導熱油電加熱器的設計探討

何垠均

（重慶川儀十七廠有限公司，重慶 400707）

近年來，隨著國家在環保領域加大監管力度，密集出臺各種相關政策保護自然環境，市場對環保產品的需求不斷增大，國家出臺各種配套政策，促進電加熱產品市場的發展。

導熱油加熱器原本采用燃燒天然氣的方式獲得熱量，隨著電加熱技術的發展，目前采用電加熱替代燃燒天然氣的應用領域越來越多，并逐步淘汰燃煤鍋爐。

導熱油電加熱器技術由于其利于控制和監測，能夠實現功率、溫度的自由控制，能夠滿足各種介質對溫度的不同需求，因電能轉換為熱能的效率高、熱損耗少、節約能源、減少成本，因此越來越受到重視，其應用領域越來越廣泛。

1 導熱油電加熱器工作原理

導熱油加熱器是一種環境友好型的熱能轉換設備。其工作原理是通過電熱元件發熱絲產生熱量，在電加熱器內部通過對流換熱將熱量轉換到循環管路中的導熱油，循環管路的導熱油被循環泵強制循環流動，從而實現將熱量運送到用熱設備的目的。導熱油電加熱器運用PID 控制技術，對整個系統的溫度、流量、壓力、液位實時進行監控，當發現指標超出設定范圍，系統自動報警并停止加熱。

2 主要設備的設計

導熱油加熱器主要由電加熱器、循環泵、膨脹槽、儲油槽、溫度儀表、流量儀表、液位儀表、壓力儀表、控制柜、管道等組成。

2.1 電加熱器

電加熱器由容器、加熱元件、折流板、接線盒等組成，電加熱器為整個系統提供熱量，是最關鍵的元件之一，電加熱器由多支U 型電加熱元件組成，為防止導熱油在加熱元件產生結焦，加熱器內部流速不能過低，并且注意導流板布局的間距和方向。電加熱器的功率采用功率調整器進行調節。為便于自動調整功率，在電加熱器的出口安裝一體化溫度變送器監測導熱油的實時溫度，防止出口溫度超過限制導致導熱油變質。

2.2 膨脹槽

膨脹槽一般設置為臥式容器，導熱油電加熱器的膨脹槽有開式和閉式兩種工作模式：當膨脹槽的內部空余空間用惰性氣體填充時稱為閉式系統；當膨脹槽與大氣直接相通時稱為開式系統，具體采用閉式系統或開式系統需要根據現場用戶使用環境和工況綜合確定。

膨脹槽的主要功能有三點：儲存系統中導熱油從常溫加熱到工況溫度后膨脹的總量；在電加熱器升溫煮油過程中通過膨脹槽向外排出水蒸氣等；平常需要儲存足夠多的導熱油，如遇到突然停電等特殊工況時，需要利用膨脹槽的冷導熱油將電加熱器內的熱導熱油置換。

（1）設計溫度。膨脹槽內的工作溫度不得超過70℃，防止導熱油接觸空氣高溫氧化，膨脹槽禁止保溫，設計溫度為100℃。

（2）設計壓力。設計壓力不應小于0.6MPa。膨脹槽可以設計為開式也可以為閉式，在石油化工等特殊行業，膨脹槽一般采用閉式容器，容器內部通常導熱油填充80%左右，其余部分采用氮氣覆蓋，防止導熱油與空氣直接接觸導致氧化。容器內壓力采用分程控制來保證。

（3）安裝位置。一般膨脹槽安裝在整個導熱油電加熱器的最高位置，并且要考慮導熱油的飽和蒸汽壓和泵的汽蝕余量。膨脹槽禁止安裝在電加熱器的正上方，并且與電加熱器的距離大于1.5m，防止距離過短導致膨脹槽內導熱油的溫度超過70℃。膨脹槽與油氣分離器的間距不能小于1m，避免循環管路的熱量傳遞到膨脹槽。

（4）容積。膨脹槽的容積大于循環管路導熱油膨脹的總量。膨脹槽容積一般按照整套系統總油量因加熱膨脹而增加體積的1.3 倍計算。導熱油受熱膨脹量一般每升高100℃，近似膨脹10%，假如膨脹槽裝填系數0.8，則有V2=1.3×V0×10%×(T2-T1)/100/0.8。

式中，T1為加熱前導熱油的溫度，℃；T2為加熱后導熱油溫度，℃；V0為系統的導熱油總容積，m3。

（5）儀表。膨脹槽安裝普通彈簧管壓力表、雙金屬溫度計、液位并送器等儀表，液位變送器需要設置有低液位報警、低低液位連鎖功能和高液位報警功能，避免膨脹槽內的導熱油過多或過少，防止外部空氣進入導熱油電加熱器的循環管路。在正常工況時，膨脹槽應保持高液位狀態，這樣可以保證在停電等特殊工況時有足夠多的導熱油置換電加熱器內的熱導熱油。

2.3 儲油槽

按規定，導熱油容積超過1m3的系統應當設置儲油槽，通常采用臥式容器。儲油槽有兩個功能，一是能儲備系統所需最大數量用油；二是能接受事故發生時系統熱油的排放。

（1）設計溫度。按導熱油最高使用溫度加30℃確定。

（2）設計壓力。設計壓力不應小于0.6MPa。

（3）容積。儲油槽的容積應大于整個系統導熱油總量的1.2 倍，儲油槽容積為循環管路系統容積與膨脹槽容積之和，則儲油槽的容積計算為：

式中，V1為儲油槽的容積，m3；V0為整個系統導熱油的體積，m3。

（4）安裝位置。儲油槽低于導熱油電加熱器的其他設備和管路，便于儲油槽在設備檢修時能裝入整個系統的導熱油。

（5）儀表、管件。需安裝雙金屬溫度計、普通壓力表、磁翻板液位計等監測儀表，儲油槽在平常工作時應保持在低液位狀態，便于儲存緊急情況排入的導熱油。若膨脹槽和儲油槽均為封閉容器且導熱油電加熱器發生超壓時，儲油槽設置的安全閥能夠泄壓保護設備的安全，將導熱油氣體或液體安全排放。

2.4 循環泵

循環泵是整個導熱油電加熱器的動力來源。需要設置兩臺，一用一備，保證導熱油電加熱器正常工作。循環泵進出口管路應進行應力分析，當應力超過許用值時，進出口應各裝一個膨脹節或泵用波紋金屬軟管。循環泵的流量按導熱油電加熱器的需求流量的1.1 倍選取。

在循環泵的入口處應安裝Y 型過濾器，以便過濾循環管路的金屬殘留物，防止殘留物進入循環泵損壞葉輪，在循環泵的出口位置安裝旋啟式止回閥，防止導熱油倒流。循環泵必須在確認循環管路的導熱油溫度低于70℃的情況下，才可以停止運行。

2.5 注油泵

注油泵的主要作用是將導熱油送到儲油槽和膨脹槽內；通過特殊管路設計，利用注油泵將整個導熱油電加熱器中的導熱油排出；將儲油槽內的導熱油通過注油泵輸送到膨脹槽內，通過膨脹槽及時補充循環管路所需的導熱油。剛注油時，溫度較低，導熱油的黏度較大，推薦使用具有自吸能力的齒輪泵，入口裝設過濾器，且定期清理。

2.6 儀表

導熱油電加熱器的儀表主要由熱電偶/阻、壓力表、孔板流量計、磁翻板液位計、雙法蘭液位變送器等組成，隨時監控整個導熱油電加熱器溫度、壓力、流量、液位，當任何一個指標偏離設計指標后，通過系統PLC 控制停止導熱油電加熱器工作，保障整個設備的安全。

2.7 管路

導熱油電加熱器的管路主要由鋼管、法蘭、閥門、緊固件、墊片等組成。為保證熱量損失，管路需要采取保溫措施。管路設計時，采用熱補償的方式消除熱應力。特別注意循環泵進出口采用波紋管膨脹節補償，其他管路采用普通鋼管彎曲彈性變形自然補償。

2.8 控制柜

導熱油電加熱器控制系統為閉環負反饋系統。由溫度儀表將檢測的溫度信號傳遞給智能PLC 進行PID 溫度控制；PLC 輸出4 ～20mA 的電流信號給可控硅觸發器，觸發器驅動可控硅進行正常工作，以此來控制導熱油電加熱器的輸出功率。

導熱油電加熱器控制柜監測設備的壓力、流量以及液位，并設置有壓力、流量、液位報警連鎖功能。

控制柜面板設置報警指示、操作、調節、顯示等功能。內部設置保護、電源、信號轉換、驅動等器件。

3 結語

隨著導熱油電加熱器的使用越來越廣，人們對其安全性越來越重視，只有充分認識到導熱油電加熱器的特殊性，了解其結構組成、特性、工作方式，才能設計出安全、合理的導熱油電加熱器。