Bild 1: Das Beheizungssystem besteht aus einer Heizmanschette aus glasfaserverstärktem Silikonmaterial mit rückwärtiger Isolation und Druckknöpfen oder Klettverschlüssen zur einfachen Montage und Demontage

Bild 2: Ablagerungen von Aluminiumchlorid in einer Rohrleitung bei unzureichender Begleitheizung (links). Durch die Verwendung eines vollflächigen Beheizungssystems werden Ablagerungen vermieden (rechts).

Bei thermisch sensiblen Medien oder Prozessen haben Begleitheizungen einen entscheidenden Einfluss auf das Prozessergebnis. Die Pumpen- und Gasleitungs-Beheizungssysteme von Watlow zeichnen sich dabei durch die genaue Dosierung der einzubringenden Leistung, einerseits durch die Anpassung der Wattdichte an die Erfordernisse, andererseits durch die Regelung der Heizelemente, aus. Dies führt zu einer Energieeinsparung, da tatsächlich nur die Leistung bereitgestellt wird, die erforderlich ist.

Die Erwärmung und Temperierung von Medien spielt in der modernen Verfahrenstechnik eine bedeutende Rolle, da viele Prozesse nur innerhalb eines bestimmten Temperaturfensters ablaufen. Da in der Regel die zur Umsetzung benötigten Medien über Rohrleitungssysteme der Prozesskammer zugeführt und entstandene Reaktionsprodukte aus der Prozesskammer entfernt werden, ist es notwendig, die entsprechenden Zu- und Ableitungen mithilfe von Rohrbegleitheizungen auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen. Die Temperierung der Rohrleitungen wird umso wichtiger, je kleiner das Temperaturfenster ist, in dem der Prozess abläuft und je stärker die transportierten flüssigen oder gasförmigen Medien zur Erstarrung bzw. Kondensation neigen. Eine genaue Temperaturführung entlang der Rohrleitungen sind in solchen Fällen für das Prozessergebnis von entscheidender Bedeutung.

Einfache Montage

Watlow hat mit seinem Pumpen- und Gasleitungs-Beheizungssystem eine elektrische Begleitheizung entwickelt, die eine vollflächige Beheizung der Rohrleitung und somit eine gleichbleibende Temperatur im System gewährleistet (Bild 1). Die Heizelemente sind bei Temperaturen bis zu +200 °C einsetzbar und in verschiedenen Spannungen erhältlich. Herzstück des Beheizungssystems ist eine Heizmanschette aus glasfaserverstärktem Silikonmaterial mit rückwärtiger Isolation und Druckknöpfen oder Klettverschlüssen zur einfachen Montage und Demontage. Dieser Aufbau macht die zeitraubende Umwicklung der einzelnen Rohrstücke mit Begleitheizungen und die nachfolgende thermische Isolierung des Leitungssystems überflüssig. Weiterhin ist jede Heizmanschette mit Steckern ausgestattet, sodass bei der Installation der Anlage die Heizelemente lediglich zusammengesteckt und an die Regelungseinheit angeschlossen werden.

Zur Messung der Temperatur können auf die Heizelemente bei Bedarf Thermoelemente oder Pt100-Sensoren aufgebracht werden. Das System wird komplettiert durch ein Regelungsmodul mit mikroprozessorgesteuerten Temperaturreglern und Halbleiterschaltelementen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Regelgeräte extern über einen PC mithilfe einer dafür entwickelten Software zu konfigurieren und Prozessdaten auszulesen.

Die Heizelemente sind standardmäßig in unterschiedlichen Durchmessern, Längen und Geometrien verfügbar. Auch Bögen, Flansche und T-Stücke können mit Standardmanschetten verkleidet und beheizt werden. Durch Auswahl geeigneter Heiz-elemente besteht die Möglichkeit der vollflächigen Beheizung kompletter Rohrleitungen.

Problemzonen gemeistert

In Leitungssystemen sind meistens weitere Baugruppen wie Pumpen, Ventile oder Apparaturen integriert, deren Temperierung aus verschiedenen Gründen eine besondere Herausforderung darstellt, die sich allerdings mit den Watlow-Heizelementen lösen lässt: Einerseits treten an diesen Komponenten in der Regel die größten Wärmeverluste auf, andererseits ist die Geometrie dieser Bauteile oftmals sehr unregelmäßig, was deren Beheizung erheblich erschwert. Allerdings ist gerade die ausreichende Beheizung dieser Baugruppen in der Praxis von besonderer Bedeutung, da Kondensationen bevorzugt im Bereich dieser Komponenten auftreten. Ursache dafür ist das teilweise sehr stark unterschiedliche thermische Verhalten solcher Bauteile im Vergleich zu Rohrleitungen. In solchen Fällen führt das einfache Umwickeln mit Heizkabeln nicht zum gewünschten Resultat, sodass eine spezifische Anpassung des Heizelementes an das zu beheizende Bauteil notwendig wird.

Eine derartige Anpassung darf sich nicht allein auf die Geometrie des Heizelementes beschränken, sondern muss auch die Wärmeverluste im Bereich dieser Bauteile in Betracht ziehen. Dies erfordert die Angleichung der Leistung bzw. Leistungsdichte der Heizmanschette an die am Bauteil vorherrschenden thermischen Verhältnisse. Besonders bei Ventilen treten oftmals höhere Wärmeverluste als in gewöhnlichen Rohrstücken auf, was einen größeren Leistungseintrag pro Flächeneinheit erforderlich macht. In manchen Fällen ist es notwendig, ein solches Heizelement zusätzlich mit einem Temperatursensor auszurüsten und in einem separaten Regelkreis zu betreiben. Dies wird vor allem dann notwendig sein, wenn sich das thermische Verhalten am Ventil vom restlichen System stark unterscheidet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch in Rohrleitungssystemen mit abschnittsweise unterschiedlichen thermischen Eigenschaften überall die gewünschte Temperatur herrscht und unerwünschte Kondensationen vermieden werden.

Beispiel

Das nachfolgende Beispiel verdeutlicht die Bedeutung der Rohrbegleitbeheizung bei thermisch kritischen Prozessen. Die Aufnahmen in Bild 2 zeigen Abgasleitungen einer Aluminiumätzanlage, wie sie in der Halbleiterfertigung zum Einsatz kommt. Auf der linken Aufnahme ist eine Rohrleitung mit unzureichender Rohrbegleitbeheizung dargestellt, die rechte Aufnahme stammt von einer vollflächig beheizten Rohrleitung. Problematisch ist bei diesem Prozess das als Nebenprodukt entstehende Aluminiumchlorid, das an den Wänden der Abgasleitungen kondensiert. Diese Ablagerungen führen zu einer sukzessiven Verengung des Rohrquerschnittes und stellen zudem eine Partikelquelle dar, die das Ergebnis dieses unter Reinraumbedingungen ablaufenden Prozesses stark beeinträchtigt. Darüber hinaus macht die Bildung von Ablagerungen eine außerplanmäßige Wartung der Anlage erforderlich, was mit erheblichen Kosten, bedingt durch einen entsprechenden Produktionsausfall, verbunden ist. Bei Verwendung herkömmlicher Heizkabel als Rohrbegleitbeheizung kann die Bildung dieser Ablagerungen nicht ganz verhindert werden, da eine vollständige Bedeckung des Rohres und somit eine gleichmäßige Temperierung nicht gegeben ist. Mit der vollflächigen Watlow-Heizung ist dies kein Problem.

Online-Info www.cav.de/0610465

Nathalie Klak