Введение

Электрический обогрев трассировкой, нагревательная лента или поверхностный нагрев – это система, используемая для поддержания или повышения температуры трубопроводов и емкостей с помощью кабелей обогрева трассировкой. Обогрев трассировкой представляет собой электрический нагревательный элемент, проложенный в непосредственном контакте вдоль трубопровода. Трубопровод обычно покрывается теплоизоляцией для снижения теплопотерь. Тепло, выделяемое элементом, поддерживает заданную температуру трубопровода. Обогрев трассировкой может применяться для защиты трубопроводов от замерзания, поддержания постоянной температуры потока в системах горячего водоснабжения или поддержания технологической температуры для трубопроводов, транспортирующих вещества, которые затвердевают при температуре окружающей среды. Электрические кабели обогрева трассировкой являются альтернативой паровому обогреву трассировкой, когда пар недоступен или не требуется.

Разработка

Электрическое трассировочное обогревание началось в 1930-х годах, но изначально специального оборудования не было доступно. Минерально-изолированные кабели работали при высоких плотностях тока для выделения тепла, а управляющее оборудование адаптировалось из других областей применения. В 1950-х годах был представлен минерально-изолированный нагревательный кабель, а также стали доступны нагревательные кабели параллельного типа, которые можно было отрезать по длине непосредственно на объекте. Саморегулирующиеся термопластиковые кабели поступили в продажу в 1971 году. Системы управления трассировочным обогревом развивались от термостатов с капиллярной трубкой и контакторов в 1970-х годах до сетевых компьютеризированных систем управления в 1990-х годах, в крупных системах, требующих централизованного управления и мониторинга. Международные стандарты, применяемые при проектировании и монтаже электрических систем трассировочного обогрева, включают стандарты IEEE 515 и 622, британский стандарт BS 6351 и стандарт IEC 60208.

Защита от заморозки

Каждая труба или сосуд теряет тепло, когда его температура превышает температуру окружающей среды. Теплоизоляция снижает скорость теплопотерь, но не устраняет их полностью. Обогрев трассировкой поддерживает температуру выше точки замерзания, компенсируя теплопотери подводимым теплом. Обычно для включения используется термостат, который активируется при снижении температуры ниже заданного значения – как правило, от 3 °C до 5 °C, которое часто называют «уставкой». Термостат отключает обогрев трассировкой при повышении температуры выше другого заданного значения – обычно на 2 °C выше уставки.

Обезоблеживание водосточных каналов и крыш

Размещение кабеля обогрева на крышах или в водосточных желобах для растопления льда в зимний период. При использовании в водосточных желобах кабель не предназначен для поддержания их в состоянии, свободном от льда и снега, а лишь для обеспечения беспрепятственного стока талой воды с крыши в водосточную трубу или дренажную систему.

Поддержание температуры

Трубопроводы горячего водоснабжения также могут быть оснащены греющим кабелем, что позволяет избежать необходимости в циркуляционной системе для обеспечения горячей водой в точках разбора. Комбинация греющего кабеля и правильной теплоизоляции, соответствующей рабочей температуре окружающей среды, поддерживает тепловой баланс, при котором теплоотдача греющего кабеля соответствует теплопотерям трубы. Разработаны саморегулирующиеся или ограничивающие нагрев кабели, которые успешно применяются в таких системах. Аналогичный принцип может быть использован для трубопроводов, транспортирующих жидкости, которые могут загустевать при низких температурах, например, смолы или расплавленную серу. Греющие элементы с поддержанием температуры могут предотвратить засорение труб. Промышленные области применения греющего кабеля включают химическую промышленность, нефтеперерабатывающие заводы, атомные электростанции и пищевую промышленность. Например, воск – это материал, который начинает затвердевать при температуре ниже 70 °C, что обычно значительно выше температуры окружающего воздуха. Следовательно, трубопровод должен быть оборудован внешним источником тепла для предотвращения охлаждения трубы и находящегося внутри материала. Греющий кабель также может быть реализован с использованием пара, однако это требует наличия источника пара и может быть сложным в установке и эксплуатации. В лабораториях исследователи в области материаловедения используют греющий кабель для изотропного нагрева образцов. Они могут использовать греющий кабель в сочетании с автотрансформатором для контроля подаваемой тепловой энергии. Это эффективный способ медленного нагрева объекта для измерения термодинамических свойств, таких как тепловое расширение.

Антикавитационная цель

Поскольку нагрев вязкой жидкости снижает ее вязкость, это уменьшает потери в трубопроводе. Следовательно, можно увеличить доступный чистый положительный напор (разность давлений), что снижает вероятность кавитации при перекачке. Однако необходимо следить за тем, чтобы не слишком сильно повышать давление насыщенного пара жидкости, так как это может оказать существенное негативное влияние на доступный напор, перевешивая любую выгоду.

"серия" постоянной электрической мощности

Серийный нагревательный кабель изготавливается из проводника с высоким сопротивлением, изолированного и часто заключенного в защитную оболочку. Он питается от определенного напряжения, и тепло, выделяемое при сопротивлении проводника, создает нагрев. Недостатком таких нагревателей является то, что при перекрещивании они могут перегреться и выйти из строя. Они поставляются в фиксированной длине и не могут быть укорочены на месте, а также обрыв в любом месте кабеля приведет к его полному отказу. Преимущество заключается в том, что они обычно недороги (особенно пластиковые модели) или, как в случае минерально-изолированных нагревательных кабелей, способны выдерживать очень высокие температуры. Минерально-изолированные нагревательные кабели хорошо подходят для поддержания высоких температур в технологических линиях или для поддержания более низких температур в линиях, которые могут сильно нагреваться, например, в паропроводах высокого давления. Как правило, серийные нагревательные элементы используются для обогрева протяженных трубопроводов, например, длинных нефтепроводов и трубопроводов на причалах нефтеперерабатывающих заводов.

Постоянная мощность

Кабель постоянной мощности состоит из нескольких зон постоянной электрической мощности и изготавливается путем обертывания тонкого нагревательного элемента вокруг двух изолированных параллельных шинопроводов. Затем, поочередно с каждой стороны проводников, в изоляции делается надрез. Нагревательный элемент обычно припаивается к открытому проводнику, создавая небольшую нагревательную цепь; эта процедура повторяется по всей длине кабеля. Далее следует внутренняя оболочка, которая отделяет шинопровода от оплетки заземления. В коммерческих и промышленных кабелях применяется дополнительная внешняя оболочка из резины или тефлона. Преимущество этой системы перед последовательным соединением элементов заключается в том, что выход из строя одного небольшого элемента не приводит к остановке всей системы. С другой стороны, поврежденные участки кабеля (обычно длиной около 90 см) остаются холодными и могут привести к обледенению на этом участке. Кроме того, благодаря параллельной схеме, этот кабель можно нарезать по длине непосредственно на объекте. Однако, поскольку цепь доходит только до последней зоны кабеля, при монтаже обычно требуется установка с небольшим запасом за концом трубопровода. При монтаже кабеля постоянной мощности или любого кабеля для тепловой трассировки важно избегать перекрытия или касания кабеля самого с собой, чтобы предотвратить перегрев и выход из строя. Кабель постоянной мощности всегда устанавливается с термостатом для регулирования выходной мощности, что делает его очень надежным источником тепла. Недостатком этого кабеля является то, что в большинстве кабелей постоянной мощности соединения с шинопроводами не припаяны, а осуществляются контактным способом, что делает их более подверженными возникновению холодных цепей из-за ослабленных соединений, вызванных манипуляциями с кабелем и монтажом.

Саморегулирующаяся

Саморегулируемые теплоотслеживающие ленты – это кабели, сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры: низкое – при температурах ниже заданной для кабеля, и высокое – при температурах выше заданной. Когда температура кабеля достигает заданной точки, сопротивление достигает максимума, что приводит к прекращению подачи тепла. Эти кабели используют два параллельных токопроводящих провода, которые передают электричество, но сами не выделяют значительного тепла. Они заключены в полупроводящий полимер, насыщенный углеродом. При нагреве полимерного элемента его проводимость снижается, что уменьшает протекающий ток. Таким образом, кабель экономит энергию, поставляя тепло и мощность только там и тогда, когда это необходимо системе. Кабели изготавливаются, а затем подвергаются облучению. Варьируя содержание углерода и дозу облучения, можно производить ленты с различными выходными характеристиками. Преимуществом этих кабелей является возможность нарезки по длине непосредственно на объекте. Они более прочные и значительно надежнее кабелей постоянной мощности; они не могут перегреться, поэтому допускается их пересечение, хотя такая установка не рекомендуется. Саморегулируемые и кабели постоянной мощности имеют определенную максимальную допустимую температуру эксплуатации, превышение которой может привести к необратимому повреждению ленты. Кроме того, самоограничивающиеся ленты при холодном пуске испытывают повышенные пусковые токи, аналогичные индукционным двигателям, поэтому требуется использование контактора с более высоким номинальным током.

Электроснабжение и управление

Следовые нагревательные кабели могут быть подключены к однофазным или (группами) к трехфазным источникам питания. Управление мощностью осуществляется либо с помощью контактора, либо твердотельного контроллера. Для саморегулирующегося кабеля источник питания должен обеспечивать высокий пусковой ток при включении системы из холодного состояния. Контактор или контроллер могут включать термостат для точного поддержания температуры или просто отключать систему защиты от замерзания в умеренную погоду. В электрических системах обогрева может потребоваться установка устройств защиты от утечки тока на землю (УЗО или RCD) для защиты персонала и оборудования. При проектировании системы необходимо минимизировать ток утечки для предотвращения ложных срабатываний; это может ограничить длину отдельных нагревательных цепей.

Система управления

Трехфазные системы питаются через контакторы, аналогичные пускателю трехфазного двигателя с "прямым включением", который управляется термостатом где-то в сети. Это обеспечивает поддержание постоянной температуры и предотвращает перегрев или недогрев сети. Если сеть замерзла из-за отключения обогрева, то для ее оттаивания с помощью греющего кабеля может потребоваться некоторое время. Оттаивание в трехфазных системах осуществляется с использованием "автотрансформатора" для повышения напряжения, а следовательно, и тока, что делает греющие элементы кабеля более горячими. Система повышения температуры обычно включается по таймеру и через определенное время возвращается в "нормальный" режим.