電加熱器防爆與節能技術初探

（鎮江旭世機械設備有限公司，江蘇 鎮江 212215）

隨著現代工業發展步伐的加快和人們生活質量的不斷提高，電加熱器的應用已滲透到國民經濟眾多領域和人們生活的方方面面，如家庭中使用的空調、熱水器、電飯煲、電茶爐、微波爐、烘干機、電吹風等。應用于國民經濟裝備領域、行業有：（1）化工行業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）碳氫化合物加熱，包括石油、重油、燃料油、導熱油、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。（4）核電、化工、軍工裝備、天然氣、海洋平臺、高端船舶、礦區等需防爆的場所。

電加熱器的廣泛應用，既給人們帶來實實在在的方便和福音，又促進了國民經濟高速健康發展，但在應用中，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。這也是廣大專業科技人員長期執著追求的目標。

1 引爆致安全隱患的分析

經較長時間探索、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，連接強度不夠，工作時連接處易發生裂紋。（2）設計不合理。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，導致溫度傳感器損壞，失去其功能。（4）筒體上層未設自動調壓裝置。（5）人工操作控制加熱溫度，關鍵時稍有遲緩反應，時間差極有可能造成筒體溫度超過其設定值。

2 防爆安全的技術對策

2．1 防干燒技術

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

船用臥式電加熱器，使用側裝浮球防干燒裝置。將側裝浮球殼體偏心焊接在臥式油腔筒體右端，側裝浮球殼體內安裝一只長方形浮球，從頭部繞側裝浮球可上下運動，當油面下降到設定界面時，臥式電加熱器處于干燒狀態，側裝路線同步斷開，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，頂裝浮球殼體內安裝兩只圓形浮球。當油面下降到設定界面時，立式電加熱器斷電，停止加熱。

應用杠桿浮球原理設計的臥、立式防干燒裝置，使船運原油安全可靠，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 創新設計保護溫度傳感器技術

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位置設計制作“Ω”形膨脹節，通過膨脹節的張與合，即可消除溫度傳感器與電熱管在工作時產生的錯位。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致溫度傳感器損壞失去功能的技術瓶頸，確保了防爆安全效果（圖1）。

圖1

2．3 焊接工藝創新，增強防爆連接強度

經研究，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，連接強度高，使用過程中不會產生裂紋，能有效地達到筒體的防爆效果。

2．4 結構設計

視實際工況要求，擬采用隔爆型，設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，在不影響防爆指數的前提下，確保了防護與防爆等級。

2．5 自控放氣減壓裝置技術

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

圖2

2．6 智能控制溫度設計技術

采用可控硅模塊設計技術。一旦筒體介質溫度低于設定值下限臨界點時，可控硅模塊按設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閉。如此，電加熱器筒體內介質溫度永遠處于設定值內，從而很好地解決了因加熱溫度低于設定下限值影響設備正常運轉，高于設定溫度上限值致加熱器筒體引爆的嚴重后果。

2．7 耐高壓防爆筒體結構設計

在特殊工況下，電加熱器筒體須承受30MPa壓力，較常規承壓高16MPa。為滿足工況需求，對電加熱筒體結構及制作工藝進行了創新設計。筒體一端開口，另一端為橢圓形封頭結構，開口端與管板焊接。筒體采用無縫鋼管，壁厚滿足強度計算要求，主要受壓元件優選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，完全可達到防爆效果。

3 節能降耗技術實施

節能降耗、保護環境是國家一項基本國策。電加熱器是耗能大戶，如何在確保滿足工況設定溫度前提下，達到節能降耗、保護環境，擬進行如下技術實施。

3．1 減少熱能損耗技術

為使電熱管散發的熱量最低限度地流向大氣空間，電加熱器外層應設隔熱保護措施，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，即可達到電加熱器裝置最外層表面溫度與外界環境溫度之差最小，減小熱量無故損耗10%～15%。

3．2 結構創新設計技術

電加熱器筒體內設“U”形電熱管組件，在其上方設置垂直于電熱管且均布又相互錯開的半圓形導流板。電加熱器工作時，介質呈“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。被加熱的介質從筒體下部的出口流出送入工況裝置。由此，可擴大傳熱面積10%，傳熱效率可達85%～90%。

3．3 綜合控制能耗降低技術

采用可控硅模塊、杠桿浮球設計技術，當介質溫度上升到設定值上限臨界點時，自動關閉電源，可減少能耗5%，既節能又安全。

3．4 零排放，節能環保技術

電熱管護套與儲油罐密封設計，更換電加熱器被損件時，介質（油）可實現零排放，既節能又環保。

4 結語

電加熱器是國民經濟裝備和人們生活不可或缺的產品。如何使電加熱器在國民經濟裝備中發揮更大作用，達到高效節能、高可靠安全，仍需持續創新。創新只有始點，絕無終點，它永遠在路上。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、壓力、傳熱總量、污垢系數等）相關參數及材料學、力學、傳熱學、機械學、電工學等多門學科。只有將工況各參數合理匹配，各學科有機融合，方能使電加熱器產品設計更科學，技術含量更高，中高端應用領域更廣，在全球經濟一體化的激烈競爭中游刃有余。