Взрывозащищённый ТЭН с термопарой: изготовление на заказ по вашим размерам
Температурный класс T3 разрешает нагрев поверхности не выше 200°C. Обычный трубчатый ТЭН без контроля мощности легко разгоняется до 400–500°C на оболочке при завале уровня или остановке циркуляции. Этого достаточно, чтобы воспламенить пары нефтепродукта. Термопара на оболочке и точный расчёт ваттной нагрузки решают эту задачу для одного нагревательного элемента, а не для сборки из нескольких.
Трубка и карман термопары полностью в среде, все электрические контакты в сухой зоне снаружи бака
Что во взрывозащищённом ТЭНе меняется, а что нет
Сама трубка не становится взрывозащищённой в каком-то особом смысле: та же спираль из нихрома, та же набивка периклазом, та же нержавеющая или стальная оболочка. Взрывозащита относится к узлу, где может возникнуть искра: к клеммному соединению. Внутри жидкости или газа искрить нечему, там просто металл и среда.
Поэтому конструкция одиночного Ex-ТЭНа строится так: активная (греющая) часть трубки целиком в среде, ниже уровня жидкости или в потоке газа, а холодные концы с контактами выведены наружу, в сертифицированную взрывонепроницаемую коробку (Ex d) или коробку повышенной защиты (Ex e). Мы делаем именно нагревательный элемент: трубку, спираль, гильзу под термопару, посадочный фланец или штуцер, точно по вашему чертежу. Сертифицированный клеммный узел заказчик обычно берёт у профильного производителя взрывозащищённого оборудования или использует собственный проектный узел, а мы подгоняем длину выводов и резьбу под его посадочные размеры.
Присылайте чертёж узла подключения заранее, вместе с эскизом трубки. Если посадка под клеммную коробку жёсткая, это меняет длину холодных концов и место расположения фланца.
Зачем термопара, если ТЭН и так рассчитан по мощности
Термопара нужна, потому что расчёт по мощности предполагает нормальную работу: жидкость покрывает трубку, циркуляция идёт, среда не меняется. Взрывозащита рассчитана на отказ этих условий. Если уровень упал и часть трубки оголилась, оболочка на открытом участке греется без отвода тепла в жидкость и за минуты проходит от рабочих 150°C до опасных 400°C с лишним.
Термопара монтируется в отдельный карман: тонкую защитную гильзу, приваренную вдоль корпуса ТЭНа рядом с активной зоной. Сигнал идёт на ограничитель температуры, включённый в цепь питания через сертифицированный барьер: при приближении к пределу температурного класса (например, T3, то есть 200°C) контактор отключает нагрев раньше, чем оболочка успеет стать источником воспламенения. Карман термопары меняется отдельно от нагревателя, если термопара выйдет из строя, не нужно демонтировать весь ТЭН.
Пример: почему один мощный ТЭН не всегда проходит по нагрузке
Реальный случай с чертежом: нужен ТЭН 4 кВт, 220 В, для подогрева мазута в резервуаре, зона класса 1, группа IIB, температурный класс T3. Заказчик ограничил гильзу диаметром 18 мм и активной длиной 900 мм, под фиксированный патрубок в баке.
Ваттная нагрузка считается через площадь активной части: q = P / (π·d·L).
q = 4000 / (3,14 × 1,8 см × 90 см) = 4000 / 509 = 7,86 Вт/см²
Для мазута (вязкая среда с плохим теплосъёмом) норма 1,0–2,0 Вт/см². Расчётная нагрузка выше допустимой почти в 4 раза. Оболочка перегреется задолго до того, как жидкость успеет её остудить, и температурный класс T3 не выдержится ни при каких условиях эксплуатации.
Решение при тех же габаритах патрубка простое: не один элемент на 4 кВт, а четыре элемента по 1 кВт, каждый той же длины и диаметра, собранные через общий фланец.
q = 1000 / (3,14 × 1,8 × 90) = 1000 / 509 = 1,96 Вт/см², в пределах нормы.
Сопротивление каждого элемента на 220 В по ГОСТ 13268-88 (допуск мощности +5/−10%): R = 220² / 1000 = 48,4 Ом, коридор 46,1–53,8 Ом. Термопару в этом случае ставят на один из четырёх элементов или в отдельный карман между ними, для контроля достаточно одной точки в самой горячей зоне сборки.
Допустимая ваттная нагрузка по средам
Таблица: рабочий ориентир по ГОСТ 13268-88 и заводской практике. Для каждой среды своя граница, за которой оболочка идёт вразнос с температурным классом.
| Среда | q, Вт/см² | Комментарий |
|---|---|---|
| Вода проточная, чистая | 8–12 | хорошая циркуляция снимает тепло |
| Вода в баке, стоячая | 3–5 | плохой теплосъём, держать ниже |
| Пар, паровой котёл | 2,0–2,5 | выше: плёночное кипение, прогар |
| Масло минеральное, трансформаторное | 2,5–3,5 | до 120°C |
| Масло вязкое, мазут, битум | 1,0–2,0 | плохой теплосъём |
| Воздух спокойный | 2,0–3,0 | оболочка 400–700°C, тепло уходит в основном излучением |
| Воздух с обдувом | 5,0–7,0 | обдув снимает тепло активнее |
Температурные классы Ex-оборудования и что они значат для ТЭНа
Температурный класс ограничивает максимальную температуру поверхности оболочки, а не мощность ТЭНа саму по себе. Чем строже класс, тем меньше запас по ваттной нагрузке.
| Класс | Макс. температура поверхности |
|---|---|
| T1 | 450°C |
| T2 | 300°C |
| T3 | 200°C |
| T4 | 135°C |
| T5 | 100°C |
| T6 | 85°C |
Класс задаёт проектная организация или заказчик исходя из температуры самовоспламенения конкретной среды в зоне. Мы этот класс не назначаем, а считаем ваттную нагрузку так, чтобы оболочка ТЭНа держала температуру, которую вы указали в задании, с запасом на просадку уровня или остановку циркуляции.
Материал оболочки
Для мазута, масла и сухих сред обычно берём сталь 10, углеродистую и жаростойкую, без реакции с нефтепродуктами. Для воды и пара берём нержавейку AISI 304 (08Х18Н10). Для агрессивной химии, растворов с окислителями и пищевых сред берём цельнотянутую 08Х18Н10Т (AISI 321), титан-стабилизированную. Латунь и медь в контакте с перекисью водорода и другими окислителями не предлагаем: медь разлагает перекись. Подробный разбор марок: статья ТЭН AISI: 304, 316, 321, какую марку стали выбрать.
Допуск по мощности и коридор сопротивления из примера выше: общее правило ГОСТ 13268-88, разобрано подробнее в статье ГОСТ 13268-88 на ТЭНы: типы, диаметры, мощности и допуски. Общий принцип работы термопары на трёхвыводном ТЭНе разобран в статье ТЭН с термопарой: три вывода, принцип работы, мокрый ТЭН.
Что прислать для расчёта
- Чертёж или эскиз с диаметром и длиной гильзы, посадочным фланцем или штуцером
- Требуемая мощность и напряжение
- Среда нагрева (вода, масло, мазут, воздух, газ) и рабочая температура
- Класс взрывоопасной зоны, группа (IIA/IIB/IIC), требуемый температурный класс (T1–T6)
- Посадочные размеры под ваш клеммный узел, если он уже выбран
- Нужен ли карман термопары и в каком месте по длине трубки
Частые ошибки при заказе
Одна мощность на всю трубку без проверки по среде. Заказчик присылает киловатты и габарит патрубка, а расчёт ваттной нагрузки не делает никто. Ошибка вскрывается, только когда оболочка начинает темнеть и коробиться на реальном объекте.
Копия старого ТЭНа без пересчёта под новый температурный класс. Если старый нагреватель работал в обычной зоне, а новый проект требует T4 вместо T3, тот же типоразмер часто не проходит по запасу.
Термопара «на всякий случай» без привязки к ограничителю. Датчик без подключённой схемы отключения ничего не защищает, это просто градусник.
Есть чертёж взрывозащищённого узла?
Посчитаем ваттную нагрузку под вашу среду и температурный класс, изготовим трубку с карманом термопары под ваш клеммный узел. От 1 шт., 7–14 дней.
Оформить заказ