Электрический обогрев трубопроводов с помощью кабеля NELSON. Расчет и конструкция

Принцип электрического обогрева труб

Наличие теплоизоляции уменьшает, но не ликвидирует полностью тепловые потери по поверхности трубопровода. Для компенсации потерь можно использовать нагревательный кабель с соответствующими параметрами.

Кабель прокладывается вдоль трубопровода, подобранный таким образом, что бы  погонное тепловыделение была не меньше  тепло потерь на метр трубы. Выбранный кабель монтируется на трубе (или внутри нее), в нижней ее части. При использовании одного греющего контура – в положении 6 часов, при наличии 2-х контуров – в положении 10 и 4 часа. В тех случаях, когда монтаж кабеля в нижней части трубы невозможен, допускается использование альтернативных вариантов, например спиральное расположение кабеля. Однако такой способ менее технологичен, а потому не является предпочтительным. В сложных системах трубопроводов может быть задействовано несколько греющих контуров.

Поверх греющего контура крепится тепло- и гидроизоляция. Следует обратить особое внимание на надежность гидроизоляции, т.к. теплоизоляция не должна намокать или подвергаться механическому воздействию. Многие виды теплоизоляции весьма гигроскопичны и при их намокании ухудшаются их теплофизические свойства

Управление системой может осуществляться от простого выключателя или термостата, настроенного на необходимую температуру.

Последовательность проектирования нагревательных систем

Определяющими параметрами для проектирования являются: необходимая температура жидкости, минимальная эксплуатационная температура, предельные температуры материалов трубопровода и теплоизоляции, длина трубопроводов, химическая агрессивность среды и т.п. Сам процесс можно описать следующим алгоритмом:

1) Определение тепловых потерь трубопроводов. Необходимо определить минимально возможную температуру окружающей среды и теплофизические характеристики используемых материалов.

2)      Исходя из рабочей температуры среды, подбирается необходимый тип кабеля (по максимальной рабочей температуре кабеля). Влияние на выбор оказывает так же агрессивность среды. Используемый в агрессивных средах кабель должен иметь химически стойкую внешнюю изоляцию.

3)      В соответствии с п. 1 определяется мощность, требуемая для обогрева погонного метра трубы, после чего  по каталогу (с учетом п. 2) выбирается кабель с необходимой погонной мощностью.

4)      Рассчитывается необходимая длина кабеля, мощность автоматов защиты и выполняется эскизный проект прокладки кабеля с учетом конструктивных особенностей конкретного трубопровода.

Определение тепловых потерь

Q = π (Tг – T ж)/(1/d1 αж)+1,151/ λ1 lg (d2/d1)+1,151 /  λ2 lg (d3/d2)+1 /d3αв,  Ккал/м час

Где      λ – коэффициенты теплопередачи слоев стенки, т.е. трубы и теплоизоляции;

αж – коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке;

αв - коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху.

Коэффициент теплоотдачи является функцией температуры среды, механических и теплофизических параметров и может колебаться в значительных пределах (для жидкостей α = 200 … 7000). Впрочем, расчет этот не является сложным, он приведен в любом учебнике по теплопередаче. В издании содержится таблица коэффициента теплопередачи для наиболее часто встречающихся случаев. Для тонкостенных труб данное уравнение можно свести к случаю двухслойной плоской стенки.

Выполняя простые расчеты для металлической трубы с изоляцией, можно воспользоваться специальными таблицами тепловых потерь. Более сложные случаи требуют тщательного теплового расчета, так как в приведенной модели не учитывается целый ряд факторов.

Типы нагревательного кабеля

Для обогрева труб используются два типа кабелей (резистивные и саморегулирующиеся) мощность которых варьируется в довольно широком диапазоне.

Резистивный нагревательный кабель

Погонная мощность кабелей этого типа постоянна, не зависит от внешних факторов и изменяется в пределах от 8 Вт/м до 30 Вт/м. Они относительно дешевы, но имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение.

Из-за стабильности мощностной характеристики резистивный кабель может работать в узком температурном диапазоне. В случае резкого увеличения температуры среды возможен перегрев кабеля и выход его из строя. Как правило, производители ограничивают линейную нагрузку на кабель, в зависимости от температуры.

Вторым недостатком использования резистивного кабеля является зависимость погонной мощности от длины кабеля. Необходимо достаточно точно рассчитывать потребную длину контура, затем по таблице сопротивлений выбирать необходимый кабель. Манипуляции с длиной выбранного контура при установке могут привести к выходу кабеля из строя. Кроме этого, при некорректных внешних условиях кабель может просто перегореть.

Другим следствием конструкции является недопустимость перехлестов кабеля, т.к. это приводит к перегоранию и выходу из строя. Это осложняет оформление некоторых конструктивных элементов трубопроводов, таких как вентили и заглушки.

Саморегулирующийся нагревательный кабель

Конструктивно кабель представляет собой две параллельные токопроводящие жилы, на которые напрессована полупроводниковая тепловыделяющая полимерная матрица. Количество локальных токопроводящих связей в матрице зависит от температуры. При увеличении температуры, связи начинают рваться, и погонная мощность кабеля падает. Когда температура уменьшается, связи восстанавливаются, и мощность кабеля возрастает.

Саморегулирующаяся матрица защищена от попадания влаги и других воздействий внутренней изоляцией, обладающей высокой термопластичностью и выдерживающей большие температуры. Поверх первого слоя наносится второй – диэлектрический. Качество материалов изоляции определяет рабочие и максимальные температуры кабеля. Стоит заметить, что двухслойная внутренняя изоляция является конструктивной особенностью кабелей Nelson. Не все производители позволяют себе такую роскошь.

Следующий элемент – металлический экран. Он может выполняться из никелированной или покрытой оловом меди, или стали. Стальной экран предпочтителен при наличии больших механических нагрузок, однако его применение нежелательно в тех случаях, когда оплетка играет роль заземления. Необходимо обратить внимание на плотность экрана: чем она выше, тем большие механические нагрузки может выдержать кабель.

Внешняя изоляция не является обязательной, и если кабель используется в сухой

неагрессивной среде от нее вообще можно отказаться. Материал изоляции подбирается исходя из условий эксплуатации.

Саморегулирующийся кабель дороже резистивного, но его свойства позволяют окупить первоначальные затраты в процессе эксплуатации. Так как при увеличении температуры мощность кабеля снижается, перегрев кабеля исключен, поэтому надежность систем обогрева с использованием саморегулирующихся кабелей значительно выше, чем резистивных.

Другим следствием температурнозависимой мощностной характеристики «самрега» является экономия электроэнергии. Несмотря на то, что расчетным условием является минимально допустимая температура среды (например –30ºС), система будет работать и при более высоких температурах. Для резистивных кабелей потребление электричества будет одинаковым, как при –20ºС, так и при –15ºС, а энергопотребление саморегулирующегося кабеля значительно уменьшится.

Очевидно, что погонная мощность саморегулирующегося кабеля не зависит от длины контура, что облегчает его установку, но некоторые ограничения на длину, связанные с максимально возможной величиной силы тока (например, 30А) все-таки имеются.

Температурный класс

Важным параметром является рабочая температура кабеля, а также максимальная температура, которую он может выдерживать кратковременно. Чем выше рабочая температура нагревательного контура, тем больше его стоимость, поэтому не целесообразно для систем с рабочей температурой 65ºС, использовать кабель, пригодный для эксплуатации при повышенных температурах (табл. 1).

Таблица 1. Температурные характеристики саморегулирующихся кабелей

Выбор кабеля

Для начала необходимо определить группу кабеля по максимальной температуре. В соответствии с практикой, принятой в США существует три области применения.

1. Системы антизамерзания:

-         максимальная рабочая температура                             65º С;

-     пиковая температура                                                    85ºС.

2. Средние температуры (паровые трубы):

-         максимальная рабочая температура                            120ºС;

-         пиковая температура                                                     220ºС.

3. Высокотемпературные процессы:

-         максимальная рабочая температура                             370ºС ;

-         пиковая температура                                                      590ºС.

Мы не будем рассматривать системы поддержания температуры последних двух типов, однако упомянем, что они имеют ряд особенностей.

С учетом температурной группы кабеля и особенностей применения (механические или химические нагрузки, особенности заземления) выбираем марку кабеля, которая, как правило,  выпускается с несколькими мощностями. Например, кабель «CLT Nelson Limitrace» выпускается с погонной мощностью 9 Вт/м, 16 Вт/м или 26 Вт/м (при 10ºС). Погонная мощность выбранного кабеля (при использовании нескольких контуров – суммарная погонная мощность) должна быть не менее величины тепловых потерь на метр погонный трубопровода. В некоторых случаях целесообразнее использовать не один, а два нагревательных контура. Например, если нужно обеспечить 18 Вт/м, то  разумнее выбрать два кабеля «CLT 23», а не один «CLT 25».

Nelson выпускает три основных типа саморегулирующихся кабелей для трубопроводов- CLT, LT, HLT. Для обогрева трубопроводов с водой вполне подходит самый простой (он же самый дешевый) CLT. При более серьезных задачах предпочтительнее использовать LT. У этого кабеля более мощный экран и внутренняя изоляция сделана из негорючего пластика. Стоит отметить, что кабели Nelson имеют двойную внутреннюю изоляцию. Это значительно увеличивает защищенность кабеля от попадания влаги на тепловыделяющую матрицу. Естественно такая конструкция удорожает стоимость, но неслучайно в США NELSON дает гарантию на свои “самрег”» не менее 10 лет, при этом в течение 20 лет возможны отклонения от номинальной мощности не более чем на 15%. Не много производителей могут похвастать подобными характеристиками.

Самый дорогой вариант из линейки – HLT, он же самый экзотический, способен выдерживать температуру до 220°C.

Каждый тип выпускается в нескольких вариантах. Больше всего их у LT:

-         Внешняя изоляция на основе модифицированного полиолефина (для эксплуатации в условиях повышенной влажности, а также воздействия механических нагрузок и неорганических химикатов);

-         Внешняя изоляция на основе флюорополимеров (для эксплуатации в условиях повышенной влажности и воздействия органических растворителей).

-         Без внешней изоляции с медным экраном (дешевый вариант для сухих и неагрессивных  сред);

- Без внешней изоляции со стальным экраном (для использования при высоких механических нагрузках);

Расчет укладки кабеля по трубопроводу

При расчете потребного количества кабеля необходимо вводить коэффициент на оформление элементов трубопроводов – вентилей, кронштейнов крепления и т.п. Поэтому длина контура при первичном расчете не должна превышать 75%  максимально допустимой длины. При линейной укладке в первом приближении можно считать, длину контура равной потребной длине обогрева, при спиральной укладке длина рассчитывается по формуле:

            L каб. = L тр * W потр / W каб

Где      L каб.              - длина кабеля,

            L тр.                - длина трубы,

            W потр.          - потребная погонная мощность (тепловые потери на погонный метр),

            W каб.            - погонная мощность кабеля.

            Комплекс W потр. / W каб. иногда еще называют спиральным фактором.

            Шаг укладки можно определить по таблице 2.

Таблица 2. Шаг спиральной укладки

Необходимо принимать во внимание конструктивное решение элементов трубопроводов таких, как фланцы, изгибы, вентили, силовые кронштейны, соединительные муфты и раздвоители кабеля, наличие которых увеличивает длину контура.

Крепление кабеля к трубе осуществляется двумя способами. Использование стеклопластиковой ленты более предпочтительно ввиду простоты этого метода. Алюминиевую ленту рекомендуется использовать для крепления на пластиковых трубах, поскольку ее применение позволяет уменьшить теплоизоляционный эффект пластика. При использовании полимерной изоляции или труб с полимерным покрытием необходимо учитывать термостойкость материала, которая не должна быть ниже, чем аналогичный показатель кабеля.

Арматура трубопровода требует специальных решений, т.к. большинство деталей и устройств являются либо дополнительными источниками тепловых потерь, либо элементами с перераспределением тепловых потоков. Приведем несколько примеров.

Кронштейн крепления. Увеличивает потери тепла, поэтому рядом с ним необходимо сделать петлю из кабеля.

Изгиб трубы. Кабель проводится по внешнему (большему) радиусу.

Вентили. Необходима намотка дополнительных петель кабеля.

При укладке сложной системы может возникнуть необходимость наращивания длины контура. В месте соединения прогрев будет отсутствовать, поэтому перед соединительной муфтой необходимо сделать петлю.

Выбирая модель разветвителя или соединительной муфты, необходимо обращать внимание на ее пригодность для работы в конкретных условиях эксплуатации. Это связано с тем, что производители часто разделяют области применения тех или иных конструкций на наружные элементы и элементы, используемые под теплоизоляцией.

Наличие конструктивных элементов желательно учитывать в самом начале проектирования. В некоторых случаях пренебрежение такого учета может привести к полному пересмотру проекта уже на этапе монтажа системы.

Особенности расчета кабеля для пластиковых труб

При использовании труб из полимерных материалов необходимо учитывать два фактора.

1.      Материал, из которого изготовлена труба, должен выдерживать максимальную температуру кабеля без повреждений и потери работоспособности.

2.      Полимерный материал, как правило, является хорошим теплоизолятором, что снижает тепловой  прогрев трубы.

В табл. 3 представлена замеренная мощность кабеля LT Nelson Limitrace для нескольких вариантов. За единицу принята мощность для варианта крепления кабеля на металлическую трубу при помощи стеклопластиковой ленты. В замерах использовались два типа кабеля: CB (с медным экраном без внешней изоляции) и J (с медным экраном и флюорополимерной изоляцией).

Таблица 3.

Использование термостата.

Измерительный элемент термостата устанавливается под теплоизоляцию, на поверхность трубы. При этом необходимо выбрать место с минимальной температурой, его конкретное положение зависит от количества греющих контуров на одной трубе и их положения. Например, при расположении одного контура в нижней  части на положении 6 часов, минимальные температуры на внутренней поверхности трубы будут в точках 3 и 9 часов.

* *

Список использованной литературы.

1.       «Промышленная теплотехника» А. Шак, Москва 1961 г.

2.      «Основы термодинамики и теплопередачи», Москва 1958 г.

3.      «Installation & Maintenance self regulating heater cable» Nelson Heat tracing Systems.

4.      “Тепловой режим зданий. Учебное пособие” Еремкин А.И., Королева Т.И. Москва 2001 г.