Тэн оребренный, воздушный: как не ошибиться с мощностью и шагом ребер

Фото из каталога ТЭН-Миасс. Изготовление по образцу или чертежу.

Приезжаю на объект - тепловая завеса в складе сухих смесей. Старый ТЭН сгорел, новый поставили на глаз: мощность 6 кВт, длина трубки 800 мм, ребра стальные с шагом 5 мм. Через месяц та же картина - перегрев, межвитковое замыкание. Типичная ошибка: тэн оребренный воздушный выбирают либо по аналогу без учета скорости потока, либо подбирают "самый мощный в тот же габарит". Разберем, как правильно считать, чтобы не приезжать на повторный ремонт.

Почему греется корпус, а не воздух

Оребрение увеличивает площадь теплообмена в 3-5 раз по сравнению с гладкой трубкой. Но если скорость воздуха через пучок ниже 2 м/с, теплоотвод резко падает. Для закрытых калориферов или каналов с низким расходом (менее 0,5 м/с) мощность ТЭНа ограничена не столько материалом, сколько возможностью отвести тепло конвекцией.

Рабочая плотность тока на трубке для обычного медного ТЭНа - 7-8 А/мм². При слабом обдуве приходится понижать до 4-5 А/мм², иначе температура оболочки уходит за 400 °С - алюминий оребрения начиняет выкрашиваться, а нержавейка теряет прочность.

Практические цифры:

• Для воздуха без принудительного движения (естественная конвекция) максимальная удельная мощность ТЭНа - 1-1,5 Вт/см² площади оребрения.
• При скорости 3 м/с можно смело брать 2,5-3 Вт/см².
• Для 5 м/с и выше - до 4 Вт/см², но здесь уже важен материал ребер: стальные греются быстрее, алюминий отдает тепло охотнее.

Материалы: какой ресурс реально получить

Классическая пара - трубка из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, ребра из алюминия АД1. Алюминий пластичен, хорошо штампуется, теплопроводность 200 Вт/(м·К). Но при рабочих температурах выше 250 °С алюминий начинает окисляться, контактное сопротивление между трубкой и ребром растет, перегрев локализуется около трубки.

Если среда агрессивная - влажность, кислотные пары, - алюминий быстро корродирует. В таком случае ребра из нержавеющей стали (AISI 304, 321) дают ресурс 3-5 лет против 1-2 лет алюминиевых. Правда, теплопроводность стали в 10 раз ниже, поэтому шаг ребер приходится уменьшать с 5 мм до 3-3,5 мм, чтобы сохранить ту же площадь.

Конкретика по длине и мощности:

• Для калориферов на 380 В, 3 фазы, длина active part (нагреваемая часть) редко превышает 800 мм при диаметре трубки 10 мм.
• Если нужно 10 кВт на один ТЭН при 300 мм длины - это плотность 3,3 кВт на полоску 100 мм, что потребует принудительного обдува не ниже 6 м/с. Иначе трубка сгорит за неделю.

Как рассчитать шаг оребрения под реальные условия

Производители часто дают готовые таблицы, но они посчитаны для "стандартных" условий: температура воздуха 20 °С, скорость 3 м/с. На практике воздух на входе может быть -20 °С зимой или 60 °С в сушильной камере.

Эмпирическая формула для грубой оценки:

мощность (кВт) = коэффициент k * S * ΔT, где

k - коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности (Вт/(м²·°C)),

S - полная площадь оребрения (м²),

ΔT - средняя разница температур между трубкой и воздухом.

Для алюминиевого оребрения при скорости 3 м/с k ≈ 25-30 Вт/(м²·°C). При скорости 1 м/с k падает до 15-18. Значит, чтобы выдать те же 6 кВт при низком обдуве, нужно увеличивать площадь либо уменьшать заданную мощность, меняя шаг ребер.

Типовые решения:

• Воздушные тепловые завесы, фанкойлы - шаг 3-3,5 мм, трубка 8,2 мм, алюминий.
• Промышленные калориферы для сушильных камер - шаг 4,5-5 мм, стальные ребра, трубка 10,3 мм.
• Для агрессивной среды (бассейны, химцеха) - нержавеющая трубка 12 мм, ребра из той же нержавейки, шаг 2,5 мм.

FAQ