电加热有机热载体炉的研究

汪琦，张慧芬，俞红啸，汪育佑

（上海热油炉设计开发中心  上海  200042）

摘  要：讨论了电加热元件的结构及性能，包括电阻温度系数、表面负荷、最高使用温度、脆性和高温强度等技术性能指标，分析了电热功率转换的计算方法，研究了电加热有机热载体炉的结构型式，包括圆筒体式电加热有机热载体炉、锅壳式电加热道生气相炉、联箱式电加热有机热载体炉的结构型式，给出了整体式电加热有机热载体炉的规格型号及性能参数，最后总结了电加热有机热载体炉的故障原因、故障处置与故障预防的措施。

关键词：电加热有机热载体炉；电加热元件；圆筒体式电炉；锅壳式气相炉；联箱式电炉；整体式电炉

前  言

由于化石燃料的燃烧而引起的全球温室气体排放，导致了地球气温升高，温室气体指的是大气层中自然存在的和由于人类活动所产生的，能够吸收和散发由地球表面、大气层和云层所产生的波长在红外光谱内的辐射气态成分。温室气体之所以有温室效应，是由其本身分子结构所决定的，因为其本身具有吸收红外线（一种热辐射）的能力。大气中的二氧化碳浓度增加的主要原因是工业化以后大量开采使用化石燃料，例如煤炭和石油，而燃烧化石燃料排放的二氧化碳，平均每年增长率为4.22%，由于温室气体排放的迅速增加，正在引发一系列的极端气候事件。

据估计，人类活动已经使地球的气温比工业化之前上升了1℃。如果气温每升高1℃，空气的持水能力就提高7%，从而导致降水更加集中，极端降水事件增加。冬季严寒降暴雪，春季大洪水，夏季干旱。如果气温上升超过了1.5℃的临界值，反馈循环将失控，进而引发一系列的气候变化事件，严重危害地球的生态系统。因此，要避免危机发生，温室气体排放量就必须大力减少，这就需要进行能源转型到绿色、低碳的供热模式。

电加热有机热载体炉是以电能为热源，即由浸入导热油中的电加热元件通电后产生热量，采用导热油为有机热载体，通过循环油泵强制导热油进行液相循环，将热量传递给一个或多个热定型机，经过每个热定型机用完热量之后，导热油再通过循环油泵返回到电加热有机热载体炉中，再吸收热量后由循环油泵输送给热定型机烘箱；如此循环使用周而复始，就实现了热量的连续传递，从而可确保全部的热定型机获得持续稳定的高温热源。

电加热有机热载体炉具有结构紧凑、体积小、重量轻、安装操作简便等优点，加热时不会产生环境污染，能在较低的工作压力下获得较高的工作温度；具有自动化程度高，采用了先进的自动控温模式，即通过所设定的温度反馈给控制系统，实现热负荷的自动调节。采用模糊控制和自整定PID控制完美结合的控制技术，控制精度可达到±1℃～±0.1℃，甚至能够更加精确；并且可以与计算机连网，实行人机对话。自动控制系统可以向DCS系统提供电加热有热载体炉及供热循环系统处于运行、超温、停止、互锁状态等信号，可以接受DCS系统发出的自动、停止操作命令^[1]。

1．电加热元件的结构及性能

电加热有机热载体炉通常选用电阻式管状电热元件，该管状电热元件是由金属管、合金电热丝和结晶氧化镁组成。金属管的材料为10号钢或不锈钢，其管径一般为￠8mm～￠16mm，氧化镁作为绝缘体和导热介质填充在金属管壁和电热丝之间^[2]。这种电热元件在导热油中不带电，故使用安全，同时也不会对导热油形成污染。由于管状电热元件是完全浸入导热油中进行加热，将电功率转化产生的热功率几乎被完全利用，故散热损失一般低于2%。

根据工业用电大多为三相、380V、50Hz电源，电加热有机热载体炉上使用的电加热元件一般都采用组合式结构，即每支电加热元件弯成U型，两端固定在同一个法兰上，而固定在法兰上的电热管支数应为3的倍数，以便于3支组成一体，采用三角形或星形接法平衡三相电源，简化电路。组合式结构特点是每件电热元件可以选取较大的功率，而且法兰连接方式可以满足电加热有机热载体炉的结构设计要求。

电加热元件的主要技术性能指标包括电阻温度系数、表面负荷、最高使用温度、脆性和高温强度。

1.1 电阻温度系数

电加热元件的电阻值与电阻系数成正比，由于电阻值的变化直接影响到发热功率和发热量的大小；因此，电阻系数的变化成了电热元件一个主要技术性能指标。在使用过程中，电阻值随着温度变化而变化，致使电阻率也随温度变化，这个变化数值叫做电阻温度系数。具有正值的电阻温度系数，其值愈小，即说明电热元件随着工作温度的升高，电阻变化小，电功率的变化值也愈小，这样就容易得到较平稳的工作温度。

1.2 表面负荷

电加热元件的表面负荷是指电热管表面上单位面积所分担的功率数。表面负荷的选择与元件材料、元件规格、元件敞露与封闭的程度、元件构造、元件温度、元件加热介质、介质温度、传热方式、支托元件的材料及开关频率等有密切的关系，在相同工作条件的情况下，选用较大的表面负荷，则意味着使用较少的合金材料，元件的表面温度较高，相应的是使用寿命较短。

反之，如果选用较小的表面负荷，则可降低材料的表面温度、延长元件的寿命，但需要增大材料用量。因此，正确地选择表面负荷，既能节约电热合金材料，还能保证较长的使用寿命。

电加热有机热载体炉的管状电加热元件表面功率密度应根据有机热载体的特性、流速和被加热有机热载体的温度来确定，表面功率密度选择过高，容易在电热管表面造成结焦碳化^[3]，降低电热元件的使用寿命，甚至烧坏电热管。表1给出有机热载体介质电加热元件最大表面功率密度。

1.3 最高使用温度

电加热元件最高使用温度是指电热元件在导热油中允许的元件本身表面温度，并不是指被加热的导热油温度，因此，电加热元件本身表面温度一般比周围导热油温度要高出100℃以上。在实际使用过程中，电加热元件表面温度愈高，则高温强度愈低，愈容易发生倒塌现象，从而造成短路烧毁。

电加热元件表面温度过高，还会产生元件材料结构的破坏，发生电加热元件的熔断烧坏现象而终止寿命。所以，电加热元件在保证比较满意的寿命前提下所允许的最高使用温度，不仅与元件材料有关，还与电加热元件的形状构造、断面尺寸、表面负荷、周围介质、散热情况等都有着密切的关系。

1.4 脆性和高温强度

镍铬合金电热元件在经过高温使用冷却后，如果没有发生过热状态，则仍然是较软的；而铁铬铝合金电加热元件经过高温使用冷却后，晶粒长大变脆了，温度愈高，时间愈长，冷却后脆化愈严重，断面尺寸愈大愈明显，一折即断，而断面尺寸较小的合金电加热元件在相同条件下稍好一些。所有金属及镍铬合金和铁铬合金的强度均随着温度的增加而降低；所以，在设计开发时必须考虑到这一因素，以免在工作温度下，由于支撑、安装不当或者其元件本身的自重而引起变形、倒塌、短路等破坏现象。

2．电热功率转换的计算方法

2.1 电功率计算方法

在电热的能源转换形式中，电阻加热中的间接电加热方法是应用最为普遍的一种计算，现以这种加热方式的电热转换进行计算。根据电功率计算公式可以得出工程中常用的热量计算公式：

式中，Q——电阻通电发出的热量，Kcal；

U——电阻两端的工作电压，V；

I——通过电阻的工作电流，A；

R——工作状态下的电阻值，Ω；

t——通电时间，h。

当工作电流为恒定值时，用公式（1）计算；当工作电压为恒定值时，用公式（2）计算，此两公式称为楞次—焦耳定律。按照这一定律，在导热油电加热炉的设计计算中，通常按照需要供热量Q来计算出电加热有机热载体炉所需要的电功率N。

式中，N——电功率，KW；

Q——热量，Kcal/h；

k₁——电压波动修正系数，见表2；

k₂——功率储备系数，或称为设计安全系数，一般可取k₂=1～1.3。

由表2可见电功率受到电压波动的影响十分显著。各地的电压季节性波动和每日波动都会有较大不同，一般是取平均值。

2.2 管状电加热元件计算方法

式中，N——总功率，KW；

N_xa——每相功率，KW；

U——总电压，V；

U_xa——每相电压，V；

P_bm——表面功率，W/cm²；

R_xa——每相电阻值，Ω；

ρ_t——“T”温度下电阻系数，Ω·mm²/m。

3．电加热有机热载体炉的结构设计

3.1 圆筒体式电加热有机热载体炉

圆筒体式电加热有机热载体炉是由电加热元件、炉本体（圆形筒体）、保温层、外包壳体、支座、阀门仪表及自动控制系统等几部分组成^[4]。炉本体的结构为圆形承压筒体，电加热元件在圆筒体一端或两端封头或者管板上布置安装，其电加热管与圆筒体中心线平行，并且在圆筒体中的电加热元件还应该设置必要的固定装置，以避免由于电加热管的刚度不足而出现折弯现象。

电加热元件与圆筒体的连接应该采用法兰连接，法兰垫片为金属网缠绕石墨垫片或膨胀石墨复合垫片。图1为圆筒体式电加热有机热载体炉的结构图，电加热管采用单组集束型结构，并且为防爆型，电加热管在圆筒体内分布均匀，整体结构布置紧凑。

电加热有机热载体炉在自动控制上有多级调节功率和无级调节功率的方式。目前较多采用PLC可编程控制器配合多组交流接触器进行多级调节功率的控制方式，以导热油出口温度作为主控参数^[5]。这种控制方式具有成本低、散热要求低、不怕过流过压的优点；缺点是控制精度不高，控制箱的体积大。这种对电加热管多级调节功率，主要按下面两个方式进行：

（1）电加热管分成多组，它的投入或切除分组延时进行，每组电加热管的功率越大，各组电加热管之间投入或切除时间的间隔越长，以避免全功率一次投入或切除对电网造成过大的冲击。

（2）每组电加热管投入和切除采用先投先切、后投后切的循环投入和切除方式进行，使得每组电加热管的使用时间大致相等，从而可延长电加热管的使用寿命。

3.2 锅壳式电加热道生气相炉

锅壳式电加热道生气相炉是向外输出具有一定压力和一定温度的气态道生，其压力是道生汽化产生的^[6]；因此，锅壳式电加热道生气相炉是承压结构型式，可参见图2所示。炉本体的结构是一个圆形承压筒体，而在筒体的上部为气相区、下部为液相区，电加热元件插入液相区内，筒体内的道生为自然循环，液态道生回液口设置在筒体底部，气态道生出汽口安装在筒体顶部。

锅壳式电加热道生气相炉内的联苯混合物是易燃有毒、渗透性强，且其压力随着工作温度升高而升高。与液相导热油炉相比，除结构设计、制造工艺、质量检验要求更高之外，炉本体上安全附件及仪表设备上也有不同的要求如下：

（1）至少设置两只不带手柄的封闭式弹簧安全阀。

（2）炉本体上必须设置压力表及控制装置。

（3）需要设置两套耐高温液位计。

（4）液态道生回液口及气态道生出汽口上必须设置温度计。

3.3 联箱式电加热有机热载体炉

联箱式电加热有机热载体炉是液相强制循环的加热炉，受压元件由多根集箱单元组合而成，每根集箱单元布置有一组电加热元件，构成一个电加热单元，集箱单元之间通过短管相通，形成导热油串联循环回路^[7]，参见图3所示。

联箱式电加热有机热载体炉的结构设计可以通过增加或减少电加热单元，从而可改变电加热有机热载体炉的输出功率；所以，设计制造极为方便，并且采用串联循环回路，从而使得集箱单元内导热油的流速可以得到有效控制。

3.4 整体式电加热有机热载体炉

整体式电加热有机热载体炉及循环供热系统是由防爆电加热器、联箱式电加热有机热载体炉、导热油循环泵、高位膨胀槽、防爆电控柜等组合成一个整体框架式的可移动装置^[8]，供热用户仅需接入电源、导热油进出口管道、以及一些电气接口即可使用，参见图4所示。

笔者设计开发的整体式电加热有机热载体炉的规格型号及性能参数如表3所示。电加热有机热载体炉可采用数显式温控仪进行控温操作，具有超温报警、低油位报警、超压力报警功能^[9]，并具有防干烧和防爆安全措施。防爆等级为：ExdIIBT4、ExdIIBT6、ExdIICT6。

4．电加热有机热载体炉的故障及处置

电加热有机热载体炉是采用电热管进行加热的，如果电热管发生故障后，就会影响电加热有机热载体炉的正常运行。

4.1 电热管故障的原因

（1）电热管内电热丝超温熔断

对于锅壳式电加热道生气相炉，因为是自然循环结构，锅筒底部依靠道生的自然循环来传热，从而流速太低，使得锅筒底部局部过热；尤其是在升温阶段，道生粘度大，电热管表面壁液膜较厚，传热效果差，当电热管表面壁结焦积垢后，更加会恶化传热，使电热管内电热丝超温熔断。另外，电热管断丝的检查方法是通过控制柜上电流表，可以反映出该组电热管的电流减小。

（2）电热管伸出端头泄漏

电热管伸出端头泄漏主要是由于受热膨胀后垫圈松动所致^[10]。

（3）电热管使用损坏

质量好的电热管使用寿命应在一年以上，而质量差的电热管除了电热丝的材质较差外，电热管内绝缘填料氧化镁有的也采用含杂质较多的白云石粉来代替，其结果是电热管寿命自然较短，从而会造成电热管使用损坏。

（4）电热管开裂损坏

对于强制循环式的电加热有机热载体炉，因为炉体内的电热管端头固定装置松动、脱落，电热管会被炉内的导热油流体冲击，会出现震动或折弯等现象，从而会造成电热管开裂损坏。

4.2 电热管故障的处置方法

电加热有机热载体炉的电热管采用并联三角形连接。如果其中个别的电热管损坏，并不会影响其他的电热管工作，如果热负荷能够满足生产用热要求，可以在计划停炉检修时集中更换新的电热管；如果热负荷满足不了生产用热要求，则必须关闭总电源，等待电加热有机热载体炉降温以后，更换新的电热管。

由于电加热有机热载体炉的筒体内电热管端固定装置松动脱落而产生折断，则必须进行炉子大修；而在炉子大修时，必须将炉内的导热油全部放尽，再打开人孔和手孔，更换新的电热管和固定夹具。

如果电热管端头泄漏，一般只要将压紧螺母旋紧即可。如果压紧螺母已经紧到位、而电热管伸出管端头仍然发生泄漏时，则必须停炉降温后，再更换新的垫圈。

电加热有机热载体炉在长期运行后，如果发现电热管表面结垢或积碳时，应及时清洗干净后再投入使用^[11]，从而保证电加热有机热载体炉的运行安全。

4.3 电热管故障的预防方法

在电热管安装之前，应严格进行质量检验与验收，防止电加热有机热载体炉上安装了劣质的电热管。另外，电热管的接线部分应放在保温层外面，避免与腐蚀性、爆炸性介质、水分接触；引接线应能长期承受接线部分的温度及加热负载。

电加热有机热载体炉在开车调试和升温操作时^[12]，应该采取措施逐组投入接通电热管的电源，以防止炉内的导热油出现局部过热结碳。同时应保证电源稳定，工作电压不应超过额定电压的1.1倍，炉子外壳应该有线接地。另外，如果在长时间停炉之后，电热管绝缘电阻低于1MΩ时，应在200℃左右的烘箱中干燥，或降低电压通电加热，直至恢复绝缘电阻后，方可投入使用。

5．结语

能源转型是指人类利用能源从木柴到煤炭、从煤炭到油气、从油气到新能源、从“有碳到无碳”的发展趋势，是能源形态、能源技术、能源结构、能源管理等能源体系的主体要素发生了根本性转变的过程，能源转型的主要目的是为了建设绿色地球，推动人类社会的能源生产与供给体系的绿色、清洁、高效、安全的发展。

电能是最清洁的能源，随着国家能源政策的调整及环境保护法规的加强，电加热有机热载体炉在绿色清洁生产制造过程中得到了广泛应用和大力推广，与传统的燃煤或燃油有机热载体炉相比，电加热有机热载体炉及循环供热系统具有如下的优点：

（1）电加热有机热载体炉及循环供热系统的设备结构紧凑、配套齐全、占地面积小、安装周期短、运行和维修方便、安全可靠、适用范围广。

（2）电加热有机热载体炉及循环供热系统设置了电气保护、漏电保护、短路保护装置；并配备有多个联锁接口，可随时对导热油出口温度、压力、流量以及高温循环油泵的安全运行进行有效地监控；同时设置了超温报警系统，该系统不仅能够及时报警，而且能够不可复位地关闭电加热有机热载体炉，从而可以有效地保障电加热有机热载体炉及循环供热系统的安全运行。

（3）电加热有机热载体炉的热效率高，可利用电网夜间时段的廉价低谷电来运行，同时还能够起到平衡电网供电的峰谷差，并且夜间运行使用的电费低、节能效果显著；另外，电加热有机热载体炉的投资成本低、操作人员少、人工费用节省。

参考文献：

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[3]汪琦,俞红啸,张慧芬等.导热油炉中炉管内外表面的清洗方法[J].工业炉,2017,39(6):30-34.

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[12]汪琦,俞红啸,张慧芬等.导热油炉开车调试和升温操作[J].上海化工,2015,40(12):14-16.

作者简介：

汪琦，硕士，高级工程师，长期从事于热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的研究设计开发工作。

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