Come ottenere il massimo dai riscaldatori elettrici industriali e prolungarne la vita

Come tanti imprenditori, anche tu hai acquistato di recente un nuovo impianto con riscaldamento elettrico, a causa del continuo aumento del prezzo del gas e delle penali che ogni anno paghi per via delle emissioni di CO2; ti sei però reso conto di aver bisogno di consigli pratici su come preservare il tuo investimento nel tempo, evitando di danneggiare i riscaldatori elettrici e le altre parti dedicate al controllo del riscaldamento, perché sai che ad ogni fermo macchina potresti andare incontro a lunghi tempi di downtime.

Vorresti evitare di doverti affidare a manodopera specializzata, che dovrai pagare a caro prezzo, e stai cercando di informarti per prevenire ogni problema legato all’usura prematura delle resistenze? Abbiamo una buona notizia: sei nel posto giusto!

Nella guida di oggi, ti forniremo alcuni suggerimenti che potrebbero fare al caso tuo. Non solo potrai leggere alcuni consigli generici su come evitare di danneggiare i riscaldatori elettrici, ma ti consiglieremo anche degli strumenti che potranno aiutarti in questo intento. Sei curioso di sapere di più su come ottenere il massimo dai riscaldatori elettrici industriali e prolungarne la vita? Allora siediti comodo e dedicaci giusto qualche minuto del tuo tempo. Siamo sicuri che, alla fine della lettura, avrai appreso le informazioni che potranno aiutarti a non rovinare le tue resistenze elettriche. Sei pronto? Benissimo. Buona lettura!

Prima di tutto, ecco una cosa che devi tenere bene a mente: un riscaldatore elettrico, non importa con quanta attenzione lo tratti, non durerà per sempre. Pensa ad esso come alle gomme dell’automobile: puoi fare attenzione, evitare frenate brusche, essere delicato in accelerazione e in curva, ma alla fine dovrai comunque cambiarle.

Il tuo comportamento, però, può fare la differenza su quando la necessità di sostituirlo si presenterà (se dopo un anno o molto di più). Immaginando che un riscaldatore elettrico di qualità tende a sopravvivere con prestazioni ottimali da uno a due anni prima di mostrare segni di cedimento, se seguirai questo tutorial potrai aggiungere realisticamente qualche mese, se non anno, a questo lasso di tempo. Non male, no?

Riscaldatori elettrici industriali e resistenze

I riscaldatori elettrici sono dispositivi di riscaldamento elettrico progettati per assorbire energia elettrica come fonte di alimentazione e convertirla in energia termica per riscaldare l’aria o gli oggetti in un determinato spazio.

Tutti i riscaldatori elettrici utilizzano uno o più meccanismi di trasferimento del calore: convezione, conduzione o irraggiamento.

In generale, il termine riscaldatore elettrico può riferirsi a un apparecchio di riscaldamento progettato per riscaldare l’aria a scopo di comfort, oppure può essere applicato anche ai riscaldatori elettrici di processo utilizzati in ambito industriale. Questa guida si concentra principalmente sul secondo caso, senza però tralasciare quei casi in cui si utilizzano soluzioni per il comfort provenienti dal mondo industriale per gestire alte potenze, come l’ambito navale, ferroviario o civile.

Tanto per cominciare, cerchiamo di capire quali sono le resistenze elettriche utilizzate sui vari tipi di impianti e quali differenze intercorrono tra le varie tipologie. Specifichiamo subito che non andremo a categorizzare in maniera approfondita le varie tipologie di riscaldatori elettrici industriali, in quanto – ai nostri fini – servono solamente i seguenti raggruppamenti:

• Resistenze a valore costante nel tempo
• Resistenze poste sul secondario di un trasformatore
• Resistenze che cambiano le caratteristiche in base all’età
• Resistenze fredde, bassa inerzia termica

 
Se sei interessato a particolari tipologie di resistenze o a settori di applicazione particolari, ti invitiamo a consultare le guide che trovi in elenco:

I consigli che troverai in questa guida sono principalmente dedicati alle resistenze a valore costante nel tempo.

Gli altri gruppi hanno caratteristiche molto particolari e ne parliamo nelle guide sui riscaldatori infrarossi, sulle resistenze al carburo di silicio e sui riscaldatori a disiliciuro di molibdeno.

Scopri anche il ruolo primario dei sistemi di riscaldamento nella produzione di combustibili rinnovabili.

Ora che hai le idee più chiare riguardo le tipologie di elementi riscaldanti che andremo a trattare, veniamo al nocciolo vero e proprio della questione e cerchiamo di comprendere cosa occorre fare per poter aumentare la vita delle resistenze a valore costante. Si tratta di funzioni specifiche e accensioni dedicate per ciascun tipo di resistenza da effettuare impostando correttamente i regolatori di potenza a tiristori.

Quanto costa un riscaldatore elettrico industriale?

Il costo di un riscaldatore elettrico industriale può variare parecchio ed infatti in commercio troviamo dei modelli che partono da poche decine di Euro fino a superare i 1000 €. È quindi importante capire come mai un modello può costare anche cinque volte più di un altro a parità di tipologia e di potenza.

Come dicevamo poco fa, la variazione di fascia economica dei riscaldatori elettrici dipende da diversi fattori, sia strutturali che funzionali, e dunque il prezzo è molto importante perché è un valore indicativo, ad esempio, dei materiali utilizzati, delle funzioni di cui un riscaldatore è dotato, della sua potenza e, soprattutto, dei tipi di riscaldamento che è possibile realizzare con esso. Un riscaldatore elettrico completo di tanti elementi resistivi certificato per un utilizzo in zone pericolose, ad esempio, difficilmente corrisponderà ad un prodotto di tipo economico, così come un singolo elemento riscaldante a fascia, sarà sicuramente una resistenza dal prezzo molto contenuto (il che non significa però necessariamente scadente solo perché poco costoso).

Buoni consigli per aumentare la durata delle resistenze dei riscaldatori elettrici industriali: come evitare guasti prematuri e malfunzionamenti

Prima di iniziare, è d’obbligo fare un paio di premesse fondamentali:

1. le moderne resistenze di cui sono dotati i più recenti riscaldatori elettrici industriali hanno un ciclo di vita complessivo di circa 2 anni – massimo 3 e non di più
2. durante tale arco di tempo, il loro rendimento tende a diminuire in maniera sempre più drastica, specie una volta trascorso il primo anno (e superata la naturale “scadenza” diventano praticamente ingestibili).

 
Detto questo, vediamo subito quali sono i consigli che sarebbe bene seguire per gestire le resistenze in modo corretto così da farla durare il più possibile e cosa invece è consigliabile evitare al fine di aggirare eventuali problematiche.

I riscaldatori elettrici possono guastarsi prematuramente o funzionare in modo irregolare per diversi motivi. Partendo dal presupposto che la tensione utilizzata per alimentare il riscaldatore sia quella specificata dal produttore, i guasti potrebbero essere dovuti ad uno dei seguenti motivi:

• Installazione non corretta (il riscaldatore potrebbe non avere un buon contatto e quindi non trasferire il calore in modo corretto)
• Contaminazione da umidità, oli, sporcizia, ecc
• Forte flessione dei cavi del riscaldatore
• Temperatura di esercizio superiore alla capacità nominale del riscaldatore
• La corrosione impedisce il contatto corretto del riscaldatore

Evitare di utilizzare gli elementi resistivi al di fuori delle specifiche del produttore

Se un elemento riscaldante è stato progettato per lavorare ad una tensione massima di 220V, non posso farlo lavorare a 240V. Se il sistema è stato progettato correttamente, questa eventualità può presentarsi nei seguenti casi:

• Forti oscillazioni sulla tensione di linea
• Sostituzione di un elemento riscaldante guasto con uno non idoneo

Come massimizzare la durata e le prestazioni di un riscaldatore

Molti progettisti di impianti non si preoccupano molto dei riscaldatori che operano all’interno dei loro processi e applicazioni, a meno che questi non si guastino, non richiedano una manutenzione significativa o non causino altri problemi. Tuttavia, i riscaldatori svolgono un ruolo fondamentale in molte applicazioni. Pertanto, i problemi dei riscaldatori possono facilmente trasformarsi in problemi molto gravi, inclusi lunghi tempi di fermo macchina per sostituire un riscaldatore guasto.

Seguire alcune semplici linee guida non solo riduce la probabilità di incorrere in problematiche legate ai riscaldatori, ma può avere un impatto positivo significativo sull’efficienza dei sistemi e ridurre i requisiti e i costi di manutenzione.

Ecco alcuni semplici accorgimenti per massimizzare la durata e le prestazioni di un riscaldatore.

Evitare la contaminazione del riscaldatore

La contaminazione è la causa più frequente di guasto del riscaldatore. Quando i riscaldatori si espandono e si contraggono durante i cicli, spesso aspirano materiali organici o conduttivi. Ciò può provocare un arco elettrico tra i singoli avvolgimenti del riscaldatore o tra gli avvolgimenti del riscaldatore e la guaina esterna del riscaldatore collegata a terra. Se lasciati accumulare all’estremità del cavo di un riscaldatore, i contaminanti possono anche causare cortocircuiti elettrici tra i pin o i terminali di alimentazione. Pertanto, è importante evitare che lubrificanti, oli, nastri a bassa temperatura o materiali di lavorazione entrino in contatto con l’estremità del cavo del riscaldatore. L’uso di guarnizioni può essere d’aiuto.

Proteggere i conduttori e le terminazioni dalle alte temperature e dai movimenti eccessivi

I conduttori standard con isolamento in fibra di vetro possono essere utilizzati in applicazioni con temperature ambiente fino a circa 260°C (500°F). Se un conduttore è esposto a temperature più elevate, è necessario utilizzare un conduttore per alte temperature o un isolamento in perle di ceramica. Una sezione non riscaldata del riscaldatore, che si estende lontano dalla regione riscaldata del sistema, consente ai conduttori di funzionare a una temperatura più bassa.

Quando i riscaldatori sono montati in macchinari in movimento, è essenziale ancorare i fili per evitare che vengano danneggiati. Per una protezione ottimale contro i danni ai fili di collegamento, è consigliabile l’utilizzo di fili protetti da guaine adeguate.

Minimizzare i vuoti d’aria tra la resistenza e la superficie a cui devi trasmettere il calore

Per ottimizzare il trasferimento di calore tra l’elemento resistivo e la parte da riscaldare, è importante garantire un accoppiamento ottimale tra il riscaldatore e l’elemento applicativo. Un accoppiamento stretto minimizza i vuoti d’aria e riduce i casi di hot-spotting.

Prevenire le oscillazioni della tensione di rete

È essenziale garantire che la tensione nominale di un riscaldatore corrisponda alla tensione di alimentazione disponibile, poiché la potenza aumenta (o diminuisce) al quadrato della variazione della tensione applicata a un riscaldatore. Ad esempio, se un riscaldatore ha una tensione nominale di 120V/1000W ed è collegato a un’alimentazione di 240V, genererà una potenza quattro volte superiore a quella nominale, ovvero 4000W. In questo modo, il riscaldatore si guasta in tempi relativamente brevi e può causare danni significativi alle apparecchiature collegate.

Minimizzare gli stress sui riscaldatori elettrici dovuti alle dilatazioni termiche

Raggiunto il valore desiderato, ogni sistema di regolazione della temperatura innesca una continua serie di accensioni e di spegnimenti che permettono alla temperatura di rimanere il più possibile vicina al valore obiettivo (noto come Set Point).
Ogni volta che accendiamo e spegniamo il riscaldatore, abbiamo una dilatazione termica che meccanicamente provoca uno stress sul riscaldatore elettrico. Se si lascia ripetutamente raffreddare troppo il riscaldatore prima di una nuova accensione, si provoca un forte stress su quest’ultimo, che potrebbe generare l’ossidazione dei fili delle resistenze all’interno del riscaldatore.

Per preservare la vita delle resistenze, è quindi necessario compiere alcune scelte consapevoli che riguardano:

• La progettazione dell’impianto in termini di dimensionamento dei riscaldatori;
• La scelta del dispositivo dedicato alla regolazione della temperatura e della corretta modalità di regolazione;
• La scelta degli attuatori o dei regolatori di potenza ed il loro corretto utilizzo.

Dimensionare correttamente il riscaldatore elettrico

La potenza di un riscaldatore deve corrispondere il più possibile ai requisiti di carico effettivi dell’applicazione per limitare i cicli di accensione e spegnimento.

Evitare un eccessivo numero di cicli termici sui riscaldatori

I cicli di temperatura eccessivi sono molto dannosi per la durata di un riscaldatore. Il fattore più dannoso è la frequenza dei cicli che consente l’espansione e la contrazione completa del filo della resistenza del riscaldatore a un ritmo elevato (30-60 secondi di accensione e spegnimento). Ciò provoca un forte stress e l’ossidazione dei fili della resistenza all’interno del riscaldatore. Un ciclo di temperatura errato si verifica in genere quando si utilizzano i termostati. I termostati rispondono lentamente alle variazioni di temperatura e presentano grandi differenze di temperatura tra accensione e spegnimento.

Una soluzione migliore, ma un po’ più costosa, è l’utilizzo di termoregolatori PID industriali. È fondamentale non modificare la frequenza o il tempo di ciclo troppo rapidamente (tra i 3 e i 10 secondi), perché i contatti dei relè possono usurarsi rapidamente.

Il modo più efficace per ridurre al minimo i cicli di temperatura dei riscaldatori elettrici, consiste nell’utilizzare relè allo stato solido (SSR) e regolatori di potenza SCR unitamente ad un termoregolatore PID. Questa combinazione offre le migliori prestazioni sia per il sistema termico sia per il riscaldatore stesso. I dispositivi di commutazione a stato solido erogano l’alimentazione al riscaldatore molto rapidamente (da un secondo con un SSR, fino a millisecondi con gli SCR ad angolo di fase). Questo rapido ciclo di alimentazione riduce drasticamente le escursioni termiche del filo dell’elemento riscaldante e ne prolunga notevolmente la durata. Rispetto a contattori elettromeccanici, inoltre, non vi sono limitazioni alla velocità di commutazione, che al contrario migliora le prospettive legate al ciclo di vita dell’unità statica (il semiconduttore presente nelle unità statiche ha una vita che dipende anch’essa dai cicli termici allo stesso modo delle resistenze).

Montare i riscaldatori a immersione in orizzontale vicino al fondo del serbatoio

I riscaldatori dovrebbero essere posizionati orizzontalmente e vicino al fondo del serbatoio per massimizzare la circolazione convettiva. Il montaggio verticale è consigliabile solo quando limitazioni, come quelle di spazio, impediscono il posizionamento orizzontale. Indipendentemente dal fatto che il riscaldatore sia montato in orizzontale o in verticale, è essenziale che sia posizionato ad un’altezza tale da evitare l’accumulo di fanghi e detriti sul fondo del serbatoio. Inoltre, per entrambi i metodi di montaggio, l’intera lunghezza riscaldata del riscaldatore deve essere sempre immersa: un motivo per cui il montaggio verticale è raramente consigliato. È inoltre importante evitare di collocare i riscaldatori in spazi ristretti che limitano il flusso convettivo e/o dove possono verificarsi fenomeni di ebollizione libera o trappole di vapore.

Evitare la formazione di incrostazioni e fanghi sugli elementi del riscaldatore

L’accumulo di calcare, coking e fanghi sulle guaine dei riscaldatori deve essere ridotto al minimo. Qualsiasi accumulo deve essere periodicamente rimosso o almeno ridotto al minimo, per evitare di inibire il trasferimento di calore al liquido. La pulizia periodica evita che gli elementi del riscaldatore siano costretti a funzionare a temperature più elevate, il che può portare a un guasto precoce del riscaldatore. Occorre inoltre prestare la massima attenzione per evitare che il lubrificante al silicone finisca sulla sezione riscaldata di un riscaldatore. Il silicone impedisce la “bagnatura” della guaina da parte del liquido, agisce da isolante e può causare il guasto del riscaldatore.

Garantire un controllo della temperatura e una protezione dai limiti di sicurezza adeguati e stretti

L’abbinamento del sistema di controllo della temperatura al riscaldatore è fondamentale per garantire prestazioni e durata elevate del riscaldatore. Ogni applicazione di processo dovrebbe includere almeno un sensore di temperatura di processo (per rilevare il materiale da riscaldare) e un sensore di limite (per rilevare la temperatura della guaina del riscaldatore). Il sensore di processo deve essere immerso direttamente nel materiale da riscaldare o inserito in un pozzetto termometrico all’interno del fluido stesso. Per motivi di sicurezza, è necessario utilizzare due sistemi di controllo separati: uno per il controllo della temperatura di processo e uno per il controllo dell’alto limite. I regolatori di temperatura di processo di tipo PID offrono un controllo più stabile e una risposta più rapida rispetto ai controlli di commutazione ON/OFF o ai termostati.

Evitare temperature eccessive sui riscaldatori a bassa inerzia nei sistemi in cui sono gestiti insieme ai riscaldatori ad alta inerzia.

In presenza di più tipi di riscaldatori con un’inerzia differente, assicurati che le zone arrivino in temperatura gradualmente con un tempo simile. In questo modo eviterai delle temperature eccessive sulle zone a bassa inerzia, che possono bruciare il materiale. vicino alle zone a bassa inerzia. Le zone a bassa inerzia e quelle ad alta inerzia non devono avere lo stesso loop di regolazione e nel caso vi siano più loop di regolazione, quelli più veloci ad andare in temperatura devono salire gradualmente per arrivare al set point insieme alle zone più lente. Un’altra precauzione molto importante riguarda le sovra temperature. Significa che in linea di massima dovresti cercare di distribuire il carico superficiale con un controllo/regolazione specifica.

Consigli sulle resistenze elettriche ad immersione

Oltre ai consigli che ti ho indicato nei paragrafi precedenti, vi sono alcune pratiche che sono specifiche per i riscaldatori ad immersione.

Come utilizzare i riscaldatori ad immersione nel modo più corretto

È opportuno assicurarsi che i riscaldatori siano sempre sommersi dal liquido tramite sensori di livello o altri sistemi. La resistenza è progettata per il riscaldamento del liquido e non deve lavorare a contatto con l’aria, pertanto è necessario ripristinare il livello dei liquidi qualora vi siano delle perdite. È opportuno effettuare una pulizia periodica, per evitare che il calcare o altri elementi residui ne compromettano le funzioni. Per ultimo, ma non meno importante, il carico superficiale della resistenza non deve eccedere quello ammissibile per la soluzione da riscaldare.

Come conservare le parti di ricambio e manipolare correttamente il riscaldatore elettrico ad immersione

Il riscaldatore va immagazzinato in ambiente asciutto per evitare che assorba l’umidità atmosferica. Nel caso si assorba una quantità eccessiva di umidità si deve provvedere alla deumidificazione mediante essiccazione in forno oppure tramite la funzione di bake out presente sulle unità SCR della serie REVO C monofase e trifase. L’umidità può danneggiare irrimediabilmente i riscaldatori e le unità di controllo della potenza. All’accensione di un riscaldatore che ha assorbito notevoli quantità di umidità, si possono verificare dei corto circuiti sul carico in grado come minimo di far saltare i fusibili a protezione delle unità di potenza e di quelli delle resistenze e danneggiare seriamente il carico resistivo.

Sostituire il riscaldatore elettrico guasto

Se, tramite i consigli che ti ho dato nei capitoli precedenti, hai constatato che il riscaldatore non funziona più in modo corretto, l’unica strada percorribile è quella della sua sostituzione.
Se sei convinto di procedere alla sostituzione del riscaldatore elettrico personalmente, ti consigliamo di consultare le guide del costruttore dell’impianto su come sostituire i riscaldatori elettrici: al loro interno troverai anche alcune soluzioni che possono aiutarti nel caso in cui dovessi riscontrare problemi durante la riparazione o non dovessi sentirti sicuro sulle operazioni da eseguire.

Utilizzare un regolatore di potenza a SCR per preservare la vita delle resistenze e regolare meglio

Le moderne unità statiche di potenza hanno al loro interno dei sofisticati sistemi di accensione in grado di preservare la vita delle resistenze per un periodo maggiore rispetto ai normali relè statici. Le moderne unità di potenza sono molto sofisticate e i chip interni consentono di proteggere anche il carico da vari eventi spiacevoli o possibili danni, come le sovratensioni e le sovracorrenti.
Devi pensare che una moderna unità di potenza contiene al suo interno dei filtri (VDR) in grado di eliminare piccole sovratensioni e feedback in tensione e corrente in grado di proteggere attivamente il carico.
All’interno delle unità sono presenti anche dei fusibili extra rapidi a protezione della giunzione interna, per proteggere il carico sono necessari altri fusibili dedicati a salvaguardare le resistenze elettriche nel caso si presenti un corto circuito che causerebbe danni irreparabili al carico e allo stesso dispositivo.

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