Jak poprawić osiągi i funkcjonalność grzejników elektrycznych

  Większość inżynierów przemysłowych nie przykłada zbyt wielkiego znaczenia do grzejników elektrycznych, wykorzystywanych w obsługiwanych przez nich procesach produkcyjnych i aplikacjach przemysłowych. Najczęściej jest tak, dopóki nie ulegną one uszkodzeniu i nie wymagają dodatkowych prac serwisowych i utrzymania lub też nie generują innych problemów w funkcjonowaniu tychże procesów. W rzeczywistości jednak grzejniki stanowią w wielu przypadkach integralne elementy aplikacji, dlatego związane z nimi usterkii problemy mogą wywołać reakcję łańcuchową, powodując nieprawidłowe funkcjonowanie wielu innych urządzeń. Zastosowanie się do kilku opisanych w tym artykule prostych zasad może nie tylko ograniczyć prawdopodobieństwo pojawienia się problemów w funkcjonowaniu grzejników, ale również mieć znaczący wpływ na poprawę wydajności całego systemu oraz redukcję działań i kosztów związanych z jego utrzymaniem.

Przemysłowe grzałki rurkowe Watlow typ FIREBAR® i WATROD

Poniżej zapisano 10 podstawowych wskazówek służących maksymalizacji osiągów i funkcjonalności grzejników oraz zwiększeniu ich żywotności.

Wskazówka 1: Ochrona przed zanieczyszczeniem grzejników.

Zanieczyszczenie to najczęstsza przyczyna awarii grzejników elektrycznych. W związku z tym, że w czasie swej pracy grzejniki zwiększają i zmniejszają swe wymiary (na skutek ogrzewania się i ochładzania), często wchłaniają do swego wnętrza wiele materiałów organicznych i przewodzących, które mogą z kolei powodować powstawanie wyładowań elektrycznych pomiędzy pojedynczymi zwojami

w elemencie grzejnym, jak również między uzwojeniem a uziemioną obudową. Gdy końcówki wyprowadzeń grzejników zbiegają się w jednym miejscu, zanieczyszczenia mogą powodować również zwarcia pomiędzy poszczególnymi końcówkami zasilającymi. Ważne jest również zabezpieczenie samych wyprowadzeń przed kontaktem ze smarami, olejami i innymi materiałami technologicznymi. Jednym z możliwych rozwiązań jest tu zastosowanie uszczelnień zapobiegających przenikaniu wilgoci.

Wskazówka 2: Ochrona przewodów wyprowadzeń przed wysokimi temperaturami oraz uszkodzeniami mechanicznymi.

Standardowe przewody zasilające w izolacji z włókna szklanego wyprowadzone z grzejników mogą być stosowane w temperaturach zewnętrznych nie większych niż 260ºC. Jeżeli zaś wyprowadzenia będą narażone na działanie większych temperatur, wówczas należy zastosować specjalne przewody dostosowane do wyższych temperatur lub też z izolatorami (koralikami) ceramicznymi. W części grzejnika, która nie ulega bezpośredniemu nagrzaniu w trakcie jego pracy, przewody i wyprowadzenia powinny w miarę możliwości pracować we właściwej dla nich chłodniejszej temperaturze. W Polsce zwykle grzejniki wyposaża się w przewody z izolacją silikonową lub tefl onową (180–260ºC) lub z włókna szklanego (350–450ºC). Jeżeli grzejniki montowane są na elementach ruchomych, niezbędne jest stabilne, sztywne zamocowanie wyprowadzeń, tak by zabezpieczyć je przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Wskazówka 3: Wybór właściwego grzejnika i dopasowanie jego rozmiarów do aplikacji. Poziom mocy znamionowej grzejnika powinien być tak dobrany, by był jak najbliższy rzeczywistemu zapotrzebowaniu na ciepło danej aplikacji, tak by ograniczyć do minimum cykle załączania i wyłączania grzejnika. W przypadku aplikacji o dopasowaniu częściowym należy określić zapas miejsca lub zakres dopuszczalnych zmian innych parametrów takiej aplikacji, tak by możliwy był dobór właściwego grzejnika, który będzie do niej optymalnie dopasowany (właściwy stosunek pomiędzy rozmiarami grzejnika a wymogami aplikacji). Ścisłe dopasowanie grzejnika pozwala na zminimalizowanie zbędnych szczelin powietrznych oraz redukcję możliwych przypadków przegrzania.

Wskazówka 4: Właściwe uziemienie sprzętu. Powszechną praktyką jest stosowanie uziemień elektrycznych wszystkich urządzeń tam, gdzie wykorzystuje się grzejniki elektryczne. Właściwie wykonane uziemienia zabezpieczają zarówno same urządzenia, jak i personel obsługi, przed skutkami licznych uszkodzeń sprzętu i instalacji elektrycznych.

Wskazówka 5: Kontrola napięcia zasilania. Należy zawsze upewnić się, czy napięcie znamionowe grzejnika dopasowane jest do napięcia zasilania. Jest to szczególnie istotne ze względu na to, że ewentualne zmiany (zwiększenie lub spadek) napięcia, powodują duże zmiany mocy znamionowej (moc jest proporcjonalna do kwadratu napięcia). Na przykład grzejnik o parametrach znamionowych U=120 V, P=1000 W podłączony do sieci zasilania 240 V wygeneruje czterokrotnie większą moc: 4000 W. Spowoduje to szybkie uszkodzenie grzejnika oraz może przyczynić się do powstania znacznych zniszczeń połączonych z nim urządzeń.

Wskazówka 6: Zapobieganie częstemu załączaniu i wyłączaniu elementu grzejnego. Zbyt częste załączanie i wyłączanie grzejnika może w znacznym stopniu ograniczyć żywotność takiego urządzenia. Najgorszy rodzaj cyklu załącz/wyłącz to taki, który pozwala na całkowite zwiększenie, a następnie zmniejszenie rozmiarów elementu grzejnego (na skutek grzania i chłodzenia), przy jednoczesnej dość dużej częstotliwości powtórzeń tego cyklu – w przybliżeniu: 30 do 60 sekund załączenia/wyłączenia. Problem ten można wyeliminować przez zastosowanie półprzewodnikowych prostowników sterowanych (pary tyrystorów) – SCR (ang. Silicon Controlled Rectifien), z możliwością załączania przy przejściu przez zero lub określonym kącie fazowym sinusoidy zasilania, pracujących przy zmiennej podstawie czasu, mniejszej niż 1 sekunda. Przekaźnik półprzewodnikowy współpracujący z układem SCR przełącza się w czasie 1 sekundy. Dzięki temu uzyskuje się redukcję różnicy temperatur pomiędzy punktami przeregulowania i opadania, co przyczynia się do wydłużenia żywotności grzejnika.

Efekt skrócenia okresu żywotności grzejników na skutek ich cyklicznego załączania i wyłączania można prawie całkowicie wyeliminować, stosując półprzewodnikowe sterowniki mocy z wyjściami proporcjonalnymi napięciowymi lub czasowymi. Redukcję cykli włącz/wyłącz, jak już wspomniano wcześniej, można uzyskać również stosując proste regulatory, przy właściwym dopasowaniu całkowitej mocy znamionowej grzejnika do rzeczywistego zapotrzebowania.

Wskazówka 7: Dopasowanie osłony elementów grzejnych i współczynnika gęstości mocy dla konkretnego materiału poddawanego ogrzewaniu.

Kwestia ta jest bardzo istotna dla zapewnienia długiej żywotności elementu grzejnego oraz bezpieczeństwa wszystkich urządzeń w danej aplikacji. Przy ogrzewaniu ciał stałych (takich jak metale) dobór osłony grzejnika i współczynnika gęstości mocy determinowany jest przez temperaturę procesu oraz dopasowanie między grzejnikiem a ogrzewanym materiałem. Stale węglowe, aluminium oraz kauczuk silikonowy zachowują się właściwie w niższych temperaturach (kilkaset stopni).

Jeżeli temperatura wzrasta poza tę granicę, dobór właściwej osłony grzejnika jest już ograniczony do blach ocynkowanych, stali nierdzewnych i innych stopów odpornych na wysokie temperatury. Przy wzroście temperatury należy również odpowiednio zmniejszyć współczynnik gęstości mocy. W przeciwnym razie wewnętrzne druty oporowe szybko się utlenią i ulegną przedwczesnemu uszkodzeniu. Poprawne dopasowanie elementu grzejnego i ogrzewanego materiału zapewnia właściwe przekazywanie ciepła i nie prowadzi do przegrzewania się drutów oporowych.

W przypadku ogrzewania gazów sam rodzaj gazu oraz temperatura procesu i współczynniki przepływu określają, jaki należy wybrać materiał osłonowy oraz współczynnik gęstości mocy. Na przykład przy ogrzewaniu wodoru można zastosować wyższy współczynnik niż w przypadku azotu, jednakże przy wodorze konieczne jest zastosowanie osłon Incoloy 800, podczas gdy w przypadku azotu sprawdza się osłona ze stali nierdzewnej typu 304. Podobnie zwiększenie przepływu gazu i jego turbulencji pomiędzy elementami grzejnymi oznacza lepsze przenikanie ciepła, dlatego też współczynnik gęstości mocy może być tu wyższy.

Przy ogrzewaniu cieczy podstawowymi czynnikami decydującymi o doborze osłony i gęstości mocy jest współczynnik przepływu oraz płynność materiału.

Woda może bez problemu pobrać moc od 9,3 do 15,5 W/cm2 przy zastosowaniu grzałki z miedzianą osłoną elementu grzejnego, podczas gdy mieszanina wody i glikolu (50/50) tylko 4,65 W/cm2 oraz musi korzystać z osłony stalowej.

Półprzewodnikowe sterowniki mocy SCR–Watlow seria DIN-A-MITE®

Wskazówka 8: Grzejniki zanurzone w zbiornikach należy montować w poziomie, jak najbliżej dna zbiornika.

Umieszczenie grzałki w poziomie, w pobliżu dna zbiornika gwarantuje najlepsze warunki rozchodzenia się i przenikania ciepła. Montaż w pionie wskazany jest tylko w przypadku ograniczeń przestrzennych (wymiarów) zbiornika, wykluczających możliwość orientacji poziomej. Niezależnie od tego, czy grzałka zamontowana jest poziomo, czy też pionowo, istotne jest, aby znajdowała się na tyle wysoko, by uniknąć kontaktu z gromadzącymi się na dnie zbiornika osadami czy odpadkami.

Podobnie dla obu metod montażu, element grzejny powinien być stale w całości zanurzony w cieczy; to jedna z podstawowych przyczyn, dla których zaleca się właśnie poziomy montaż grzałek. Należy unikać również montowania elementów grzejnych w miejscach, gdzie ograniczona może być konwekcja wytwarzanego przez nie ciepła oraz utrudnione odprowadzanie pary przy np. gotowaniu cieczy.

Wskazówka 9: Zapobieganie tworzeniu się osadów i zabrudzeniu elementów grzejnych.

Osadzanie się na powierzchni obudów elementów grzejnych kamienia, koksu i innych osadów powinno być zminimalizowane. Gdy nie będą one systematycznie usuwane lub przynajmniej nie będzie ograniczane ich osadzanie, zahamują przenikanie ciepła z elementu grzejnego do cieczy. Rezultatem tego może być praca tychże elementów przy temperaturach wyższych od znamionowych, a tym samym ich wcześniejsze uszkodzenie. Zaleca się również szczególną ostrożność przy operowaniu smarami silikonowymi. Nie powinny one znaleźć się na rozgrzanych częściach grzejników, powodują bowiem powstawanie niepożądanej warstwy izolacyjnej pomiędzy osłoną grzejnika a ogrzewaną cieczą i mogą stać się przyczyną awarii grzejnika.

Wskazówka 10: Zapewnienie właściwej, ścisłej regulacji temperatury oraz kontroli temperatur granicznych bezpieczeństwa.

Dobór odpowiedniego systemu regulacji temperatury grzejnika to kluczowy element zapewniający właściwe jego osiągi i funkcjonowanie oraz optymalizujący okres żywotności. W każdym procesie ogrzewania powinny pojawić się przynajmniej dwa czujniki temperatury: pierwszy – czujnik temperatury procesu (mierzący stopień nagrzania materiału), drugi – czujnik graniczny (mierzący temperaturę osłony elementu grzewczego). Pierwszy z nich powinien być odpowiednio zanurzony/zagłębiony w ogrzewanym materiale.

Ze względów bezpieczeństwa zaleca się zastosowanie dwóch odrębnych systemów regulacji: jednego sterującego temperaturą procesu, drugiego monitorującego i regulującego temperaturę graniczną. Regulatory temperatury typu PID oferują utrzymanie bardziej stabilnej temperatury pracy niż inne urządzenia typu załącz/wyłącz czy termostaty. Ograniczeniem w ich stosowaniu jest to, że z reguły są one droższe od tych wspomnianych powyżej i nie zawsze potrzebne w prostych aplikacjach, gdzie wysoka dokładność regulacji temperatury nie jest konieczna.

Rich Hartfelder jest kierownikiem sprzedaży przemysłowych systemów grzejnych i sterowania w firmie Watlow.

Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza

przedstawiciela firmy Watlow w Polsce

Autor:

Rich Hartfelder, kierownik sprzedaży systemów wytwórczych, Watlow, USA