Zastosowanie

ZASTOSOWANIA KABLI GRZEJNYCH W INSTALACJACH PRZEMYSŁOWYCH

I. Wiedza ogólna – przed przystąpieniem do montażu:

PROJEKT SYSTEMU

Wstęp

Każde zastosowanie kabli grzejnych stawia szczególne wymagania przed projektantem chcącym osiągnąć pożądaną wydajność przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa. Na systemy grzejne składają się przewody grzejne i elementy pomocnicze, które muszą współistnieć z innymi elementami systemu, takimi jak izolacja cieplna, czy punkty zasilające. Cały system jest połączeniem wyżej wymienionych elementów składowych, wobec czego należy znać i uwzględniać właściwości tych elementów, aby móc zaprojektować wydajny i bezpieczny system.

Kwestie bezpieczeństwa są regulowane przez normę IEC 60519-10 „Bezpieczeństwo urządzeń elektrotermicznych - Wymagania szczegółowe systemów elektrycznych nagrzewania przewodowego w zastosowaniach przemysłowych i powszechnych.

Projekt, instalacja, oddanie do eksploatacji i konserwacja elektrycznych systemów grzejnych muszą podlegać wszystkim wymogom IEC (Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej), dotyczącym użytkowania urządzeń elektrycznych, a także wymogom dotyczącym odpowiedniego standardu kabli grzewczych, czyli IEC 62395 dla instalacji powszechnych i przemysłowych (Strefa bezpieczna) lub IEC 60079-30 dla ogrzewania elektrycznego w strefach zagrożonych wybuchem. Należy zwrócić szczególną uwagę na konserwację systemu i sprzętu technologicznego, na efektywność energetyczną, oraz na przetestowanie zainstalowanego systemu dla jego poprawnego funkcjonowania i zapewnienia bezpieczeństwa.

Przy projektowaniu systemów grzejnych, które mają być używane w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, nakłada się dodatkowe obostrzenia zgodnie z wymogami i klasyfikacją branego pod uwagę obszaru.

Przy wyborze kabli grzejnych należy uwzględnić konieczność określenia maksymalnej temperatury systemu (zazwyczaj jest to temperatura powłoki zewnętrznej kabla grzejnego) w najgorszych przewidywanych warunkach, określonych w IEC 632395 lub 60079-30. Temperaturę można obniżyć na przykład przez dostosowanie parametrów systemu chociażby przez użycie wielu kabli grzejnych w celu zmniejszenia ilości energii produkowanej jednostkowo.

Nadmiar zainstalowanej mocy ponad poziom określony w wymogach a także sposób, w jaki stosuje się, instaluje i użytkuje kable grzewcze, nie mogą, w nawet najgorszych przewidywanych warunkach, stanowić jakiegokolwiek zagrożenia.

Izolacja cieplna

Wybór, instalacja i konserwacja izolacji termicznej są kluczowymi elementami wpływającymi na wydajność elektrycznego systemu grzejnego. Rodzaj i grubość użytej izolacji muszą być zgodne z parametrami określonymi w dokumentacji projektowej.

Zazwyczaj systemy izolacji cieplnej projektuje się w celu ograniczenia strat ciepła. Systemy grzewcze wyrównują te straty a co za tym idzie, problemy z izolacją cieplną będą mieć bezpośredni wpływ na wydajność systemu.

Wybór kabla grzewczego

Przy każdej aplikacji istnieje kilka podstawowych parametrów, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze kabla grzejnego lub przewodów grzejnych.

Zaliczamy do nich:

a)     maksymalna odporność temperaturowa kabli grzewczych musi być wyższa niż maksymalna temperatura utrzymywana oraz możliwa temperatura miejsca instalacji (która może być wyższa niż normalna temperatura pracy).

b)     Kable grzewcze muszą być dostosowane do pracy w określonych warunkach środowiskowych, jak na przykład środowisko agresywne chemicznie, czy niska temperatura otoczenia.

c)      W strefach zagrożonych wybuchem, kable grzewcze muszą posiadać certyfikat, zezwalający na używanie ich w określonych przestrzeniach zagrożonych wybuchem.

Przy każdym zastosowaniu kabli grzewczych, określana jest maksymalna dopuszczalna gęstość mocy, przy której można używać przewodu grzejnego bez ryzyka zniszczenia obiektu lub jego zawartości. Jest to szczególnie ważne w określonych przypadkach, takich jak rury z wykładziną, naczynia zawierające sodę kaustyczną i tworzywa ciepłoczułe. Najwyższa dopuszczalna gęstość mocy powinna zostać odnotowana w dokumentacji systemowej. Może być wymagane poprowadzenie kilku równoległych odcinków kabli grzejnych lub pojedynczego kabla ułożonego spiralnie. 

Kable grzejne przygotowywane na miejscu

Kable przygotowywane na miejscu są dopuszczalne pod warunkiem, że:

a)     personel dokonujący montażu jest kompetentny i zna wymagane specjalne techniki (montażowe).

b)     kable grzewcze przechodzą testy w terenie (na miejscu montażu).

   kable grzewcze są poprawnie oznaczone w zgodzie z obowiązującymi standardami.

Określanie maksymalnej temperatury

Ważne jest określenie maksymalnej temperatury powłoki kabla grzewczego dla wszystkich aplikacji, w celu ochrony przed przegrzaniem.

Wybrane przykłady:

a)   Instalacja na rurociągach niemetalicznych, gdzie maksymalna temperatura kabla grzejnego może przekroczyć maksymalną temperaturę jaką wytrzymuje tworzywo rurociągu, izolacja cieplna, czy inne elementy systemu;

b)  Instalacje kabli grzejnych w miejscach, gdzie temperatura nie jest regulowana termostatem lub kontrolowania jest za pomocą czujnika temperatury otoczenia, potencjalnie mogą osiągać wyższe temperatury niż powłoki kabli w stanie równowagi;

c)   Zastosowania krytyczne, gdzie wymagana jest duża dokładność przy określaniu temperatury procesu;

Przy określaniu maksymalnej temperatury powłoki kabla należy założyć, że termostat kontrolujący może ulec awarii w pozycji „włączony”. Określona maksymalna temperatura powłoki elementu grzejnego nie może być wyższa niż górna granica temperatury danej aplikacji. Tą górną granicą temperatury może być, na przykład, maksymalna odporność temperaturowa elementu grzejnego, graniczna temperatura procesu, lub też, w strefach zagrożonych wybuchem, klasa temperaturowa.

Istnieją trzy sposoby ochrony systemów grzewczych przed przekroczeniem górnej granicy temperaturowej:

1.   Użycie kabli grzejnych z charakterystyką IT-S (samoregulujące kable grzewcze posiadające właściwości PTC), które nigdy nie osiągną górnej granicy temperatury. Standardy systemów grzewczych określają to jako metoda klasyfikacji produktu.

2.     Projektowanie systemów ustabilizowanych. Projektant oblicza maksymalną możliwą temperaturę miejsca instalacji, na podstawie czego określa odpowiednią temperaturę powłoki kabla grzejnego, gwarantując, że nigdy nie osiągnie ona górnej granicy. 

lub

3.   System kontroli temperatury.

W przypadku wielu obwodów grzejnych (zwłaszcza na rurach o różnych warunkach)  sterowanych za pomocą termostatów z powierzchniowym czujnikiem temperatury, każdy przypadek w projekcie powinien być analizowany jako projekt systemu ustabilizowanego.

Kable grzejne z charakterystyką IT-S (Inherently temperature-safe / charakterystyka PTC)

Kable grzewcze, które znacznie redukują moc podczas wzrastania temperatury, można uznać za kable z charakterystyką IT-S, jeśli ich moc wyjściowa jest na poziomie bliskim zera przy temperaturze powłoki kabla niższej niż maksymalna odporność temperaturowa elementu grzejnego.

A zatem, w większości zastosowań dalsza kontrola limitu temperatury nie jest potrzebna, zakładając, że temperatura powłoki również nie przekracza żadnej innej górnej granicy temperatury, jak na przykład maksymalnej dopuszczalnej temperatury procesu, czy klasy temperaturowej, jeśli urządzenie znajduje się w strefie zagrożonej wybuchem. Można jednak zastosować regulację temperatury w celu zwiększenia wydajności energetycznej.

Należy pamiętać, że WSZYSTKIE samoregulujące kable Heat Trace posiadają charakterystykę IT-S i rzadko wymagają regulacji temperatury dla zapewnienia bezpieczeństwa.

Uwaga:

Kable grzejne z charakterystyką ITS zapewniają NAJBEZPIECZNEJSZĄ formę ochrony temperaturowej i ZAWSZE powinny być pierwszym wyborem z punktu widzenia bezpieczeństwa. Przewody IT-S nie zależą od obliczeń projektanta, ani od niezawodności regulatora temperatury.

Projektowanie systemów ustabilizowanych (ustalony stan)

Projekt systemów ustabilizowanych opiera się na określeniu maksymalnej powierzchniowej temperatury miejsca pracy i powierzchni kabla grzejnego w najbardziej niekorzystnych warunkach a także warunków równowagi występujących, kiedy obciążenie cieplne równe jest stratom ciepła w systemie. Do najbardziej niekorzystnych warunków zalicza się:

1.   maksymalną temperaturę otoczenia, (+40°C, chyba, że określono inaczej);

2.   warunki bezwietrzne;

3.   minimalną wartość przewodnictwa cieplnego izolacji cieplnej;

4.   brak kontroli temperatury (lub uszkodzenie urządzenia sterującego temperaturą w pozycji on);

5.   przewód grzejny zasilany jest właściwym napięciem roboczym + 10%;

6.   zakłada się, że kabel grzewczy pracuje w górnej granicy tolerancji fabrycznej, lub przy minimalnej rezystancji dla szeregowych kabli grzejnych.

7.   element grzejny nie ma kontaktu z odcinkiem ogrzewanym (istnieje pomiędzy nimi szczelina powietrzna).

Projekt stabilizowany jest skomplikowanym wyliczeniem. Związek pomiędzy temperaturami elementu ogrzewanego, a powłoką elementu grzejnego zależy od geometrii elementu grzejnego. Obliczeń nie powinny wykonywać osoby niedoświadczone.

Odpowiedni program którym dysponuje firma HANEL (Evolution Design Heat Trace) automatycznie wykonuje obliczenia projektu stabilizowanego dla każdej linii oraz doradza, kiedy należy zastosować regulację temperatury dla zapewnienia bezpieczeństwa;

Uwaga:

Bezpieczeństwo systemów ustabilizowanych zależy od dokładności i poprawności obliczeń wykonanych przez projektanta. Co za tym idzie, instalacja ustabilizowana jest mniej bezpieczna niż system IT-S, ale bezpieczniejsza niż instalacja zależna od poprawnego zaprojektowania i utrzymania systemu kontroli temperatury. Co więcej, kable samoregulujące Heat Trace IT-S powinny być ZAWSZE pierwszym wyborem natomiast projekt systemów ustabilizowanych – drugim.

Projekt z kontrolą temperatury

Mimo że projekt z kontrolą temperatury jest najmniej bezpieczną formą ochrony, czasem jego zastosowanie jest nieuniknione. Najczęstszymi obawami związanymi z tą formą zabezpieczenia przed przegrzaniem są:

a)     czy czujnik został umieszczony w najgorętszym punkcie obwodu?

b)     co się stanie jeśli czujnik się przesunie lub zostanie odłączony, np. w celach konserwacyjnych?

c)      co się stanie, jeśli przewody czujnika zostaną przecięte lub czujnik ulegnie awarii?

d)     czy system kontroli kompleksowych sekcji orurowania sprawdza się przy wszystkich wariantach przepływu?

Przy projektowaniu z kontrolą temperatury, limiter temperatury /urządzenie do regulacji temperatury musi zabezpieczać kabel grzejny przed przekroczeniem górnej granicy temperatury poprzez typowe pomiary:

a)   temperatury odcinka ogrzewanego, czy innych elementów ogrzewanych; lub

b)  parametrów innych niż temperatura, takich jak prąd.

Podczas gdy standardy systemów ogrzewania zezwalają na pomiar temperatury bezpośrednio na powłoce elementu grzejnego, Hanel nie zaleca takiej praktyki, ze względu na możliwość wystąpienia potencjalnie niebezpiecznych sytuacji kiedy czujnik, bez wiedzy użytkownika, zostanie odłączy od powłoki kabla.

Dlatego też czujnik powinien być zawsze podłączany do ogrzewanego odcinka. Oprogramowanie Evolution firmy Heat Trace określi nastawę zapewniającą, iż temperatura powłoki nie przekroczy górnej granicy.

Limiter/system kontroli temperatury powinien rozłączyć obwód jeśli wystąpi awaria czujnika lub samego urządzenia. Dokładne wymagania dla projektów z kontrolą temperatury można znaleźć w normach IEC62395 and IEC-60079-30-1. Strefa 1 zagrożona wybuchem wymaga zainstalowania drugiego kontrolera temperatury (zwanego limiterem) resetowanego manualnie.

Należy zastosować system monitorujący spełniający wymagania powyższych norm. Powinien być on odpowiedni dla miejsca instalacji przy różnych rodzajach procesów, zgodnie ze stopniem krytyczności i z dokładnością temperatury procesu.

Taki sprzęt do regulacji i monitorowania temperatury może zapewniać: możliwość regulacji temperatury w celu zabezpieczenia przed przekroczeniem maksymalnej temperatury, monitorowanie obwodu pod kątem usterek, ochronę przed przeciążeniem oraz ochronę przed prądem resztkowym i izolację. Ważne jest, żeby wszelkie dodatkowe wymogi dla konkretnych aplikacji, określone przez osobę projektującą system grzewczy spełniały wymagania eksploatacyjne i wymogi bezpieczeństwa.

II. Przykłady zastosowań

1. Ochrona przed zamarzaniem rurociągów (rurek impulsowych, rurociągów procesowych, instalacji p-poż, rur odprowadzających skropliny w chłodniach, etc)

Umiejscowienie rurociągów z wodą lub innymi mediami na zewnątrz hal przemysłowych oraz w pomieszczeniach bez ogrzewania wymusza zastosowanie systemów ochrony przed zamarzaniem.

Bardzo wygodnym, bezpiecznym oraz generującym niskie koszty (także koszty utrzymania) rozwiązaniem są systemy oparte na kablach grzejnych.

Szczególnie zalecanymi przewodami grzejnymi są kable samoregulujące o mocy zmieniającej się z zależności od temperatury zewnętrznej (otoczenia).

System oparty na kablach grzejnych samoregulujących z charakterystyką IT-S z naszej oferty odznacza się bardzo dużym bezpieczeństwem, niezawodnością oraz wygodą montażu.

Do stworzenia systemu potrzebne będą:

- kable grzejne samoregulujące:  FSR, FSE, FS+, FSS lub FSU

Typ kabla – zależny od aplikacji (dobierany na podstawie takich danych jak: średnica rurociągu, rodzaj oraz grubość izolacji termicznej, temperatury otoczenia, maksymalne możliwe temperatury w instalacji, etc. – zasady doboru jak wyżej.)

- zestawy do zakończenia początku i końca kabli grzejnych UTK… lub inne.

  Sposób zarabiania kabli grzejnych znajduje się w dziale „Metody zakańczania”

- puszki przyłączeniowe i rozgałęźne: JB9000/Ex lub na wsporniku DESTU DJB9000/Ex.

- termostaty: (dla systemów nieustabilizowanych lub tam gdzie przewiduje projekt): CT-A, CT-B, CT-C lub do stref zagrożonych wybuchem CT-FL/…

- akcesoria: taśmy klejące montażowe FT/Alum, FT/HTP, FT/HTL lub FT/PGL, wsporniki puszek łączeniowych i termostatów PB/S, opaski mocujące PFS…, przejścia kabli grzejnych przez izolację termiczną rury LEK/U oraz naklejki ostrzegawcze CL.

Sposób montażu kabli grzejnych na rurach i innych elementach rurociągów opisany jest w „Instrukcji projektowania instalacji i utrzymania”

2. Utrzymywanie stałej temperatury mediów w rurociągach.

W wielu instalacjach przemysłowych istnieje konieczność utrzymywania stałej temperatury mediów płynących rurociągami. Niezbędnym z punktu widzenia technologii produkcji jest utrzymanie odpowiednich parametrów fizykochemicznych mediów lub zabezpieczenie przed krystalizacją czy zaczopowaniem rur podczas obniżania się temperatury medium na długim odcinku lub w czasie postoju.

Bardzo wygodnym, bezpiecznym oraz generującym niskie koszty (także koszty utrzymania) rozwiązaniem są systemy oparte na kablach grzejnych.

Do stworzenia systemu potrzebne będą:

- kable grzejne samoregulujące:  FSR, FSE, FS+, FSS lub FSU

Typ kabla – zależny od aplikacji (dobierany na podstawie takich danych jak: średnica rurociągu, rodzaj oraz grubość izolacji termicznej, temperatury otoczenia, maksymalne możliwe temperatury w instalacji, etc. – zasady doboru jak wyżej.)

Lub

- kable grzejne równoległe / sektorowe (o stałej mocy na każdy metr długości niezależnie od warunków zewnętrznych):  EMTS, EMTF, MTF, MTFJ, PHT lub AHT

Typ kabla – zależny od aplikacji (dobierany na podstawie takich danych jak: średnica rurociągu, rodzaj oraz grubość izolacji termicznej, temperatury otoczenia, maksymalne możliwe temperatury w instalacji, etc.)

- zestawy do zakończenia początku i końca kabli grzejnych UTK….

  Sposób zarabiania kabli grzejnych znajduje się w dziale „Metody zakańczania”

- puszki przyłączeniowe i rozgałęźne: JB9000/Ex lub na wsporniku DESTU DJB9000/Ex.

- termostaty (dla systemów nieustabilizowanych lub tam gdzie przewiduje projekt): CT-A, CT-B, CT-C lub do stref zagrożonych wybuchem CT-FL/…

- akcesoria: taśmy klejące montażowe FT/Alum, FT/HTP, FT/HTL lub FT/PGL, wsporniki puszek łączeniowych PB/S lub DESTU i termostatów PB/S, opaski mocujące PFS…, przejścia kabli grzejnych przez izolację termiczną rury LEK/U oraz naklejki ostrzegawcze CL.

Sposób montażu kabli grzejnych na rurach i innych elementach rurociągów opisany jest w „Instrukcji projektowania instalacji i utrzymania”

3. Ochrona przed zamarzaniem lub utrzymywanie stałej temperatury mediów w zbiornikach magazynowych.

Produkty magazynowane w zbiornikach często wymagają utrzymywania temperatury powyżej 0°C lub temperatury procesowej.

Doskonałą alternatywą dla grzałek nurnikowych lub innych skomplikowanych nieelektrycznych systemów grzejnych jest system oparty na przewodach grzejnych samoregulujących, kablach grzejnych równoległych (sektorowych) czy szeregowych.

Do stworzenia systemu potrzebne będą:

- kable grzejne samoregulujące:  FSR, FSE, FS+, FSS lub FSU

Typ kabla – zależny od aplikacji (dobierany na podstawie takich danych jak: średnica rurociągu, rodzaj oraz grubość izolacji termicznej, temperatury otoczenia, maksymalne możliwe temperatury w instalacji, etc. – ogólne zasady doboru jak wyżej.)

Lub

- kable grzejne równoległe / sektorowe (o stałej mocy na każdy metr długości niezależnie od warunków zewnętrznych):  EMTS, EMTF, MTF, MTFJ, PHT lub AHT

Typ kabla – zależny od aplikacji (dobierany na podstawie takich danych jak: średnica rurociągu, rodzaj oraz grubość izolacji termicznej, temperatury otoczenia, maksymalne możliwe temperatury w instalacji, etc.- ogólne zasady doboru jak wyżej)

- zestawy do zakończenia początku i końca kabli grzejnych UTK….

  Sposób zarabiania kabli grzejnych znajduje się w dziale „Metody zakańczania”

- puszki przyłączeniowe i rozgałęźne: JB9000/Ex lub na wsporniku DESTU DJB9000/Ex.

- termostaty: CT-A, CT-B, CT-C lub do stref zagrożonych wybuchem CT-FL/…

- akcesoria: taśmy klejące montażowe FT/Alum, FT/HTP, FT/HTL lub FT/PGL), taśmy rozstawcie PPS/A (PPS/G) wsporniki puszek łączeniowych PB/S lub DESTU i termostatów PB/S, opaski mocujące PFS/G, przejścia kabli grzejnych przez izolację termiczną LEK/U oraz naklejki ostrzegawcze CL.

4. Instalacje oparte na kablach grzejnych w strefach zagrożonych wybuchem Ex.

Wyżej opisane przykłady zastosowań kabli grzejnych mogą dotyczyć stref zagrożonych wybuchem Ex.

Wszystkie przewody grzejne samoregulujące oraz część pozostałych kabli grzejnych z naszej oferty posiadają certyfikaty ATEX poświadczające dopuszczenie do stosowania w strefach zagrożonych wybuchem Ex.

Spełniają one niezbędne normy zgodne z dyrektywami europejskimi oraz dyrektywami dopuszczającymi ich zastosowanie na rynkach pozaeuropejskich (certyfikaty EAC, CSA, etc – więcej informacji na podstanach opisujących każdy typ kabla grzejnego).

Przed przystąpieniem do wykonania instalacji grzejnej w strefie zagrożonej wybuchem należy odpowiednio dobrać kabel grzejny zgodnie z zasadami opisanymi powyżej „PROJEKT SYSTEMU”

Szczególnie ważnym parametrem jest klasyfikacja strefy (1 lub 2) oraz klasa temperaturowa T…

Wybór odpowiedniego rodzaju i typu kabla grzejnego wymaga uwzględnienia tych parametrów oraz dokonania odpowiednich obliczeń. Obliczenia takie wykonuje firma HANEL używając oprogramowania EVOLUTION / HEAT-TRACE.

Mając ustaloną listę kabli grzejnych oraz niezbędnych akcesoriów można przystąpić do ich montażu.

Kable grzejne samoregulujące oraz równoległe (sektorowe) odznaczają się bardzo dużą wygodą aplikacji a mianowicie możliwością ich docinania do żądanej długości na obiekcie.

Ważnym aspektem podczas instalacji przewodów grzejnych w strefach zagrożonych wybuchem Ex jest sposób zakończenie początku i końca każdego odcinka.

Zestawy UTK … lub StripFree umożliwiają wykonanie takich zakończeń w prosty i szybki sposób bez użycia specjalnych narzędzi i ognia oraz bez konieczności wynoszenia przewodu grzejnego poza strefę zagrożoną wybuchem.

Do stworzenia systemu potrzebne będą:

- kable grzejne samoregulujące:  FSR, FSE, FS+, FSS lub FSU

Typ kabla – zależny od aplikacji (dobierany na podstawie takich danych jak: średnica rurociągu, rodzaj oraz grubość izolacji termicznej, temperatury otoczenia, maksymalne możliwe temperatury w instalacji, etc. – ogólne zasady doboru jak wyżej.)

Lub

- kable grzejne równoległe / sektorowe (o stałej mocy na każdy metr długości niezależnie od warunków zewnętrznych):  MTFJ, PHT lub AHT

Typ kabla – zależny od aplikacji (dobierany na podstawie takich danych jak: średnica rurociągu, rodzaj oraz grubość izolacji termicznej, temperatury otoczenia, maksymalne możliwe temperatury w instalacji, etc.- ogólne zasady doboru jak wyżej)

- zestawy do zakończenia początku i końca kabli grzejnych UTK….

  Sposób zarabiania kabli grzejnych znajduje się w dziale „Metody zakańczania”

- puszki przyłączeniowe i rozgałęźne Ex: JB9000/Ex lub na wsporniku DESTU DJB9000/Ex.

- termostaty Ex: CT-FL/…

- akcesoria dla rurociągów: taśmy klejące montażowe FT/Alum, FT/HTP, FT/HTL lub FT/PGL), wsporniki puszek łączeniowych PB/S lub DESTU i termostatów PB/S, opaski mocujące PFS…, przejścia kabli grzejnych przez izolację termiczną LEK/U oraz naklejki ostrzegawcze CL.

- akcesoria dla zbiorników: taśmy klejące montażowe FT/Alum, FT/HTP, FT/HTL lub FT/PGL), taśmy rozstawcie PPS/A (PPS/G) wsporniki puszek łączeniowych PB/S lub DESTU i termostatów PB/S, opaski mocujące PFS/G, przejścia kabli grzejnych przez izolację termiczną LEK/U oraz naklejki ostrzegawcze CL.

III. Bezpieczeństwo: