Rezistente de imersie pentru apa
Incalzire prin contact direct cu lichidul, cu randament de transfer practic unitar. Dimensionarea se face in doi pasi: bilantul termic pentru putere, si criteriul temperaturii peliculei pentru incarcarea specifica.
Date de intrare
- Volumul sau debitul de apa,
V[m³] sau [m³/h] - Temperatura initiala si finala,
ΔT[K] - Durata admisa a incalzirii,
τ[s] - Calitatea apei: duritate, continut de cloruri, conductivitate
- Geometria vasului, grosimea si tipul izolatiei
- Tensiunea disponibila si limitarile de putere pe tablou
Bilantul termic
Puterea instalata se determina din bilantul termic al procesului, in forma uzuala in proiectarea instalatiilor de electrotermie:
Pt = (P1 + P2 + P3) · fs
P1, incalzirea sarcinii —P1 [kW] = m [kg] · cp [kJ/kg·K] · ΔT [K] / τ [s]P2, schimbarea de faza, daca exista —P2 [kW] = m [kg] · r [kJ/kg] / τ [s], curcaldura latenta de topire sau de vaporizareP3, pierderile prin anvelopa —P3 [W] = λ [W/m·K] · A [m²] · ΔT [K] / δ [m], cuδgrosimea izolatieifs, factor de siguranta — 1,10…1,30, dupa incertitudinea datelor de intrare si dupa frecventa deschiderilor incintei
In regim tranzitoriu dimensioneaza P1 si
P2; in regim stationar, P3.
Cele doua regimuri se verifica separat, iar puterea instalata se ia pe cea
mai mare dintre ele.
Exemplu de calcul
Rezervor de 1 m³, apa de la 10 la 60 °C, in doua ore. Cu
ρ = 1.000 kg/m³ si
cp = 4,18 kJ/kg·K:
P1 = 1.000 · 4,18 · 50 / 7.200 = 29,0 kW
Nu exista schimbare de faza, deci P2 = 0. Cu
pierderile prin anvelopa si fs = 1,20 rezulta o putere
instalata de circa 35 kW, realizabila cu trei elemente de
12 kW pe flansa, alimentate 3~400 V in stea.
Daca procesul cere vaporizare, termenul P2 devine
dominant: caldura latenta de vaporizare a apei este
r = 2.250 kJ/kg, de peste zece ori energia necesara incalzirii
cu 50 K.
Criteriul de dimensionare: temperatura peliculei
Puterea instalata nu determina singura durata de viata a elementului. Marimea critica este temperatura peliculei de fluid in contact cu teaca:
Tteaca = Tfluid + qs / α
unde qs este densitatea superficiala de flux termic
in W/m² (1 W/cm² = 104 W/m²), iar
α coeficientul de transfer termic convectiv, in
W/m²·K. Valori uzuale din literatura, ca ordin de marime:
| Mediu si regim | α [W/m²·K] |
|---|---|
| Apa, convectie naturala | 300–1.000 |
| Apa, convectie fortata | 1.000–6.000 |
| Ulei mineral, convectie naturala | 50–350 |
| Ulei mineral, circulat | 250–1.000 |
| Aer, convectie naturala | 5–25 |
| Aer, convectie fortata | 25–250 |
Raportul dintre extremele tabelului este de ordinul 103. Aceasta explica de ce aceeasi incarcare specifica este admisibila intr-un mediu si inacceptabila in altul, la putere instalata identica.
Pentru apa in convectie naturala, cu
α ≈ 500 W/m²·K si
qs = 3 W/cm², suprasarcina termica a peliculei
este ΔTpelicula = 30.000 / 500 = 60 K. In
convectie fortata, cu α ≈ 2.000 W/m²·K,
aceeasi suprasarcina permite qs = 8…12 W/cm².
Depasirea domeniului de fierbere nucleata duce la formarea unui film de
vapori la suprafata tecii, cu prabusirea coeficientului de transfer si
avarierea elementului la rezervor plin.
Incarcari din gamele de catalog
| Alimentare | L [mm] | Racord | P [W] | qs [W/cm²] | Teaca |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Se observa ca marirea lungimii active la putere constanta reduce
qs si, implicit, temperatura peliculei. Este
parghia uzuala de dimensionare cand mediul nu admite incarcari mari.
Selectia materialului tecii
- AISI 316L — apa tehnica, solutii neutre, industrie alimentara. Austenit cu molibden, rezistent la coroziune generala.
- Titan — medii cu cloruri: apa clorinata sau bromurata, apa de mare, circuite ozonizate. Pasivare stabila in prezenta halogenilor.
- Incoloy® 825 — apa demineralizata, acizi si baze. Aliaj Ni-Fe-Cr cu Mo si Cu, stabil la coroziune in puncte si la fisurare sub tensiune.
- Teaca de teflon — solutii puternic agresive, unde niciun aliaj metalic nu are durata acceptabila. Incarcare specifica mult redusa, impusa de conductivitatea termica a polimerului.
Racordare si montaj
Pentru puteri mici si medii, dop filetat G 1"1/4 pana la
G 2"1/2, insurubat in stutul rezervorului. Peste cateva zeci
de kW se trece pe flansa, care permite gruparea mai multor elemente pe acelasi
racord si impartirea pe trepte de putere.
Teaca de protectie se prevede cand elementul trebuie extras fara golirea vasului. Introduce o rezistenta termica de contact in serie, deci impune reducerea incarcarii specifice fata de montajul direct.
Zona rece de la racord si marcajul nivelului minim de lichid sunt constructive. Functionarea descoperita este regimul care distruge cel mai repede un element de imersie.
Verificari si incadrare normativa
- EN 60335-1 — curent de fuga maximum 0,75 mA/kW, cu limita de 5 mA pe aparat; rigiditate dielectrica probata la 1.250 V timp de 1 min intre partile active si masa.
- EN 60529 — grad de protectie. Executie standard IP 40; IP 66 cu cutie de borne din aluminiu, pentru spalare cu jet si umiditate permanenta.
- Alimentare — 230 V monofazat la puteri mici; 3~230 V in triunghi sau 3~400 V in stea la restul. Dezechilibrul admis pe faze se verifica la impartirea pe trepte.
- Protectie la supratemperatura — termostat de lucru plus limitator independent cu rearmare manuala, cu senzor propriu, montat astfel incat sa nu citeasca aceeasi zona ca regulatorul.
Executie
Suntem importatorii Electricfor, producator spaniol din Rubi, Barcelona, cu fabricatie proprie de elemente de incalzire din 1918. Facem dimensionarea pe datele procesului, alegem materialul tecii dupa analiza apei si racordul dupa constructia vasului. termenul de executie se confirma la oferta.
Transmite datele de intrare sau suna la 0744 986 047.
Vezi si rezistentele de imersie si rezistentele pentru ulei si fluide vascoase.
Intrebari frecvente
Cum se determina puterea instalata pentru un rezervor de apa?
Din bilantul termic: P1 = m x cp x dT / tau, cu cp = 4,18 kJ/kg·K pentru apa, la care se adauga pierderile prin anvelopa si un factor de siguranta de 1,10 pana la 1,30. Pentru 1 m3 incalzit cu 50 K in 7.200 s rezulta 29,0 kW in sarcina, respectiv circa 35 kW instalati.
Ce incarcare specifica se admite in apa?
Gamele standard de imersie lucreaza intre 4,4 si 10,5 W/cm2. Limita nu este o cifra fixa, ci rezulta din conditia ca temperatura peliculei sa ramana in domeniul fierberii nucleate. La apa dura, unde se depune carbonat de calciu pe teaca, incarcarea se reduce deliberat, pentru ca stratul de depunere introduce o rezistenta termica suplimentara in serie.
Cand este obligatoriu titanul in locul inoxului?
In prezenta clorurilor: apa tratata cu clor sau brom, apa de mare, circuite de piscina. Austenitele de tip AISI 316L sunt susceptibile la coroziune punctiforma si fisurare sub tensiune in medii cu cloruri, iar temperatura ridicata a peliculei accentueaza fenomenul.
De ce apa demineralizata cere alt material?
Pentru ca este un mediu slab conductiv si agresiv chimic: lipsa sarurilor dizolvate favorizeaza dizolvarea elementelor din aliajul tecii. Se lucreaza cu Incoloy 825 sau cu teaca de teflon, nu cu inox obisnuit.
Ce se intampla la functionare fara lichid?
Coeficientul de transfer scade de la ordinul 10^3 la ordinul 10 W/m2·K, deci temperatura peliculei creste cu doua ordine de marime in raportul q/alfa. Elementul atinge temperatura de distrugere a izolatiei minerale in cateva minute. De aceea nivelul minim de lichid este marcat pe element si se dubleaza cu protectie de nivel.