samoreg.by
+375 17 512-39-38
+375 44 533-70-94
+375 29 202-98-73
+375 25 544-51-40
Обогрев труб и защита от замерзания трубопроводов
Саморегулирующийся кабель – весьма интересный тип нагревательного кабеля, как правило имеет приплюснутую или овальную форму и состоит из двух параллельных проводников (медь луженая или никелированная) помещенных в полупроводящую ток матрицу.
Матрица состоит из наполнителя – это полимеры, в более дорогих типах кабеля более тугоплавкие и дорогие фторопласты, обогащенный углеродом. Поверх матрицы один, или несколько слоев изоляционного материала, экранирующая оплетка и наружная изоляция. Матрицу можно представить, как множество параллельно соединенных сопротивлений, подключенным к токоведущим жилам. При подаче напряжения (постоянного или переменного) между токопроводящих жил начинает протекать ток. Происходит выделение тепла, и как следствие линейное расширение матрицы с последующей потерей токопроводящих связей. При остывании связи восстанавливаются и снова увеличивается выделение тепла. Этот процесс стабилизируется через некоторое время, обычно 3…7 минут, и кабель приобретает стабильную температуру.
Сопротивление одного метра саморегулирующегося кабеля в зависимости от мощности составляет (в холодном состоянии) от нескольких десятков до тысяч Ом. Саморегулирующийся кабель может подключаться длинами минимально произвольной длины, максимальная же длина ограничена, как правило, 120...150 метрами для маломощных 10...16 Вт/м., 30...60 метрами для мощных моделей 30…40 Вт/м (из-за большого тока). Если необходимо обогреть более длинный участок, то применяют несколько параллельно соединенных секций кабеля.
Очень интересное свойство – изменять выделение тепла локально: в зоне больших теплопотерь матрица активнее охлаждается и в этом месте выделение тепла будет выше.
Применение саморегулирующегося кабеля позволяет решать в том числе такие задачи, как поддержание технологической температуры трубопровода, защиту от замерзания, так и разогрев трубопровода с содержащейся в нем жидкостью (продуктом). Принцип действия систем обогрева, не важно даже какого – электрического или любого другого типа состоит в компенсации потерь тепла. И неважно, что мы обогреваем: трубопровод или здание, существуют потери тепла через ограждающие конструкции и обогрев это не что иное, как компенсация этих потерь.
Процесс передачи тепла от трубопровода в окружающую среду осуществляется теплопроводностью через стенку трубопровода, теплоизоляцию и защитную оболочку и далее конвекцией в окружающую среду. На рисунке 1 показано, что тепло от жидкости внутри трубы рассеивается в окружающую среду, причем интенсивность теплового потока тем меньше, а градиент температуры тем больше, чем больше термическое сопротивление тепловой изоляции.
Это Интересно!
ГДе применяется саморегулирующийся кабель?
расчет потерь тепла следует выполнять по формуле:
где Тp – требуемая температура поддержания, °С
Тa – минимальная расчетная температура окружающей среды, °С
R1 – термическое сопротивление трубопровода, (м∙К)/Вт
R2 – термическое сопротивление теплоизоляции, (м∙К)/Вт
R3 – термическое сопротивление защитной оболочки, (м∙К)/Вт
R4 – термическое сопротивление конвективной теплоотдачи в окружающую среду, (м∙К)/Вт
Термическое сопротивление отдельных слоев: стенки трубопровода, тепловой изоляции, защитной оболочки рассчитывается по формуле для цилиндрической стенки:
где Dн_i – наружный диаметр трубопровода /теплоизоляции/ защитной оболочки, мм
dвн_i – внутренний диаметр трубопровода /теплоизоляции/ защитной оболочки, мм
λi – теплопроводность трубопровода /теплоизоляции/ защитной оболочки, Вт/(м∙К)
Термическое сопротивление конвективной теплоотдачи поверхности трубопровода в окружающую среду:
где α – коэффициент конвективной теплопередачи, Вт/(м2∙К).
D – наружный диаметр защитного покрытия, мм
Очевидно, что термическое сопротивление стальной стенки трубопровода и стальной защитной оболочки крайне мало и в расчетах ими можно пренебречь. Но в случае выполнения трубопровода и защитной оболочки из пластиков следует учитывать их термическое сопротивление. Наиболее существенное влияние на величину тепловых потерь оказывает термическое сопротивление теплоизоляции, то есть ее толщина и теплопроводность. Основная функция теплоизоляции – снижение большей части тепловых потерь от трубопровода. Оставшуюся часть тепловых потерь должна скомпенсировать система электрообогрева. Соответственно, чем больше толщина теплоизоляции и меньше ее теплопроводность, тем меньше тепловые потери и экономичнее система электрического обогрева. Однако, при чрезмерном увеличении толщины теплоизоляции, затраты на нее окажутся несоизмеримо больше затрат на электроэнергию. Например, утепление трубопровода диаметром 108 мм минеральной ватой толщиной более 80 мм становится неэффективным.
Согласно СНиП 41-03-2003 в качестве минимальной расчетной температуры окружающей среды следует принимать среднюю температуру наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0.92 для данного региона (для оборудования и трубопроводов, расположенных на открытом воздухе и имеющих поверхности с положительными температурами). В то же время ряд проектных организаций за минимальную температуру окружающего воздуха принимают абсолютную минимальную температуру. Оптимальным является следующее решение: для труб малых диаметров (менее 100 мм) в качестве минимальной температуры окружающей среды принимать абсолютную минимальную температуру Для труб диаметром более 100 мм в качестве минимальной температуры окружающей среды принимать температуру наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0.92.
В теоретическом расчете тепловых потерь, как правило, не учитываются недостатки, связанные с фактической работой системы электрообогрева, например, разрушение и ухудшение свойств теплоизоляции в процессе эксплуатации, колебания и падение напряжения питания, качество монтажа теплоизоляции. Для нивелирования данных факторов к рассчитанному значению тепловых потерь добавляется коэффициент запаса. Согласно рекомендациям ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005 значение коэффициента запаса лежит в диапазоне 10% – 25%.
Выбор нагревательного кабеля представляет собой многофакторную задачу. С одной стороны, нагревательный кабель должен скомпенсировать тепловые потери трубопровода. С другой стороны, необходимо обеспечить термическую устойчивость системы электрообогрева. грамотно спроектированная система электрообогрева не должна превысить максимально допустимую температуру трубопровода и содержащегося в нем продукта. Это особенно важно при обогреве трубопроводов, расположенных во взрывоопасных зонах. Согласно рекомендациям ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005 максимальная температура металлического трубопровода может быть определена по формуле:
где Phc – выходная мощность нагревательного кабеля, Вт/м.
Необходимо отметить, что нагревательный кабель также должен быть защищен от перегрева и воздействия температуры, превышающей максимальную допустимую температуру его применения. То есть максимальная технологическая температура трубопровода не должна превышать максимально допустимую температуру нагревательного кабеля. Под максимальной технологической температурой понимается наивысшая температура, которую иногда может приобретать трубопровод. Воздействие такой температуры, как правило, носит кратковременный характер, например, при пропарке трубопровода. В остальное время на трубопроводе требуется поддержать относительно невысокую температуру. В некоторых случаях вместо применения более температуростойкого нагревательного кабеля целесообразно использовать двухслойную изоляцию с размещением кабеля не на трубе, а по первому слою тепловой изоляции. На рис. 4 показан случай, когда нагревательный кабель помещают между двумя слоями теплоизоляции, покрывающей трубу. При правильном сочетании толщин теплоизоляций и их типов, температура на поверхности контакта нагревательного кабеля и внутренней теплоизоляции не превысит допустимого значения. Компания «ССТ» широко использует данный метод при обогреве коротких импульсных линий с высокой максимальной технологической температурой. За счет малой длины трубопроводов (до 2 м) наиболее оптимальным вариантом нагревательного элемента будет саморегулирующийся кабель. Однако максимальная температура применения саморегулирующихся кабелей составляет 230 ºС. Применение двухслойной изоляции позволяет применять саморегулирующиеся кабели при температуре воздействия свыше 500 ºС.
Так как передаче тепла от кабеля в продукт будет препятствовать внутренний слой теплоизоляции, то мощность кабеля и его расход должны быть завышены по сравнению с обычным трубопроводом. В то же время, конструкция двухслойной теплоизоляции обеспечивает работу нагревательного кабеля при повышенных температурах. На рис. 5а и 5б показано распределение температуры трубопровода диаметром 18 мм, толщина внутренней теплоизоляции – 20 мм, внешней теплоизоляции – 20 мм; требуемая температура поддержания +5 ºС. Максимальная температура воздействия составляет +300 ºС. Для обеспечения требуемого температурного режима в данном случае используется саморегулирующийся нагревательный кабель 15 ВТХ2-ВР мощностью 15 Вт/м при температуре +10 ºС. Как видно из рис.5а, выбранная марка кабеля обеспечивает поддержание температуры +5 ºС, и в то же время, температура кабеля не превышает максимально допустимую для него температуру 230 ºС.
