Ohne ergänzende Wärme lassen sich viele Stoffe nicht transportieren. Vor allem im Ex-Bereich stellt in flexiblen Schlauchleitungen der ökonomische Energieeinsatz ein Problem dar. Mit den Templine-Heizschläuchen stellt Masterflex jetzt ein alternatives Konzept vor, bei dem mindestens vier Heizleitungen einen geeigneten Kunststoffschlauch umschließen und für einen effizienten Wärmeübergang sorgen.
Der Autor: Hans-Jürgen Günzing Betriebsleiter Gelsenkirchen, Masterflex
Behältern und starren Rohrleitungssystemen gemein ist, dass sich deren Lage und Betriebsbedingungen im Verlaufe des Prozesses kaum ändern. Dampf wird durch Doppelwand-rohre geleitet oder fließt durch Begleitrohre über das Mediumrohr. Die Qualität des Wärmeübergangs in dieser starren Einheit vom Dampf- auf das Mediumrohr hängt nahezu vollständig von der Dampfversorgung, Leckagen und der Güte der Wärmedämmung ab.
Aktuell greifen Entwickler von elektrischen Schlauchbeheizungen auf marktgängige Industrieheizleitungen zurück. Dabei bieten sich zwei Systemalternativen an:
- Heizleitungen mit metallischen Leitern: Den Kern bilden mehrdrahtige Litzen aus Widerstandslegierungen. Sie produzieren eine gleichbleibende, umgebungsunabhängige und kontrollierbare Wärme.
- Heizleitungen mit Kunststoff als Heizelement: Hier bilden Kunststoff-/Kohlenstoffmischungen den Kern. Sie reagieren auf Temperaturänderungen im Umfeld eigenständig durch Steigerung oder Senkung der Wärmeabgabe (Halbleiter-Eigenschaften/ PTC-Verhalten).
Dem Entwickler elektrischer Heizsysteme stellt die Physik dabei verschiedene Aufgaben. Kunststoffe sind elektrisch wie thermisch Isolatoren. Mit steigender Schichtdicke des Kunststoffs um den Heizleiter wächst die Menge an zusätzlicher Energie, die aufzuwenden ist, damit die gewünschte Wärme im Medium erreicht wird. Ein weiterer Aspekt ist die Wärmeausbreitung aus der Heizleitung zur beheizten Oberfläche. Je kleiner der Oberflächenkontakt, desto punktueller ist die Wärmeübertragung zum Medium. Dies erfordert ebenfalls eine höhere elektrische Leistung und eine flächendeckende Installation von Heizleitungen.
Bild 1 einer Wärmekamera zeigt deutlich den Wärmeverlauf eines herkömmlichen Heizbandes auf einer Rohrleitung. Während im Zentrum noch hohe Temperaturen vorherrschen, sinkt der Wert zu den Rohrseiten sehr schnell ab. Bei Heizbändern mit halbleitendem Kunststoffelement führt die Wärmekonzentration zur eigengesteuerten Reduktion der Wärmeabgabe. Einen Ausgleich schafft hier nur noch die Installation mehrerer Heizbänder, was allerdings wieder mit höheren Kosten als bei vergleichbaren Lösungen verbunden ist.
Hohe Flexibilität gefordert
Untersuchungen an einer Vielzahl von Heizschlauchkonstruktionen zeigen, dass in vielen Anwendungen hohe Ansprüche an Zug- und Druckfestigkeit sowie Biege- und Torsionsfestigkeit gestellt sind. Die gewünschten Eigenschaften eines Schlauchs im Vergleich zu einem Rohr sollen durch die zusätzliche Beheizung keine Beeinträchtigung erfahren. Die Installation eines Heizbandes auf der Schlauchoberfläche, parallel oder gewickelt, führt zu einer größeren Biegesteifigkeit. Auch folgen die Heizbänder nicht widerstandslos den Biege- und Torsionsvorgängen. Außerdem können sich Heizbänder von der Schlauchoberfläche ablösen, was bis zu einem völligen Verlust der direkten Wärmeübertragung führen kann.
Die Bewicklung mit industriellen Heizleitungen mit Widerstandslegierungen stellt nur einen Kompromiss dar. Vielfach besitzen diese Heizleitungen neben der Isolierung des Heizleiters im Kern noch mindestens eine weitere Ummantelung aus Kunststoff nach außen. Die stärkere thermische Isolation durch die Kunststoffschichten führt zum Anstieg der Oberflächentemperatur des Heizleiters, maßgebliche Größe für die Festlegung der zulässigen Betriebsleistung des Heizschlauchs. Je höher diese Temperatur, desto geringer können Hersteller die zulässige Betriebsleistung ansetzen. Der Wirkungsgrad der eingesetzten elektrischen Energie sinkt.
Im explosionsgefährdeten Bereich widmet man der Betrachtung der Temperaturverteilung auf einem elektrisch beheizten Schlauch besondere Aufmerksamkeit. Punktuelle Überhitzungen und ungleichmäßige Wärmeverteilungen unter dem Eindruck der Zündtemperaturen und -energien von explosionsfähiger Atmosphäre können die Anwendung eines Schlauchsystems einschränken.
Biegefreundliches Schlauchkonzept
Eine mögliche Antwort auf diese Fragen gibt Masterflex mit seinem Schlauchkonzept Templine. Der Schlauch besitzt eine Umflechtung aus temperaturfestem Garn. Das Garn weist eine hohe Abrieb-, Zug- und Druckbeständigkeit auf. Die Art der flächendeckenden Umflechtung lässt dem Schlauch Biegefreiheit in alle Richtungen und erlaubt sogar Biegewinkel bis 180°. Die vier Heizleiter sind im Winkel von 90° rings um den Schlauchumfang in das Geflecht eingewoben. Gleichzeitig folgen die Heizleiter spiralförmig der Geflechtstruktur und reagieren bei Biegungen wie eine Spiralfeder. Knickstellen, Heizleiterbrüche durch Überdehnung oder Stauchung werden systembedingt vermieden.
Selbst unter extremen Einsatzbedingungen wie zum Beispiel bei permanenter Zug-, Druck- und Torsionsbeanspruchung bei Automationsrobotern kann eine längere Lebensdauer für Heizschläuche garantiert werden. Dies konnte in Studien unabhängiger Institute nachgewiesen werden. Schläuche der Größen DN 4 bis DN 25 überstanden bis zu 1 Mio. Biegevorgänge.
Die spiralförmige Anordnung der Heizleiter mit nahezu vollständigem Kontakt zur Mediumschlauchoberfläche produziert eine gleichbleibende und konstante Wärme. Erreicht wird dies durch Geflechtgestaltung und Garnauswahl. Der Wärmeübergangswiderstand ist gering. Widerstandslegierungen stellen in Verbindung mit einem Temperaturregelsystem eine ideale Verbindung zur Temperaturerhaltung in Medien dar. Dies trifft besonders auf die Erwärmung temperaturempfindlicher Gase oder Flüssigkeiten zu.
Die unterschiedliche elektrische Kombination der vier Heizleiter ermöglicht eine Variation der Heizleistungen an ein und demselben Schlauch. So lässt sich bei Bedarf und unter Berücksichtigung der Werkstoffgrenzwerte auch nachträglich die Wärmeabgabe im Bereich 50 bis 200 % der Nennleistung beeinflussen. Bild 1 zeigt das thermische Verhalten des Heizsystems bei offen gelegtem, beheiztem Medienschlauch.
Komplettiert mit Wärmedämmung und mechanisch schützendem Außengeflecht bietet das Templine-Heizschlauchsystem bis zu 30 % Energieeinsparung. Temperaturspitzen, sogenannte Hot-Spots, sind insbesondere in explosionsgefährdeter Umgebung gefährlich und treten systembedingt und bei ordnungsgemäßer Projektierung nicht auf.
Online-Info: www.cav.de/0111419
Kenndaten des Systems
Im Überblick
- Verfügbare Schlauchnennweiten: 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20 und 25 mm
- Zwei Schlauchvarianten: Typ I: Betriebstemperatur max. +80 °C Typ II: Betriebstemperatur max. +200 °C
- Betriebsspannungen: bis 230 V
- mindestens vier Heizleiter, PTFE-isoliert
- Schutzklasse I, Schutzart IP 65
- Schlauchfittings nach internationalen Normen aus Stahl, Edelstahl
- Zusätzliche Ausstattung: systemabgestimmter Temperaturregler /Temperaturbegrenzer, auch im Anschlussgehäuse integrierbar
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