Rezistente de incalzire pentru ulei si fluide vascoase
Dimensionarea este guvernata de transferul termic la suprafata tecii, nu de puterea instalata. Uleiul cere mai putina energie decat apa pentru acelasi salt de temperatura, dar admite incarcari specifice de cateva ori mai mici.
Proprietati fizice comparate
| Marime | Apa | Ulei mineral |
|---|---|---|
| Densitate ρ [kg/dm³] | 1,0 | 0,9 |
| Caldura specifica cp [kJ/kg·K] | 4,18 | 1,8 |
| Caldura latenta de vaporizare r [kJ/kg] | 2.250 | 293 |
| α, convectie naturala [W/m²·K] | 300–1.000 | 50–350 |
Primele doua randuri reduc puterea in sarcina la circa 39 la suta fata de
apa, pentru acelasi volum si acelasi ΔT. Ultimul rand este
insa cel care dimensioneaza elementul.
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.
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.
Pragul de cocsificare
Pentru ulei vascos in convectie naturala, cu
α ≈ 150 W/m²·K si
qs = 1 W/cm²:
ΔTpelicula = 10.000 / 150 = 67 K
La o temperatura a baii de 120 °C, teaca lucreaza deci in jur de
187 °C. Uleiurile minerale uzuale incep descompunerea termica in domeniul
200–250 °C pe pelicula, deci marja este mica. La
qs = 3 W/cm², aceeasi geometrie ar da
ΔTpelicula = 200 K si temperatura tecii peste
300 °C — regim de cocsificare sigura.
Depozitul carbonic format are conductivitate termica de ordinul 0,1…0,5 W/m·K si actioneaza ca rezistenta termica in serie: temperatura metalului creste, viteza de depunere creste, procesul este autoaccelerat. Pentru uleiuri grele si pacura se folosesc executiile de densitate foarte redusa, cu lungime activa marita la aceeasi putere.
Produse solide la temperatura ambianta
Parafine, ceruri, rasini si o parte din vopsele impun luarea in calcul a
termenului P2. Pentru parafina,
r = 147 kJ/kg:
200 l · 0,89 kg/l = 178 kg → 178 · 147 = 26.166 kJ ≈ 26,2 MJ
Pentru comparatie, incalzirea aceleiasi mase cu 10 K dupa topire cere
178 · 2,93 · 10 = 5.215 kJ ≈ 5,2 MJ, de cinci
ori mai putin. Topirea este deci procesul care dimensioneaza durata, nu
puterea.
Incalzirea concentrata este contraindicata: la putere mare se topeste un canal in jurul elementului, restul masei ramane solida, iar transferul se face pe o suprafata mult redusa fata de cea de calcul. Solutia este incalzirea distribuita pe anvelopa — centura de butoi sau element de fund — cu densitate mica si durata lunga.
La conductele de titei, obiectivul nu este incalzirea produsului, ci mentinerea traseului peste temperatura de aparitie a cristalelor de parafina, care altfel se depun pe peretele interior si reduc sectiunea utila.
Materiale si executii
- Uleiuri minerale, motorina, ulei hidraulic — teaca AISI 316L, lungime activa marita pentru incarcare redusa.
- Pacura, reziduuri, produse grele — executie de densitate foarte redusa, amplasata in zona inferioara a rezervorului, unde vascozitatea este maxima.
- Solventi si medii agresive — Incoloy® 825, titan sau teaca de teflon, dupa compatibilitatea chimica.
- Butoaie si recipiente mobile — centura exterioara sau element de fund cu termostat propriu.
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.
Suplimentar fata de lista de mai sus, la uleiuri: limitatorul independent se regleaza sub punctul de inflamabilitate al fluidului, iar la instalatiile cu circulatie fortata se prevede interblocare cu pompa.
Executie
Suntem importatorii Electricfor, producator spaniol din Rubi, Barcelona, cu fabricatie proprie din 1918. Elementul se alege dupa vascozitatea la temperatura de pornire, temperatura de lucru si regimul de circulatie. termenul de executie se confirma la oferta.
Transmite datele de intrare — produs,
vascozitate la rece, volum, ΔT, durata admisa, regim de
circulatie. Sau suna la 0744 986 047.
Vezi si rezistentele pentru apa, centurile pentru butoaie si incalzirea conductelor de titei.
Intrebari frecvente
De ce nu se poate folosi aceeasi incarcare specifica ca la apa?
Pentru ca alfa este cu un ordin de marime mai mic: 50-350 W/m2·K la ulei in convectie naturala, fata de 300-1.000 la apa. La aceeasi densitate de flux, suprasarcina peliculei creste proportional, iar temperatura tecii depaseste pragul de descompunere termica a uleiului.
Ce se intampla fizic la cocsificare?
Hidrocarburile din pelicula se descompun termic si lasa un depozit carbonic aderent pe teaca. Depozitul are conductivitate termica redusa, deci introduce o rezistenta termica in serie care ridica si mai mult temperatura metalului. Procesul este autoaccelerat si se incheie cu strapungerea tecii.
Cat scade puterea necesara fata de apa?
Caldura specifica a uleiului este 1,8 kJ/kg·K fata de 4,18 la apa, iar densitatea 0,9 fata de 1,0 kg/dm3. Pentru acelasi volum si acelasi dT, puterea in sarcina scade la circa 39 la suta. Constrangerea nu este insa puterea, ci suprafata de schimb necesara.
Cum se dimensioneaza pentru produse solide la temperatura ambianta?
Intra termenul de schimbare de faza. Pentru parafina, caldura latenta de topire este 147 kJ/kg: un butoi de 200 l contine circa 178 kg, deci 26,2 MJ numai pentru topire, fata de 5,2 MJ pentru o incalzire ulterioara cu 10 K. Se lucreaza cu putere mica si durata lunga, prin centura sau element de fund, nu prin imersie concentrata.
Ce protectii sunt obligatorii la uleiuri termice cu circulatie?
Limitator independent de temperatura reglat sub punctul de inflamabilitate al fluidului, protectie de nivel si interblocare cu pompa prin presostat diferential sau debitmetru. La oprirea circulatiei, alfa scade la valoarea convectiei naturale si incarcarea calculata nu mai este valabila.