Время нагрева воды ТЭНами — формула, таблица, поправки

Сколько мощности ТЭН нужно, чтобы нагреть 100 литров воды с 10 до 60 °C за 30 минут? А за 2 часа? А за всю ночь? Один и тот же бак — разные требования к ТЭН. Здесь — формула, готовые таблицы и оговорки про «вентиляция, теплопотери и проектные запасы».

Формула расчёта

Базовая физика — теплоёмкость воды 4,18 кДж/(кг·°C) или 1,16 Вт·ч/(кг·°C). Чтобы нагреть V литров воды на ΔT градусов за t часов, нужна мощность:

P (Вт) = V × ΔT × 1,16 / t

где V — объём в литрах, ΔT — разница температур в градусах Цельсия, t — время в часах.

Пример: 100 литров с 10 до 60 °C за 1 час → P = 100 × 50 × 1,16 / 1 = 5800 Вт. То есть нужен ТЭН на 6 кВт, чтобы нагреть стандартный бойлер за час с холодной воды.

Если время удвоить (2 часа) — мощность можно вдвое уменьшить (3 кВт). Если объём увеличить вдвое (200 л за 1 час) — мощность тоже удваивается (12 кВт).

Поправки на реальность

Расчёт по формуле — идеальный случай без потерь. На практике добавляются:

• Теплопотери через стенки. Бойлер 100 л в комнатной температуре теряет 50–100 Вт постоянно. На стройке зимой при -20 °C вне помещения — 300–500 Вт. На время нагрева это даёт +5–10 % мощности.
• Накипь на ТЭН. 1 мм накипи снижает теплоотдачу на 30 %. Через 2 года эксплуатации в жёсткой воде «лишних» 20–30 % мощности тратится на нагрев самой накипи.
• КПД ТЭН. Электрические ТЭН в воде дают 98–99 % КПД (всё в воду, минимум в провода). Поэтому в отличие от газовых котлов поправку на КПД делать не нужно.
• Запас «на режим». Если ТЭН выйдет в максимум — он не выйдет на номинал по факту, а будет греть короткими импульсами по уставке термостата. Реальный нагрев медленнее теории на 10–15 %. Поэтому в столбце «рекомендуем» в таблице — округление вверх до ходовых мощностей.
• Долив холодной воды во время нагрева. Если бак на проточном водоразборе, при каждом отборе доливается холодная — нагрев идёт вечно. Считать только для замкнутого режима «нагрел и расходовал».

Не вода — а другая среда

Формула выше — для воды. Для других жидкостей нужно учесть теплоёмкость и плотность:

• Вода: 4,18 кДж/(кг·°C) × 1 кг/л = 4,18 кДж/(л·°C). Эталон.
• Масло индустриальное: 1,9 кДж/(кг·°C) × 0,87 кг/л = 1,65 кДж/(л·°C). Греется в 2,5 раза быстрее воды того же объёма.
• Антифриз 50/50: 3,1 кДж/(кг·°C) × 1,07 кг/л = 3,3 кДж/(л·°C). Чуть быстрее воды.
• Битум БНД: 1,8 кДж/(кг·°C) × 1,0 кг/л = 1,8 кДж/(л·°C). Плюс — низкая теплопроводность, нужен медленный пуск.
• Воздух: 1,0 кДж/(кг·°C) × 0,0012 кг/л = 0,0012 кДж/(л·°C). В 3500 раз меньше теплоёмкости литра воды. Поэтому воздух нагреется быстро, но удерживать тепло будет нечем.

Пересчёт: для масла объёмом V литров на ΔT градусов за t часов, мощность P = V × ΔT × 1,65 / 4,18 / t × 1,16 = V × ΔT × 0,46 / t (в Вт).

Запас по мощности — сколько брать

• На бойлерах непрерывного водоразбора (гостиница, кафе, общежитие) — запас 30 % к расчётной. Иначе при пиковой нагрузке нагрев не успевает.
• На бытовых бойлерах с отложенной потребностью (греется ночью, расходуется днём) — запас 10 %. Если время нагрева не критично, можно вообще без запаса.
• На промышленных накопителях — запас 50 % с учётом теплопотерь и старения. Расчётные 9 кВт превратятся в реальные 7–8 после 5 лет работы и обрастания накипи.
• На котлах отопления — запас 20 % к теплопотерям дома. То есть если дом теряет 10 кВт в самый холодный период, котёл должен быть на 12 кВт.
• Для парогенераторов — отдельный расчёт с теплотой парообразования (2257 кДж/кг). Прямо по формуле теплоёмкости считать нельзя.

Что прислать для расчёта вашей задачи

• Объём (л) и тип ёмкости (вертикальная / горизонтальная);
• Среда — вода / масло / антифриз / другое;
• Исходная температура и желаемая;
• Желаемое время нагрева;
• Режим работы — разовый нагрев / поддержание / постоянный водоразбор;
• Утеплена ли ёмкость (для расчёта потерь);
• Напряжение в точке подключения (220 / 380 В).

Считаем мощность под вашу задачу за 15 минут в рабочее время. Указываем рекомендованную с запасом и вторую — экономную. Звоните +7 (919) 405-21-39 или пишите на zakaz@ten-miass.ru.