Bezpieczne grzałki zanurzeniowe

Jakość powłoki galwanicznej w dużym stopniu zależy od temperatury kąpieli. Dlatego grzałki i systemy regulacji temperatury należą do podstawowych elementów wyposażenia galwanizerni. W dużych galwanizerniach używa się często grzałek parowych, natomiast wielu zwolenników, ze względu na swoje zalety mają grzałki elektryczne. Wybór grzałek jest zagadnieniem dość złożonym, obok trwałości i odporności chemicznej należy pamiętać o ochronie przed porażeniem, zminimalizowaniu awarii i zabezpieczeniu przed pożarem. Dobre, prawidłowo dobrane grzałki powinny w sposób bezawaryjny pracować nawet kilka lat.

1. Trwałość i cena
—————-

Ceny grzałek zależą w dużym stopniu od materiału, z jakiego wykonane są ich płaszcze ochronne. Korozyjność kąpieli galwanicznych jest bardzo zróżnicowana, dlatego przed zakupem należy dokładnie przeanalizować warunki pracy i wymagania odporności dla płaszcza.

Grzałki kwarcowe są odporne chemicznie na wszystkie kąpiele poza kwasem fluorowodorowym i fluorkowymi kąpielami do chromowania. Wobec porównywalnej ceny wypierają stopniowo grzałki szklane i porcelanowe. Płaszcz kwarcowy może ulec zniszczeniu jedynie w sposób mechaniczny nie termiczny. Gorącą grzałkę kwarcową można zanurzyć do chłodnej cieczy bez obawy pęknięcia gdyż szkło kwarcowe jest odporne na tzw. „szok termiczny” (gwałtowne zmiany temperatury do 1000°C) oraz długotrwałe przebywanie w temperaturze do 1100°C i krótkotrwałe do 1300°C. Posiada pierwszą, najwyższą kategorię kwaso- i ługoodporności, czym przewyższa wszystkie materiały mineralne.

Grzałki teflonowe są odporne na wszystkie rodzaje kąpieli, jako jedyne wytrzymują we fluorkowej w kąpieli do chromowania lub w kąpieli z kwasem fluorowodorowym. Ich wadą jest dość wysoka cena.

Grzałki ze stali szlachetnej (1.4539) nadają się szczególnie dobrze do kwasów: siarkowego, do 40°C, w pełnym zakresie stężeń (0‑98%), fosforowego (0-85%), solnego (1-2%), a także do alkalicznych kąpieli odtłuszczających z ługiem sodowym.

Grzałki tytanowe ze względu na wysoką cenę tytanu stosuje się praktycznie tylko do kąpieli szlachetnych. Są odporne na prądy błądzące, które powodują mikro rozpuszczanie stali szlachetnych i zanieczyszczanie kąpieli składnikami stopowymi np. chromem. Nie nadają się do kąpieli silnie kwaśnych.

2. Budowa
—————-

Bezpieczne grzałki zanurzeniowe to znaczy, że ich budowa zapewnia odpowiednią ochronę przed porażeniem (por. wkład grzewczy i grzałki izolatorowe!), mają odpowiednią klasę bezpieczeństwa.

Proste pionowe grzałki zanurzeniowe

Moc do 6300 W. Napięcie 220 lub 380 V, prąd zmienny 1-, 2- lub 3-fazowy. Długość płaszcza: 315-2500 mm (Ø44-54 mm). Minimalne zanurzenie: 220-1740 mm. Bryzgoszczelne.

Odmiana – grzałki do małych kąpieli

Moc: 200-1500 W. Napięcie 220 V prądu zmiennego. Długość płaszcza: 100-600 mm (Ø21-32) Minimalne zanurzenie: 90-470 mm.

Istotną zaletą grzałek może być budowa modułowa. Grzałka o takiej budowie składa się z następujących części:

  • głowica z polipropylenu (PP) (do 100°C) lub polifluorku winylidenu (PVDF) (do 135°C) z pierścieniem mocującym, zabezpieczenie bryzgoszczelne;
  • kabel zasilający zabezpieczony przed przegięciem i wyrwaniem z wtopioną wtyczką z uziemieniem;
  • wkład grzewczy z zaciskami do mocowania przewodów kabla (do płaszczy niemetalowych z nierozłączalnym mechanicznie ani elektrycznie zabezpieczeniem przed porażeniem);
  • płaszcz ochronny (obudowa), materiał: kwarc, szkło, porcelana, stale szlachetne, tytan, teflon.

Wkład grzewczy osłonięty jest płaszczem ochronnym dokręconym do głowicy pierścieniem mocującym (zabezpieczenie bryzgoszczelne). Łatwy montaż i demontaż pozwala na zmniejszenie kosztów eksploatacji np. wystarczy kupić i wymienić wkład grzewczy lub stłuczony płaszcz kwarcowy czy szklany bez potrzeby kupowania znacznie droższej, kompletnej grzałki. Uwaga: Najmniejsze grzałki są zwykle nierozbieralne.

Znane są dwa typy głowic, bez uchwytu, do mocowania grzałek w pokrywie, w pierścieniach ze specjalnej gumy i zespolone z uchwytem do mocowania na krawędzi wanny. W razie potrzeby do głowicy bez uchwytu można przykręcić demontowalny uchwyt do mocowania.

Z dwóch typów wkładów grzewczych, wkłady z rdzeniem ceramicznym zapewniają równomierne ogrzewanie całej powierzchni grzałki, w przypadku zamoczenia (np. stłuczenie płaszcza) wymagają bardzo dokładnego umycia i wysuszenia. Wkłady w metalowej rurze są wygodne do umycia i wysuszenia, ale ogrzewają powierzchnię w sposób mniej równomierny.

Płaszcz ochronny to rura zamknięta od dołu, z kołnierzem od góry. Materiał odpowiedni do przeznaczenia grzałki np.: kwarc, szkło, porcelana, stale szlachetne, tytan, teflon.

W grzałkach izolatorowych do kąpieli elektrolitycznych przewód uziemiający odizolowany jest od metalowego płaszcza grzałki specjalną konstrukcją zabezpieczającą. Oznacza to, że posiadają one całkowicie skuteczną ochronę przed porażeniem. W razie awarii, na płaszczu nie pojawia się napięcie. Grzałki te mimo metalowej obudowy, nie powodują przepływu prądu stałego przez elektrolit (nie ma różnicy potencjałów między ziemią a zerem). Na ich płaszczach nie odkładają się więc osady metaliczne. Jest to zaleta typowa dla grzałek z płaszczami kwarcowymi, szklanymi lub porcelanowymi, a jednocześnie płaszcz jest nietłukący. Seryjnie stosuje się wyłącznie płaszcze ze stali szlachetnej lub z tytanu.

Grzałki o obciążeniu powierzchni ok. 1,5 W/cm² zalecane są do kąpieli, w których na płaszczu grzałki powstają trudno rozpuszczalne osady pogarszając wymianę ciepła. Rozwiązanie to zapobiega konieczności częstego czyszczenia i przedłuża czas eksploatacji grzałek.

Patrony grzewcze, grzejniki rurowe i ożebrowane

Patrony grzewcze stosuje się do ogrzewania pieców suszarniczych, podgrzewaczy olejowych, pieców piekarniczych, kotłów warzelniczych, pieców kąpielowych, płyt prasujących, wędzarni, pieców akumulacyjnych, parników paszowych, kąpieli z olejami hartowniczymi, ołowiowymi, odtłuszczającymi, bitumicznymi itp.

Oprócz prostych patronów grzewczych stosuje się jeszcze:

  • wkręcane grzejniki z termostatem,
  • wkręcane grzejniki rurowe (rury miedziane niklowane lub tytanowe),
  • ożebrowane grzejniki rurowe.

Moc patronów grzewczych została tak konstrukcyjnie rozłożona, że mają one długą żywotność i są bardzo bezpieczne w użyciu. W typoszeregu wkładów grzewczych występuje 5 średnic: Ø32, 36, 39, 45, 57, długość: 220-2000 mm, moc: 400-12000 W.

Do podgrzewania roztworów wodnych do ok. 100°C należy stosować patrony o obciążeniu powierzchni 1,5-2,4 W/cm²; do podgrzewania tłuszczu, oleju, smoły, tri itp. patrony o obciążeniu powierzchni 1,5-2,0 W/cm².

Patrony grzewcze nadają się zarówno do zabudowy pionowej jak i poziomej.

Podstawowe części patronu grzewczego to: ceramiczny wkład grzewczy i płaszcz ochronny (obudowa), ewentualnie z bryzgoszczelnym kołpakiem ochronnym (IP65). Ceramiczne wkłady grzewcze mają bardzo wysoką wartość izolacji i bardzo dobrą odporność na zmiany temperatury. Niektóre rodzaje patronów mają wytrzymałość na przebicie do 4000 V.

Typ płaszcza ochronnego zależy od sposobu mocowania np. z kołnierzem do wspawania, z kołnierzem do przykręcania, z końcówką gwintowaną, z głowicą PP (PVDF). Materiał płaszcza: stal st 35, stal szlachetna 4571, tytan.

3. Regulacja i ograniczanie temperatury, zabezpieczenie przed grzaniem „na sucho”
—————-

Grzałki w pełni zautomatyzowane to proste pionowe grzałki wyposażone w zintegrowany system automatycznej regulacji temperatury. Elektrody czujników przymocowane na stałe do głowicy grzałki mają długość odpowiednią do minimalnej głębokości kąpieli. Obudowa regulatora temperatury połączona jest z grzałką za pomocą elastycznego kabla. Grzałki takie nie tylko zapewniają utrzymanie odpowiedniej, stałej temperatury, ale dodatkowo zabezpieczają przed przegrzaniem i grzaniem „na sucho” tym samym ograniczają niebezpieczeństwo powstania pożaru.

Moc do 4000 W. Napięcie 220 lub 380 V, prąd zmienny 1- lub 2-fazowy.

Stosowane są grzałki automatyczne, z wbudowanym układem pomiaru i regulacji temperatury, ale bez zabezpieczeń lub tylko z jednym, wybranym zabezpieczeniem.

Możliwe jest także późniejsze, dodatkowe wyposażenie prostej grzałki w nakładkę z czujnikami, mocowaną na głowicy oraz w system automatycznej regulacji temperatury ewentualnie z zabezpieczeniami, przed przegrzaniem i przed grzaniem „na sucho”.

Zintegrowany system automatycznej regulacji temperatury – „cztery w jednym”, optymalne rozwiązanie do pomiaru i regulacji temperatury oraz zabezpieczenia przed przegrzaniem i przed grzaniem „na sucho”, składa się z następujących elementów:

  • czujnik temperatury i poziomu,
  • elektroniczny, dwupunktowy regulator temperatury (0‑150°C),
  • ogranicznik temperatury (0‑165°C),
  • konduktometryczne zabezpieczenie przed grzaniem „na sucho” (30-500 kΩ),
  • zasilanie grzałki.

We wszystkich typach urządzeń, pochwy czujnika temperatury i elektrody czujnika poziomu powinny być pokryte teflonem i dopasowane do minimalnego zanurzenia. Dopóki obie elektrody są zanurzone w kąpieli, regulator włącza i wyłącza grzałkę regulując nastawioną temperaturę. Jeżeli poziom cieczy spadnie poniżej elektrody zabezpieczającej przed grzaniem „na sucho” albo temperatura cieczy przekroczy wartość nastawioną (awaria regulatora) odpowiedni bezpiecznik automatycznie wyłączy grzałkę. To samo dotyczy uszkodzenia czujników. Stany urządzenia sygnalizują świecące diody: „zielona” podłączone do sieci, „pomarańczowa” grzanie, „czerwona” przegrzanie lub grzanie „na sucho” (grzałka wyłączona). Elektroniczny regulator w wykonaniu cyfrowym wraz z ogranicznikiem temperatury i zabezpieczeniem przed grzaniem „na sucho” umieszczono w bryzgoszczelnej obudowie z tworzywa sztucznego z przezroczystą pokrywą. Dzięki temu może on być zainstalowany w pobliżu kąpieli (np. na krawędzi wanny) i służyć dodatkowo jako termometr.

Możliwe jest kupno i zainstalowanie każdego z urządzeń osobno, ale wtedy ich łączny koszt jest ok. 2 razy wyższy od systemu zintegrowanego.

Nawet najlepsze urządzenia psują się. Awaria regulatora temperatury w pozycji „grzanie” może doprowadzić do przegrzania i zniszczenia kąpieli, a nawet do uszkodzenia wanny. Jeżeli zainstalowano zabezpieczenie przed przegrzaniem, po przekroczeniu zadanej temperatury, nieco wyższej od regulowanej, grzałka zostaje automatycznie wyłączona. Ponowne uruchomienie grzałki wymaga wciśnięcia przycisku przez osobę uprawnioną.

Zdarza się, że wanna jest nieszczelna lub nie uzupełniono na czas odparowanej wody. Praca grzałki częściowo wynurzonej może doprowadzić do jej uszkodzenia, a nawet do pożaru i tym samym bardzo dużych strat. Jeżeli zainstalowano zabezpieczenie przed grzaniem „na sucho”, po obniżeniu się poziomu kąpieli poniżej dopuszczalnego, grzałka zostaje automatycznie wyłączona. Ponowne uruchomienie grzałki nastąpi automatycznie po uzupełnieniu kąpieli do odpowiedniego poziomu.

Zintegrowany system automatycznej regulacji temperatury wraz z zabezpieczeniem przed przegrzaniem i grzaniem „na sucho” może być stosowany jako komplet z jedną lub dwiema prostymi grzałkami pionowymi, w połączeniu z grzałkami innych typów np. z grzałkami kątowymi lub do małych kąpieli itp., z gniazdami do podłączenia 2-3 grzałek, a także do sterowania większą liczbą grzałek.

W przypadku gdy łączna moc grzałek jest większa niż 3,5 kW system musi być połączony z grzałkami za pośrednictwem stycznika.

Duże firmy dysponują zwykle pełną, wielobranżową obsługą techniczną. Odpowiednie służby bez większych problemów konstruują układy elektryczne, „pomiarówkę” i automatyczne sterowanie. W sytuacjach kiedy wymagana jest jednak prostota montażu i sprawne działanie przy minimalnej obsłudze, idealnym rozwiązaniem są grzałki w pełni zautomatyzowane – „dwa, trzy lub cztery w jednym”.

4. Określanie mocy grzałek – podstawy obliczeń
—————-

Moc na podgrzanie kąpieli zależy od objętości cieczy (V), różnicy temperatur (ΔT), strat ciepła (kształt wanny, izolacja, pokrywa) (fs), czasu podgrzewania (τ) i rodzaju cieczy (fm). Na podgrzanie kąpieli potrzeba więcej energii niż tylko do utrzymywania jej w stałej temperaturze (tab. 1).

Moc na podgrzanie

P [kW] = V [l] x ΔT [K] x fs / τ [h] / fm

Przykład:

200 l wody ogrzać o 42 K (od 18 do 60°C) przy stratach 30% w czasie 5 h

P = 200 l x 42 K x 1,43 / 5 h / 857 = 2,8 kW

Moc na ogrzewanie ciągłe zależy od rodzaju procesu, zwykle jednak głównie od strat ciepła, w tym także wynikających z wprowadzania zimnych detali i uzupełniania wody.

Określając moc grzałek należy pamiętać o dopuszczalnym obciążeniu powierzchni grzewczej. Im mniejsze obciążenie tym trwalsza grzałka i mniej niekorzystnych zjawisk na jej powierzchni (tab. 2).

Obciążenie powierzchni grzałki

O [W/cm²] = P [W] / L [mm] / Ø [mm] x 31,8

Przykład:

grzałka 2000 W, długość ogrzewana 450 mm, Ø rury 51 mm

O = 2000 W / 450 mm / 51 mm x 31,8 = 2,8 W/cm2

5. Akcesoria
—————-

Grzałki wszystkich typów można wyposażyć w dopasowane do minimalnego zanurzenia czujniki temperatury i poziomu, w pochwach ze stali szlachetnej, tytanu lub teflonu, analogowe (E) lub cyfrowe (EDIG) elektroniczne regulatory temperatury, ograniczniki temperatury, zabezpieczenia przed grzaniem „na sucho”.

Wartym polecenia prostym urządzeniem, które poprawia ekonomiczne wykorzystywanie grzałek, jest włącznik zegarowy. Nie pracując przez weekend, nie grzejemy kąpieli „na pusto”, ale ustawiamy początek grzania np. na poniedziałek godz. 4 rano tak aby kąpiel miała odpowiednią temperaturę o godz. 8.00.

Odrębnie zamawiane akcesoria to: uchwyty, gumowe pierścienie, głowice z PVDF zamiast z PP, kabel silikonowy (do 200°C) lub z PCW (do 60°C), klucze do zakręcania głowic, stopy dystansowe od dna lub ściany.

Tabela 1. Współczynniki stosowane do obliczeń mocy grzałek
Straty ciepła
10% 20% 30% 40% 50% 60%
Przedstawione liczby są wynikami przeprowadzonych testów, nie mogą być jednak podstawą jakichkolwiek roszczeń.
Współczynnik strat ciepła – fs 1,11 1,25 1,43 1,67 2 2,5
Współczynnik medium – fm woda (kwas/ług): 857 olej: 2149
Tabela 2. Typowe wartości obciążenia powierzchni grzałek
Rodzaj grzałki – Proces Obciążenie powierzchni [W/cm²]
Proste pionowe duże 2…3,5
Proste pionowe małe 3,5…4,0
Teflonowe 1,5
Fosforanowanie max. 1,5
Nikiel chemiczny max. 1,5
C2Cl4, C2HCl3 max. 1,5
Ogrzewanie oleju max. 1,5….2,0
Ogrzewanie powietrza (w obiegu) 2,5….3,0

Komentarze