Maßgeschneidert für den Ex-Bereich

Heizflansche für den explosionsgefährdeten Bereich

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10.05.2017 Hohe Energien in den Ex-Bereich einzubringen, ist per se knifflig. Beim Einsatz von Heizflanschen in explosionsgefährdeten Bereichen ist die Auslegung sicherheitskritisch. Hier ist es sinnvoll, die kritischen Auslegungselemente projektspezifisch anzupassen und die Grenzen einer Baumusterprüfung optimal auszunutzen.

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Entscheider-Facts für Planer und Betreiber

  • Insbesondere in explosionsgefährdeten Bereichen ist es zwingend erforderlich, die Grenzen der eingesetzten Heizgeräte genau zu kennen.
  • Für jeden Heizflansch (Standard und explosionsgeschützte Bauweise) werden deshalb die Filmtemperaturen für die unterschiedlichen Betriebszustände (Volllast, Teillast, instationäre Aufheizvorgänge) berechnet.
  • Die Einzelauslegung ermöglicht den optimalen Einsatz eines elektrischen Heizflansches unter Berücksichtigung aller begrenzenden und sicherheitsrelevanten Prozessparameter.

Das Projektgeschäft ist so vielfältig wie die Kunden, die es gestalten. Im Bereich des Explosionsschutzes stellt dieses eine besondere Herausforderung dar, denn durch projektspezifische Auslegung und Konstruktion müssen sowohl die Kundenbedürfnisse abgedeckt, als auch die hohen Anforderungen an die Sicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen sichergestellt werden.Die Einhaltung der gültigen Druckgeräte- (DGRL 2014/68/EU) und Atex-Richtlinie (Atex 2014/34/EU) und der damit verbundenen harmonisierten Normen stellt die Grundlage für die Konstruktion und Auslegung und den aktuellen Stand der Technik dar. Der Heizflansch GC-Flange EX und die darin verbauten GC-Tube EX erfüllen diese Anforderungen: Der Heizflansch kann durch zertifizierte Konstruktion und Fertigung individuell angepasst und im Bereich der Zonen 1 und 2 beziehungsweise für Staub in den Zonen 21 und 22 eingesetzt werden. Das Einsatzspektrum umfasst die Beheizung von Fluiden im Temperaturbereich von -20 bis 450 °C.

Anschlussbereich des Heizflansches entscheidend für den Ex-Einsatz

Entscheidend für den Explosionsschutz ist nicht das beheizte Medium, sondern immer die unmittelbare Umgebung des Anschlussbereiches des Heizflansches. Der GC-Flange EX kann bei Umgebungstemperaturen von -20 bis 60 °C eingesetzt werden. Die Zoneneinteilung und die Prozessbedingungen des Betreibers legen die Anforderungen an das Produkt fest. Das breite Einsatzspektrum für den Heizflansch ist gleichzeitig die Herausforderung, ein optimiertes Produkt, bezogen auf die Aspekte Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Funktionalität zu erzeugen.
Insbesondere in explosionsgefährdeten Bereichen ist es zwingend erforderlich, die Grenzen der eingesetzten Geräte genau zu kennen. Die verfahrenstechnisch entscheidenden Größen (Strömungsgeschwindigkeit, Stoffeigenschaften) lassen sich abbilden, indem die Filmtemperatur des Mediums auf den Heizelementen ermittelt wird. Für jeden Heizflansch (Standard und explosionsgeschützte Bauweise) werden deshalb die Filmtemperaturen für die unterschiedlichen Betriebszustände (Volllast, Teillast, instationäre Aufheizvorgänge) berechnet.

Anhand eines repräsentativen Beispiels zeigen Bild 1 bis 3 den Einfluss verschiedener Betriebszustände auf die resultierende Filmtemperatur. Bild 1 zeigt einen Dauerlastfall (100 % Volumenstrom, 100 % Einschaltdauer der Heizelemente), für den sich bei einer Temperatur des Mediums von 95 °C eine Filmtemperatur auf dem Heizelement von ca. 135 °C einstellt. Beim Wechsel in den Teillastbetrieb (halbierter Volumenstrom, 50 % Einschaltdauer der Heizelemente) kann die maximale Filmtemperatur über das elektrische Regelverhalten der Heizelemente direkt beeinflusst werden (Bild 2: Einschaltperiode = 10 s; Bild 3: Einschaltperiode = 30 s). Im ersten Beispiel ist die Filmtemperatur gegenüber dem Dauerlastfall deutlich geringer. Bei einer Einschaltperiode von 30 s erreicht die Filmtemperatur bereits das Niveau des Dauerlastfalls (~134 °C). Bei höherviskosen Medien kann es im Teillastbetrieb bei ungünstiger Regelung zum Überschreiten der maximal zulässigen Filmtemperatur kommen. Dies wird bereits bei der Auslegung berücksichtigt.

Eigenerwärmung berücksichtigen

Bei kritischen Anwendungen kann auch die resultierende Heizdrahttemperatur ermittelt werden, um die eigentlichen Grenzen des Systems möglichst genau zu bestimmen und die Heizelemente optimal auslegen zu können. Die resultierende Temperatur im Anschlussgehäuse ist vor allem in explosionsgefährdeten Bereichen eine entscheidende Auslegungsgröße. GC-Heat setzt ein Berechnungsmodell zur Ermittlung der Eigenerwärmung ein, das auf den physikalischen Gleichungen zur Wärmeberechnung und Versuchsreihen, die durch die benannte Stelle überwacht wurden, basiert. Hierdurch kann die resultierende maximale Endtemperatur im Anschlussgehäuse für jedes Projekt und jede verbaute Komponente bestimmt werden. Ist die Eigenerwärmung im Anschlussgehäuse berechnet, werden gegebenenfalls die Abmessungen angepasst und eine Leistungsbeschränkung oder eine optimierte Stufeneinteilung vorgenommen. So wird sichergestellt, dass der Heizflansch den hohen Sicherheitsanforderungen der genannten Richtlinien gerecht wird.

Die erforderliche Länge der Kühlstreckenlänge wird auf die gleiche Weise ermittelt. Das zum Einsatz kommende Auswahlprogramm wurde auf Grundlage zahlreicher Versuchsreihen entwickelt und durch eine Abnahmemessung im Beisein der benannten Stelle bestätigt. Die resultierende Temperatur im Anschlussgehäuse in Abhängigkeit der Kühlstreckenlänge und der Temperatur des Mediums ist in Bild 4 dargestellt.

Fazit: Die Einzelauslegung berücksichtigt die verschiedenen explosionsschutzrelevanten Aspekte und ermöglicht den optimalen Einsatz eines elektrischen Heizflansches unter Berücksichtigung aller begrenzenden und sicherheitsrelevanten Prozessparameter. Außerdem wirkt sich die individuelle Auslegung auf den Preis aus, da durch den modularen Aufbau ausschließlich Komponenten verbaut werden, die auch gewünscht oder erforderlich sind.

Heftausgabe: Mai 2017
Manuel Hopp ist  Projektingenieur bei GC-Heat

Über den Autor

Manuel Hopp ist Projektingenieur bei GC-Heat
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