Ex-doorstroomheaters: explosieveilig verwarmen in ATEX-zones

Wat is een Ex-doorstroomheater?

Een Ex-doorstroomheater is een doorstroomverwarmer die zo is uitgevoerd dat hij in een explosieve atmosfeer geen ontstekingsbron vormt, in normaal bedrijf en bij een gedefinieerde storing. Dat vraagt drie dingen: een aansluithuis met een gecertificeerde beschermingswijze, een begrensde oppervlaktetemperatuur van de delen die de atmosfeer kunnen raken, en een onafhankelijke veiligheidsbegrenzing die het toestel spanningsloos maakt vóór die grens wordt bereikt.

Hoe een doorstroomverwarmer zelf werkt en uit welke onderdelen hij bestaat, lees je in ons artikel over doorstroomverwarmers en circulation heaters. Het voorvoegsel Ex staat voor explosieveilig. De markt gebruikt daarnaast de termen ATEX-doorstroomheater en explosieveilige doorstroomheater voor hetzelfde toestel.

Het vat en de elementbundel zijn mechanisch gelijk aan die van een gewone uitvoering. Het Ex-deel zit in het aansluithuis, de kabelinvoer, de sensoren en de temperatuurbegrenzing.

Wanneer heb je een explosieveilige doorstroomheater nodig?

Een explosieveilige doorstroomheater heb je nodig zodra het toestel in een gebied staat dat als ATEX-zone is ingedeeld, ongeacht welk medium erdoorheen stroomt. Een explosieve atmosfeer ontstaat uit drie ingrediënten: een brandbare stof in de vorm van gas, damp, nevel of stof, zuurstof uit de lucht, en een ontstekingsbron. De heater mag die ontstekingsbron niet zijn.

Wie de zone bepaalt, ligt vast in ATEX 153, richtlijn 1999/92/EG. De werkgever deelt de werkplek in zones in en legt dat vast in het explosieveiligheidsdocument. Dat is dus de eindgebruiker van de installatie, niet de leverancier van de heater.

De fabrikant van het toestel valt onder ATEX 114, richtlijn 2014/34/EU, die de eisen aan de apparatuur zelf stelt. Alle explosieveilige verwarming valt onder diezelfde richtlijn.

Een veelgemaakte denkfout is dat een heet medium de heater Ex-plichtig maakt. De eis komt van de atmosfeer rond het toestel, niet van de temperatuur van het medium erin.

In welke ATEX-zones mag een Ex-doorstroomheater staan?

Een Ex-doorstroomheater mag in zone 1 en zone 2 staan, en in de stofzones 21 en 22, mits de categorie op het typeplaatje daarmee overeenkomt. De zone zegt hoe vaak en hoe lang een explosieve atmosfeer aanwezig is.

• Zone 0: een explosieve gasatmosfeer is continu of langdurig aanwezig.
• Zone 1: een explosieve gasatmosfeer komt incidenteel voor bij normaal bedrijf.
• Zone 2: een explosieve gasatmosfeer komt zelden voor en dan kortstondig.

Voor stof gelden de zones 20, 21 en 22 met dezelfde indeling. Elke zone hoort bij een apparaatcategorie: 1G voor zone 0, 2G voor zone 1 en 3G voor zone 2, met de beschermingsniveaus Ga, Gb en Gc. Een toestel van categorie 2G mag dus in zone 1 én zone 2.

Voor zone 0 zijn geen elektrische doorstroomheaters gecertificeerd. In de praktijk worden heaters als 2G gebouwd en zelden als 3G, omdat 2G beide zones afdekt.

Wat betekent de Ex-markering op een doorstroomheater?

De Ex-markering op een doorstroomheater vertelt in één regel voor welke zone, welk gas en welke maximale oppervlaktetemperatuur het toestel is gecertificeerd. Neem als voorbeeld de markering II 2G Ex d IIC T3 Gb.

II is de apparaatgroep voor alle toepassingen buiten de mijnbouw, 2G de categorie voor zone 1 en 2 bij gas. Ex d is de beschermingswijze van het aansluithuis, IIC de gasgroep en T3 de temperatuurklasse met een maximale oppervlaktetemperatuur van 200 °C. Gb is het beschermingsniveau dat bij zone 1 hoort.

De markering volgt uit EN IEC 60079-0. Bij categorie 2G staat er ook een CE-markering met het nummer van de aangemelde instantie, de NoBo, die het toestel heeft beoordeeld. Een toestel voor stofzones krijgt een Ex t-markering met de maximale oppervlaktetemperatuur in graden in plaats van een T-klasse.

Gasgroep IIA, IIB en IIC

De gasgroep geeft aan hoe gemakkelijk een gas ontsteekt en hoe klein de vlamspleet van het huis daardoor moet zijn. Propaan valt in IIA, ethyleen in IIB, waterstof en acetyleen in IIC. Een toestel voor IIC dekt ook IIA en IIB.

Temperatuurklasse T1 tot T6

De temperatuurklasse geeft de maximale oppervlaktetemperatuur van het toestel aan, en die moet onder de ontstekingstemperatuur van het aanwezige gas blijven. Hoe hoger het cijfer, hoe ruimer inzetbaar: een T6-toestel mag bij elk gas, een T3-toestel alleen waar de ontstekingstemperatuur boven 200 °C ligt.

• T1: maximaal 450 °C, bijvoorbeeld bij methaan en waterstof.
• T2: maximaal 300 °C, bijvoorbeeld bij ethanol.
• T3: maximaal 200 °C, bijvoorbeeld bij diesel en kerosine.
• T4: maximaal 135 °C, bijvoorbeeld bij ethylether.
• T5: maximaal 100 °C.
• T6: maximaal 85 °C.

Wat is het verschil tussen Ex d en Ex e bij een doorstroomheater?

Het verschil tussen Ex d en Ex e bij een doorstroomheater zit in de manier waarop het aansluithuis een ontsteking voorkomt: Ex d sluit een interne explosie in, Ex e voorkomt dat er überhaupt een vonk of heet punt ontstaat.

Ex d is de drukvaste omhulling volgens EN IEC 60079-1: een huis van gietaluminium of roestvast staal dat een explosie erbinnen insluit, de marktstandaard bij hogere vermogens en gasgroep IIC. Ex e is de verhoogde veiligheid volgens EN IEC 60079-7, zonder schakelende delen in het huis en met ruimere kruipwegen, vooral bij lagere vermogens.

De combinatie Ex de komt veel voor: klemmen in Ex e-uitvoering in een Ex d-huis. Fabrikanten begrenzen de temperatuur van het aansluithuis doorgaans op circa 80 °C bij 50 °C omgevingstemperatuur, vandaar de verlengde hals tussen flens en huis en hoogtemperatuurkabel boven 70 °C aan de invoer.

Waarom bepaalt de manteltemperatuur van het element de temperatuurklasse?

De manteltemperatuur van het element bepaalt de temperatuurklasse omdat de elementmantel het heetste oppervlak van de heater is, en die temperatuur altijd boven de uittredetemperatuur van het medium ligt. Een temperatuurklasse kiezen op basis van de mediumtemperatuur is daarom een fout.

De warmte gaat van de weerstandsdraad via het magnesiumoxide naar de mantel, en vandaar door gedwongen convectie naar het stromende medium. Hoeveel warmer de mantel is dan het medium hangt af van de watt-dichtheid, de stroomsnelheid en de viscositeit. Een lage temperatuurklasse dwingt zo tot een lage watt-dichtheid, dus meer of langere elementen en een groter vat, zeker bij olie of viskeuze media.

Valt de stroming weg, dan loopt de mantel binnen seconden op, dus drooglopen is bij een Ex-uitvoering een veiligheidsrisico. In de hand houd je dit met de elementkeuze: het vermogen verdelen over meerdere inschroefverwarmingselementen en het mantelmateriaal afstemmen op het medium. De technici van Rokoma rekenen mee welke watt-dichtheid en elementverdeling een gevraagde temperatuurklasse haalbaar maakt.

Welke beveiligingen heeft een Ex-doorstroomheater nodig?

Een Ex-doorstroomheater heeft minimaal drie beveiligingen nodig: een onafhankelijke veiligheidstemperatuurbegrenzer op de elementmantel, een procesregeling op de uitlaat en een bewaking tegen drooglopen. Daar komt de kabelinvoer bij, die de bescherming van het huis in stand moet houden.

• Veiligheidsbegrenzer: een thermokoppel of Pt100 op de mantel schakelt het toestel spanningsloos vóór de temperatuurklasse wordt overschreden, met handmatige reset.
• Procesregeling: een Pt100 in een thermowell aan de uitlaat regelt het vermogen op de gewenste uittredetemperatuur.
• Drooglooppreventie: een flowschakelaar of drukverschilbewaking laat het element pas inschakelen als er stroming is.
• Kabelinvoer: alleen Ex-gecertificeerde wartels, anders vervalt de bescherming van het aansluithuis.

Vaak zit er nog een Pt100 op het vat zelf, als extra bewaking van de oppervlaktetemperatuur. De regelkast staat bij voorkeur buiten de zone; de temperatuurregelaars die het vermogen sturen hoeven dan geen Ex-uitvoering te zijn.

Hoe kies je een Ex-doorstroomheater voor jouw proces?

Een Ex-doorstroomheater kies je door eerst de zone en het gas vast te stellen, dan de temperatuurklasse die het element bij jouw medium en debiet haalt, en pas daarna het vermogen, de beschermingswijze en het materiaal. In die volgorde voorkom je dat een gekozen vermogen later niet in de temperatuurklasse past.

1. Zone: zone 1 vraagt categorie 2G, zone 2 mag 2G of 3G; in de praktijk kies je 2G.
2. Gas of stof: de gasgroep en de ontstekingstemperatuur bepalen de minimale temperatuurklasse, kies met marge.
3. Haalbare temperatuurklasse: bepaal welke watt-dichtheid het element bij dit medium en debiet mag hebben, zie de manteltemperatuur hierboven.
4. Beschermingswijze: Ex d bij hogere vermogens en gasgroep IIC, Ex e bij lagere vermogens zonder schakelende delen in het huis.
5. Beveiligingen: begrenzer, procesregeling en drooglooppreventie, met de regelkast bij voorkeur buiten de zone.
6. Materiaal: medium en temperatuur bepalen mantel en vat; roestvast staal voor water en milde chemie, hoger gelegeerd bij chloriden, zuren of hoge temperaturen.
7. Druk en aansluiting: het drukvat valt onder de PED, de flensnorm en de DN-maat volgen uit het leidingwerk.
8. Certificering van het geheel: het complete toestel moet als één geheel zijn gemarkeerd; losse Ex-componenten samenstellen zonder certificaat van het geheel is niet toegestaan.

De volgorde is belangrijker dan de afzonderlijke stappen. Zone en gas leggen de temperatuurklasse vast, de temperatuurklasse begrenst de watt-dichtheid, en die bepaalt pas hoeveel elementoppervlak je nodig hebt voor het gevraagde vermogen. Leg de uitkomst per stap vast, zodat de bouwer van het toestel weet welke markering het geheel moet dragen.

Waar worden Ex-doorstroomheaters in de industrie toegepast?

Ex-doorstroomheaters worden in de industrie toegepast waar een processtroom verwarmd moet worden in een ruimte met brandbare gassen, dampen of stof. Soms is het medium zelf brandbaar, soms alleen de omgeving.

• Chemie en petrochemie: oplosmiddelen, procesolie of gasstromen verwarmen in installaties waar koolwaterstofdampen vrijkomen rond pompen, flenzen en monsterpunten.
• Olie en gas: aardgas voorverwarmen vóór drukreductie, omdat het gas bij expansie afkoelt, en smeerolie, brandstof en instrumentlucht op temperatuur houden.
• Waterstof: waterstof voorverwarmen in elektrolyse- en brandstofcelprocessen, wat gasgroep IIC vereist.
• Farmacie en coatings: procesvloeistoffen verwarmen in ruimtes met dampen van ethanol of aceton, waar de omgeving de zone bepaalt en niet het medium.
• Biogas: gasstromen of digestaat verwarmen in zones met methaan.

Rokoma komt deze vraag vooral tegen in de kunststofverwerking en de maakindustrie: bij oplosmiddelgebruik, poedercoating en het recyclen van vervuild materiaal.

Een Ex-doorstroomheater samenstellen met Rokoma

Een Ex-doorstroomheater stel je samen uit een drukvat met elementbundel, sensoren, een gecertificeerd aansluithuis en een regelkring. Rokoma levert de inschroef- en buiselementen, de temperatuurregelaars en de sensoren waarmee je die opbouwt, standaard én op maat, al vanaf 1 stuk. De Ex-certificering van het complete toestel loopt via de bouwer van het toestel.

Twijfel je welke watt-dichtheid, elementverdeling of mantelmateriaal jouw temperatuurklasse haalbaar maakt? Onze technici rekenen met je mee, komen zo nodig op locatie inmeten en bij stilstand is spoedlevering mogelijk. Neem gerust contact op.