電加熱器防爆與節(jié)能技術(shù)初探

（鎮(zhèn)江旭世機(jī)械設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212215）

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展步伐的加快和人們生活質(zhì)量的不斷提高，電加熱器的應(yīng)用已滲透到國民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域和人們生活的方方面面，如家庭中使用的空調(diào)、熱水器、電飯煲、電茶爐、微波爐、烘干機(jī)、電吹風(fēng)等。應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)裝備領(lǐng)域、行業(yè)有：（1）化工行業(yè)的化工物料升溫加熱，在一定壓力下粉塵干燥、化工過程及噴射干燥。（2）碳?xì)浠衔锛訜幔ㄊ汀⒅赜汀⑷剂嫌汀?dǎo)熱油、潤滑油、石蠟等。（3）工藝用水、過熱蒸汽、熔鹽、氮（空）氣、水煤氣類等需要升溫的流體介質(zhì)。（4）核電、化工、軍工裝備、天然氣、海洋平臺、高端船舶、礦區(qū)等需防爆的場所。

電加熱器的廣泛應(yīng)用，既給人們帶來實(shí)實(shí)在在的方便和福音，又促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)高速健康發(fā)展，但在應(yīng)用中，人們最大期望是防爆安全，視安全為天，重于泰山；其次，是能耗低。這也是廣大專業(yè)科技人員長期執(zhí)著追求的目標(biāo)。

1 引爆致安全隱患的分析

經(jīng)較長時間探索、分析，在電加熱的全過程中，造成電加熱器筒體爆炸的因素有如下幾方面：（1）焊接面的焊縫多而分散，連接強(qiáng)度不夠，工作時連接處易發(fā)生裂紋。（2）設(shè)計不合理。溫度傳感器不直接接觸電熱管，而是通過溫度傳感器護(hù)套將電熱管溫度傳遞給溫度傳感器。電熱管溫度與溫度傳感器不能同步顯示，瞬時誤差在8～10℃，超過了電加熱器筒體承受的設(shè)定溫度極限值。（3）溫度傳感器與電熱管熱脹冷縮率不一致，導(dǎo)致溫度傳感器損壞，失去其功能。（4）筒體上層未設(shè)自動調(diào)壓裝置。（5）人工操作控制加熱溫度，關(guān)鍵時稍有遲緩反應(yīng)，時間差極有可能造成筒體溫度超過其設(shè)定值。

2 防爆安全的技術(shù)對策

2．1 防干燒技術(shù)

我國是石油用量大國。2017年，中國石油用量6.1億噸，進(jìn)口4.2億噸，70%及以上靠船運(yùn)。在運(yùn)輸過程中，如不給船艙（罐）儲存的原油加熱，凍結(jié)不可避免。運(yùn)油船靠岸后，無法將原油從船艙（罐）輸送至煉油廠。因此，原油在海運(yùn)過程中，必須由電加熱器對其加熱。根據(jù)船艙空間及位置設(shè)計，電加熱器分為臥式、立式兩種。

船用臥式電加熱器，使用側(cè)裝浮球防干燒裝置。將側(cè)裝浮球殼體偏心焊接在臥式油腔筒體右端，側(cè)裝浮球殼體內(nèi)安裝一只長方形浮球，從頭部繞側(cè)裝浮球可上下運(yùn)動，當(dāng)油面下降到設(shè)定界面時，臥式電加熱器處于干燒狀態(tài)，側(cè)裝路線同步斷開，電加熱器斷電，停止加熱。

船用立式電加熱器，設(shè)計頂裝浮球防干燒裝置。用二只中空管連接頂裝浮球殼體和立式油腔筒體，頂裝浮球殼體內(nèi)安裝兩只圓形浮球。當(dāng)油面下降到設(shè)定界面時，立式電加熱器斷電，停止加熱。

應(yīng)用杠桿浮球原理設(shè)計的臥、立式防干燒裝置，使船運(yùn)原油安全可靠，有效地防止了因干燒致電加熱器筒體爆炸的安全隱患。

2．2 創(chuàng)新設(shè)計保護(hù)溫度傳感器技術(shù)

在溫度傳感器前端部使用卡子將電熱管固定，溫度傳感器前端部分相應(yīng)位置設(shè)計制作“Ω”形膨脹節(jié)，通過膨脹節(jié)的張與合，即可消除溫度傳感器與電熱管在工作時產(chǎn)生的錯位。從根本上解決了溫度傳感器與電熱管工作時熱脹冷縮率不一致而導(dǎo)致溫度傳感器損壞失去功能的技術(shù)瓶頸，確保了防爆安全效果（圖1）。

圖1

2．3 焊接工藝創(chuàng)新，增強(qiáng)防爆連接強(qiáng)度

經(jīng)研究，擬將法蘭板與防爆接線腔體、填充粉粒筒體、澆注樹脂筒體、管板進(jìn)行連接，它們之間只有四個圓周的焊接面，焊縫少而集中，連接強(qiáng)度高，使用過程中不會產(chǎn)生裂紋，能有效地達(dá)到筒體的防爆效果。

2．4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

視實(shí)際工況要求，擬采用隔爆型，設(shè)計時止口型隔爆面寬度宜在25～40mm，最大間隙≤0.11mm，表面粗糙度6.3μm，采用“O”密封條密封。這樣，在不影響防爆指數(shù)的前提下，確保了防護(hù)與防爆等級。

2．5 自控放氣減壓裝置技術(shù)

當(dāng)電加熱器筒體壓力超過設(shè)定值上限時，設(shè)置在填充粉料筒體的閥門自動開啟放氣減壓；當(dāng)筒體壓力下降到設(shè)定值下限時，閥門自動關(guān)閉。由此，筒體內(nèi)壓力始終處于設(shè)定值范圍內(nèi)，可消除安全隱患（圖2）。

圖2

2．6 智能控制溫度設(shè)計技術(shù)

采用可控硅模塊設(shè)計技術(shù)。一旦筒體介質(zhì)溫度低于設(shè)定值下限臨界點(diǎn)時，可控硅模塊按設(shè)定好的程序指使電加熱器電源啟動開啟，溫度上升；反之，可控硅模塊就指使電加熱器電源關(guān)閉。如此，電加熱器筒體內(nèi)介質(zhì)溫度永遠(yuǎn)處于設(shè)定值內(nèi)，從而很好地解決了因加熱溫度低于設(shè)定下限值影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，高于設(shè)定溫度上限值致加熱器筒體引爆的嚴(yán)重后果。

2．7 耐高壓防爆筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在特殊工況下，電加熱器筒體須承受30MPa壓力，較常規(guī)承壓高16MPa。為滿足工況需求，對電加熱筒體結(jié)構(gòu)及制作工藝進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計。筒體一端開口，另一端為橢圓形封頭結(jié)構(gòu)，開口端與管板焊接。筒體采用無縫鋼管，壁厚滿足強(qiáng)度計算要求，主要受壓元件優(yōu)選16Mn，電熱管選用316L不銹鋼，其壁厚δ=1.5mm。管板采用Ⅲ級鍛件，后切削成形，并與筒體形位公差吻合，用J507焊條焊接成完整筒體。可承受46MPa、30min無泄漏的高壓力，完全可達(dá)到防爆效果。

3 節(jié)能降耗技術(shù)實(shí)施

節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境是國家一項(xiàng)基本國策。電加熱器是耗能大戶，如何在確保滿足工況設(shè)定溫度前提下，達(dá)到節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境，擬進(jìn)行如下技術(shù)實(shí)施。

3．1 減少熱能損耗技術(shù)

為使電熱管散發(fā)的熱量最低限度地流向大氣空間，電加熱器外層應(yīng)設(shè)隔熱保護(hù)措施，用有效的隔熱制品包裹，再用熱鍍鋅板包卷，四周用熱鍍鋅鉚釘將鍍鋅板牢固鉚接在裝置上，即可達(dá)到電加熱器裝置最外層表面溫度與外界環(huán)境溫度之差最小，減小熱量無故損耗10%～15%。

3．2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)

電加熱器筒體內(nèi)設(shè)“U”形電熱管組件，在其上方設(shè)置垂直于電熱管且均布又相互錯開的半圓形導(dǎo)流板。電加熱器工作時，介質(zhì)呈“S”形向下流動，延長了流動路線，充分帶走了電熱管表面熱量。被加熱的介質(zhì)從筒體下部的出口流出送入工況裝置。由此，可擴(kuò)大傳熱面積10%，傳熱效率可達(dá)85%～90%。

3．3 綜合控制能耗降低技術(shù)

采用可控硅模塊、杠桿浮球設(shè)計技術(shù)，當(dāng)介質(zhì)溫度上升到設(shè)定值上限臨界點(diǎn)時，自動關(guān)閉電源，可減少能耗5%，既節(jié)能又安全。

3．4 零排放，節(jié)能環(huán)保技術(shù)

電熱管護(hù)套與儲油罐密封設(shè)計，更換電加熱器被損件時，介質(zhì)（油）可實(shí)現(xiàn)零排放，既節(jié)能又環(huán)保。

4 結(jié)語

電加熱器是國民經(jīng)濟(jì)裝備和人們生活不可或缺的產(chǎn)品。如何使電加熱器在國民經(jīng)濟(jì)裝備中發(fā)揮更大作用，達(dá)到高效節(jié)能、高可靠安全，仍需持續(xù)創(chuàng)新。創(chuàng)新只有始點(diǎn)，絕無終點(diǎn)，它永遠(yuǎn)在路上。誠然，從某種意義講，電加熱器直接涉及到使用工況（溫度、介質(zhì)、壓力、傳熱總量、污垢系數(shù)等）相關(guān)參數(shù)及材料學(xué)、力學(xué)、傳熱學(xué)、機(jī)械學(xué)、電工學(xué)等多門學(xué)科。只有將工況各參數(shù)合理匹配，各學(xué)科有機(jī)融合，方能使電加熱器產(chǎn)品設(shè)計更科學(xué)，技術(shù)含量更高，中高端應(yīng)用領(lǐng)域更廣，在全球經(jīng)濟(jì)一體化的激烈競爭中游刃有余。