 150 W/m²·K és qs = 1 W/cm² értékkel:
ΔThatárréteg = 10 000 / 150 = 67 K
120 °C-os fürdőhőmérsékletnél a védőcső tehát kb. 187 °C-on dolgozik. A szokásos ásványolajok hőbomlása a határrétegben 200–250 °C között kezdődik, így a tartalék kicsi. qs = 3 W/cm² értéknél ugyanez a geometria ΔThatárréteg = 200 K értéket és 300 °C feletti védőcső-hőmérsékletet adna — biztos kokszosodás.
A keletkező karbonlerakódás hővezető képessége 0,1…0,5 W/m·K nagyságrendű, és soros hőellenállásként működik: a fém hőmérséklete nő, a lerakódás sebessége nő, a folyamat öngyorsító. Nehézolajokhoz és fűtőolajhoz igen kis teljesítménysűrűségű kiviteleket használunk, azonos teljesítmény mellett megnövelt aktív hosszal.
Szobahőmérsékleten szilárd termékek
A paraffinok, viaszok, gyanták és a festékek egy része a P2 tag figyelembevételét teszi szükségessé. Paraffinra r = 147 kJ/kg:
200 l · 0,89 kg/l = 178 kg → 178 · 147 = 26 166 kJ ≈ 26,2 MJ
Összehasonlításként ugyanennek a tömegnek az olvadás utáni 10 K-es felfűtése 178 · 2,93 · 10 = 5215 kJ ≈ 5,2 MJ, ötször kevesebb. Az időtartamot tehát az olvasztás méretezi, nem a teljesítményt.
A koncentrált fűtés ellenjavallt: nagy teljesítménynél az elem körül egy csatorna olvad meg, a tömeg többi része szilárd marad, és a hőátadás a számítottnál jóval kisebb felületen történik. A megoldás a burkolaton elosztott fűtés — hordófűtő öv vagy fenékfűtő elem — kis teljesítménysűrűséggel és hosszú időtartammal.
Kőolajvezetékeknél a cél nem a termék felfűtése, hanem a nyomvonal tartása a paraffinkristályok megjelenési hőmérséklete fölött, mert különben ezek a belső falra rakódnak, és csökkentik a hasznos keresztmetszetet.
Anyagok és kivitelek
- Ásványolajok, gázolaj, hidraulikaolaj — AISI 316L védőcső, csökkentett terheléshez megnövelt aktív hossz.
- Fűtőolaj, maradékok, nehéz termékek — igen kis teljesítménysűrűségű kivitel, a tartály alsó részén elhelyezve, ahol a viszkozitás a legnagyobb.
- Oldószerek és agresszív közegek — Incoloy® 825, titán vagy teflon védőcső, a vegyi összeférhetőség szerint.
- Hordók és mobil tartályok — külső fűtőöv vagy fenékfűtő elem saját termosztáttal.
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.
A fenti listán felül olajoknál: a független határolót a folyadék lobbanáspontja alá állítjuk, kényszerkeringtetésű berendezéseknél pedig szivattyúreteszelést írunk elő.
Kivitelezés
Az Electricfor importőrei vagyunk; a spanyol gyártó Rubíban (Barcelona) 1918 óta saját maga gyárt. Az elemet az indítási hőmérsékleten mért viszkozitás, az üzemi hőmérséklet és a keringtetési mód szerint választjuk. A határidőt az ajánlatban erősítjük meg.
Küldje el a bemeneti adatokat — termék, hideg viszkozitás, térfogat, ΔT, megengedett időtartam, keringtetési mód. Vagy írjon WhatsAppon.
Lásd még a vízfűtő betéteket, a hordófűtő öveket és a kőolajvezetékek fűtését.
Gyakori kérdések
Miért nem használható ugyanaz a fajlagos terhelés, mint víznél?
Mert az alfa egy nagyságrenddel kisebb: természetes konvekciós olajnál 50-350 W/m2·K, víznél 300-1000. Azonos teljesítménysűrűségnél a határréteg hőtöbblete arányosan nő, és a védőcső hőmérséklete átlépi az olaj hőbomlási küszöbét.
Mi történik fizikailag kokszosodáskor?
A határrétegben lévő szénhidrogének hőbomlást szenvednek, és tapadó karbonlerakódást hagynak a védőcsövön. A lerakódás hővezető képessége kicsi, így soros hőellenállást visz be, amely tovább emeli a fém hőmérsékletét. A folyamat öngyorsító, és a védőcső átszakadásával végződik.
Mennyivel kisebb a szükséges teljesítmény, mint víznél?
Az olaj fajhője 1,8 kJ/kg·K a víz 4,18-ával szemben, sűrűsége 0,9 az 1,0 kg/dm3-rel szemben. Azonos térfogatnál és dT mellett a terhelési teljesítmény kb. 39 százalékra csökken. A korlát azonban nem a teljesítmény, hanem a szükséges hőcserélő felület.
Hogyan méretezünk szobahőmérsékleten szilárd termékekre?
Belép a halmazállapot-változás tagja. Paraffin olvadáshője 147 kJ/kg: egy 200 literes hordó kb. 178 kg-ot tartalmaz, tehát csak az olvasztás 26,2 MJ, szemben az utána következő 10 K-es felfűtés 5,2 MJ-jával. Kis teljesítménnyel és hosszú idővel dolgozunk, fűtőövvel vagy fenékfűtő elemmel, nem koncentrált merülőfűtéssel.
Milyen védelmek kötelezők keringtetett hőközlő olajoknál?
Független hőmérséklet-határoló a folyadék lobbanáspontja alá állítva, szintvédelem és szivattyúreteszelés különbségi nyomáskapcsolóval vagy átfolyásmérővel. Ha a keringtetés leáll, az alfa a természetes konvekció értékére esik, és a számított terhelés már nem érvényes.