1 °C macht was aus

Elektrowärme in der Industrie

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23.05.2012 Sicher sind viele Prozesse bezüglich der Temperaturen bei Weitem nicht immer so kritisch, dennoch ist ein gezielter Wärmeeintrag stets genau zu überdenken. In heutigen Produktionsanlagen erfolgt  der Wärmeeintrag neben klassischen Varianten mit Dampf und Gas- oder Ölbrennern auch elektrisch. Der Beitrag gibt einen kleinen  Einblick darüber, warum der Einsatz von Elektrowärme in Industrieanlagen sinnvoll ist.

Entscheider-Facts Für Anwender

  • Die sofortige Verfügbarkeit von Elektrowärme ohne die Notwendigkeit des Betriebes vorgelagerter Anlagen spart Produktionszeiten.
  • Die hohe Standzeit von Elektrowärmeanlagen, gepaart mit dem nahezu wartungsfreien Betrieb, ergibt ein zusätzliches Sparpotenzial und kurze Amortisierungszeiträume.
  • Nicht zuletzt lassen sich Elektrowärmeanlagen sehr präzise steuern und regeln.
  • Grundvoraussetzung für eine funktionsfähige Einheit sind hier, wie bei allen anderen Komponenten in einem Prozess, eine klare Spezifikation und ein kompetentes Engineering.

Elektrowärmesysteme werden heute in fast jedem Industriezweig eingesetzt. Überall dort, wo Medien wie Flüssigkeiten und Gase aufgeheizt werden müssen oder vor Frost zu schützen sind, sind auch Elektroerhitzer oder Elektrobegleitheizungen im Einsatz. Der Temperaturbereich von typischen Anwendungen liegt zwischen 0  bis annähernd 1.000 °C. Durch entsprechende Auslegung der Anschlüsse und Schaltanlagen lassen sich heute auch nahezu alle Applikationen im Ex-Bereich einsetzen.
Durch diese Bandbreite sind Elektrowärmeprodukte unter anderem prädestiniert für den Einsatz in folgenden Bereichen:

  • chemische- und petrochemische Betriebe,
  • Produktionsanlagen für Lacke- und Farben,
  • Klebstoffherstellung,
  • Lebensmittelherstellung,
  • Produktionsanlagen mit thermischen Prozessen sowie
  • Kraftwerken.

Warum Elektrowärme?

Elektrowärme hat gegenüber Dampf, Gas-und Ölbrennern folgende signifikante Vorteile:

  • Wirkungsgrad: nahe 100%;
  • Emissionen am Einsatzort: keine;
  • Verfügbarkeit: sofort;
  • Wartung: nahezu keine Wartung erforderlich;
  • Einsatzdauer von Elektrowärmesystemen: mehrere Dekaden;
  • Regelung: sehr genau.

Vergleicht man also den kleineren Wirkungsgrad bestehender, klassischer  Systeme mit Brennern und Wärmeübertragern etc. mit einem Elektrowärmesystem, wird deutlich, dass der Aspekt der höheren Energiekosten beim elektrischen Strom nicht ganz aufgeht bzw. teilweise sogar ad absurdum geführt werden kann. Die „0-Emission“ am Einsatzort verkürzt die Zulassungszeit elektrischer Systeme im Vergleich zu Brenneranlagen erheblich. D.h. eine mit elektrischen Wärmesystemen geplante Anlage ist deutlich schneller in Betrieb. Sofortige Verfügbarkeit ohne die Notwendigkeit des Betriebes vorgelagerter Anlagen spart Produktionszeiten. Die hohe Einsatzdauer von Elektrowärmeanlagen gepaart mit dem nahezu wartungsfreien Betrieb ergibt ein zusätzliches Sparpotential und kurze Amortisierungszeiträume. Nicht zuletzt lassen sich Elektrowärmeanlagen sehr präzise steuern und regeln.

Das zugeschnittene Produkt

Je nach konketen Aufgabenstellung bestehen Elektrowärmesysteme aus unterschiedlichsten Produkten – angefangen von einfachen Heizelementen oder Heizpatronen, die in Bauteile integriert werden können, bis hin zu komplexen Systemen mit Schnittstellen zu anderen Komponenten. So kommen in großen Tanks etwa sowohl Einsteckheizer, die direkt in das Medium eingebracht werden, als auch Begleitheizungen, die durch Heizkabel den äußeren Mantel des Tanks erwärmen, zum Einsatz.

Für das Erwärmen von Flüssigkeiten und Gasen werden vorzugsweise sogenannte Strömungserhitzer eingesetzt, die – wie der Name schon sagt – das strömende Medium auf dem Weg durch den Erhitzer erwärmen. Selbstverständlich kommen auch kombinierte Techniken zum Einsatz, um beispielsweise elektrische Dampfkessel, Verdampfer und Dampfüberhitzer zu realisieren.

Grundvoraussetzung für eine funktionsfähige Einheit sind hier, wie bei allen anderen Komponenten in einem Prozess, eine klare Spezifikation und ein kompetentes Engineering. Typische Produkte sind zum Beispiel:

  • Strömungserhitzer für Gase und Flüssigkeiten;
  • Tankeinsteckvorwärmer;
  • Verdampfer, Dampfkessel;
  • Begleitheizungen für Produktrohre und Behälter, Fassheizer, Unterfrierschutz;
  • Heizelemente, Heizpatronen, Heizplatten;
  • Heizlüfter.

Exotisches

Neben den genannten Produkten, die konventionell mit Heizkabeln oder Heizelementen ausgerüstet sind, gibt es auch exotisch anmutende Arbeitsweisen von Elektrowärmeanlagen. So lassen sich beispielswiese sehr lange Rohrleitungen mit konventionellen Heizkabeln aufgrund der Ohmschen Widerstände nur mit sehr vielen Teilabschnitten (Heizkreisen) realisieren. Abhilfe schafft hier eine Heizung, die den sogenannten „Skin-Effect“ ausnutzt. Hierbei werden an die zu beheizende Rohrleitung parallel Heizrohre angeschweißt, die mit einer Hochspannung gespeist und somit zur Beheizung der Produktleitung genutzt werden.

Eine weitere Variante ist die sogenannte „Impedanz-Heizung“. Diese  stellt prinzipiell die trivialste  Art der Beheizung dar. Hierbei wird auf externe Komponenten wie Heizelemente oder Heizkabel verzichtet und das Produktrohr – sofern aus elektrisch leitendem Material – als Heizelement benutzt. Aufgrund der meist guten Leitfähigkeit -zum Beispiel bei einem Stahlrohr – arbeitet man hier meist mit sehr kleinen Spannungen, aber hohen Strömen. Beide Varianten werden aber noch sehr selten eingesetzt und spielen daher nur eine untergeordnete Rolle im Bereich der Elektrowärme.

Wohltemperiert – Regelungsarten

Wie in der Headline erwähnt, hat bei sensiblen Produkten der Wärmeeintrag von einem oder nur wenigen Grad Celsius gegebenenfalls schon erheblichen Einfluss auf die Produktqualität. Hierbei sind dann natürlich präzise und schnelle elektronische Regelungen obligat. Zum Einsatz kommen dann neben einem im Vorfeld genau geplanten Produkt auch selektierte Sensoren – üblicherweise PT100 und Thermoelemente, selten auch NTC-Fühler – und selbstverständlich elektronische Leistungssteller (Thyristoren), um die Leistung direkt proportional zum Regelsignal in den Prozess einzubringen.

Bei weniger genauen Anwendungen finden sich natürlich unter anderem auch einfache Thermostate mit sogenannten 2-Punkt-Regelungen. Die Auslegung entsprechender Schalt- und  Regelanlagen hat hier ebenso sensitiv zu erfolgen wie die der Prozessheizungen selbst. Nur eine perfekte Abstimmung zwischen thermischen- und regelungstechnischen Ansprüchen gewährleistet den erfolgreichen Einsatz von Elektrowärme.

Sicherheit im Fokus

Da es sich bei den Produkten um elektrische Betriebsmittel handelt, sind standardmäßig zunächst  die einschlägigen Normen des Aufstellungsortes – in Deutschland zum Beispiel VDE und/oder harmonisierte EN-Varianten – zu berücksichtigen. Ferner sind bei Produkten für den explosionsgefährdeten Bereich ebenfalls die nationalen bzw. internationalen Vorschriften – in Europa zum Beispiel die Atex-Richtlinie – einzubinden.

Unterlagert finden sich als physische Komponenten in Elektrowärmeanlagen darüber hinaus stets Übertemperaturwächter und Übertemperaturabschaltungen, um sowohl das zu erwärmende Produkt als auch die Anlage selbst vor einer übermäßigen Erwärmung zu schützen. Eine durch entsprechende Schnittstellen eingebundene Elektrowärmeanlage lässt sich somit absolut sicher betreiben und bietet aufgrund der sehr guten Regeleigenschaften auch optimale Voraussetzungen für eine konstant gute Qualität des Produktes.

Heftausgabe: Juni 2012
Peter Kratz, Verkaufsleiter Chromalox

Über den Autor

Peter Kratz, Verkaufsleiter Chromalox

Peter Kratz, Verkaufsleiter Chromalox

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