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电伴热设计与选型计算方法

时间：2020-05-04 09:34 点击次数：

500308百万文字论坛在电伴热领域中总结出关于电伴热系统的计算设计方法：
电伴热是利用伴热电缆输出的热量来补偿管道、容器、罐体等储运系统所耗散的热量，以维持系统操作介质始终处在工艺要求的适宜温区。所以，电伴热带设计首先要确定工艺装置的热损失即散热量，然后根据散热量确定所需伴热电缆的功率和长度。
一：电伴热设计说明：
1. 电伴热适用范围:适用于室内外管道、容器、罐体等储运系统、设备保温和防冻。
2.电伴热工程建议应在供货方的指导下进行安装施工,并做好详细的工程进展记录表.
3.电伴热防冻系统设计原理：利用电热来补充输水或贮水过程中所散失的热量，以维持水温在一定的范围内，达到保温和防冻的目的，所以电伴热仍需要有绝热层、防潮层和保护层。
4.电伴热防冻系统总体设计旨在经济的满足管道流体(如：水)系统防冻(降粘及防堵)，从功能性、可实现性、经济性的角度出发，达到防冻(降粘及防堵)的效果。
最低气象温度标准和防冻标准：
山东地区气象参数(极端平均最低温度TA=-17.1℃)；维持设备的水不结冰状态，采用管道水系统维持在5℃的标准。计算管道最大的散热功率。
电伴热设计需要确定的工艺参数
1) 管道要求的维持温度TM(℃)；
2) 当地最低环境温度TA(℃)；
3) 管道的外径D(mm)；
4) 容器的表面积S(m2)；
5) 管道的保温材料品种及厚度(mm)；
6) 管道是在室内或室外属于什么工作区域。
二、系统设计：
2.1散热量计算
散热量计算有两种方法：一查表法；二是按公式直接计算法。
2.1.1.查表法
首先根据需要伴热的维持温度TM和最低环境温度TA
计算温差：ΔT
ΔT＝TM-TA
根据ΔT查金属管道散热量(QB)见附表一
或设备散热量(QP)见附表二
根据查得的QB或QP按下式计算出实际的散热量
管道QTB＝＝f×QB
     平壁设备QTP＝f×QP

式中：TM--需要伴热的维持温度(℃)
TA--极端平均最低温度(℃)，室内有空调的按室内空调最低温度计算
QTB--管道实际需要伴热热量(W/m)
      QTP--平壁实际需要伴热热量(W/m)
f----保温材料修正参数
2.1.2.直接计算方法：
(1)管道QTB={[2π(TM-TA) ]/［( LnD2/D1)1/λ+2/( D2α)]}×1.3 ………
(2)设备QTP=[(TM-TA)/(δ/λ+1/α)] ×1.3 ……………………………　　　

式中：
TM--需要伴热的维持温度(℃)
TA--极端平均最低温度(℃)，室内有空调的按室内空调最低温度计算
λ--保温材料的导热系数，(W/m℃)
D1--保温层内径(mm)，(管道外径)
D0--保温层外径(mm)
δ--保温层厚度(mm)
Ln--自然对数
α--保温层外表面向大气的散热系数(W/㎡℃)与风速ω(m/s)有关
α=1.163(6+ω1/2) W/( ㎡℃ ) …………………………(3)
1.3--安全系数
2.1.3.管道材质修正系数
不同材质的导热系数不同，在同等TM的情况下所需功率不同，修正系数f,见附表四；
QTB、QTP值的条件是钢材，如材质变动应乘以材质修正系数。
   Q=Qt×f W/m ………………………………………(4)
式中：
Q--表示最后确定的总实际需要伴热热量(W/m)
Qt--表示代表QTB、QTP伴热热量(W/m)
f----保温材料修正参数见附表三
2.2确定电伴热带的功率及长度：
2.2.1.计算所需伴热电缆的总长度L
A：计算管道所需伴热电缆的总长度L1
用Q值(QTB、QTP)来选择合适规格的伴热电缆，并确定每米管道Lg所用伴热电缆的长度和敷设方法。
Lg=Q/QM (m)……………………………………………(4)
式中：
Lg--表示每米管道所用伴热电缆的长度(m)
Q--表示最后确定的总实际需要伴热热量(W/m)
QM--表示某一规格伴热电缆在维持温度TV时的输出功率(W/m)
Lg小于1时，每米管道采用的伴热电缆小于1m无法敷设，所以Lg不能小于1。
Lg等于1时，则每米管道采用1 m该规格的伴热电缆，单根直线敷设。
Lg等于n时(n为整数)，则每米管道采用n根这种规格的伴热电缆，n根直线敷设。
Lg大于1且不等于n ，可采用螺旋卷绕敷设，节距为LS(m)
LS=π(D+d)/(Lg2-1)0.5 m ………………………(6)
式中：
D为管道外径(m)
d为伴热电缆厚度(m)
管道部分用伴热电缆长度，为：
L1＝管道总长度×Lg (m)………………………………(7)

B：平面部分用伴热电缆长度L2
1) 每平方米表面应敷设伴热电缆长度为：
Lp=(Qp×f)/ QM 　　m/㎡
2) Lp≥3，即每㎡面积须敷设不短于3m长度的伴热电缆。
3) 平面部分用伴热电缆长度为：
L2=S×Lp m…………………………………………………(8)
S为散热平面面积(m2)。当管径大于600mm时可当作平面容器处理。

C：管道附件用伴热电缆长度
管道附件的热损失可换算成一定长度相同管径管道的热损失，所需电缆应敷设在相应附件上。
管道附件所需伴热电缆长度 = 附件散热系数×每米管道所需同种电缆长度
1) 每个阀门所需电缆长度Lf,为：
Lf=kf×Lg………………………………………………………(9)
式中，kf为阀门散热系数
阀门散热系数
阀门品种　闸阀　蝶阀　球阀　球心阀
散热系数　1.5 　　0.9 　　　1.0　 1.4
2) 每个管道其他附件所需电缆长度Lj为：
Lj=kj×Lg …………………………………………………(10)
式中，kj为其他附件散热系数
管道附件散热系数
附件项目　法兰弯头直型接头 T型接头托架吊架
散热系数　2 　　2 　　2　　　　 3　　 3 　　3
D：接头留用长度L3
1) 每个电源引入端预留1m；
2) 每个尾端留0.5m；
3) 每个直型或T型接线盒预留0.5m；
4) 备用(按工程需要)；
所需伴热电缆总长度L为(增加10%的安全系数)， L = (L1+L2+Lf+Lj+L3)×1.1

三：电热带选型：
在选择电热带产品时，应综合考虑各种因素，如适用性、经济性、供电条件等，具体方法如下：
3.1 根据管道维持温度及偶然性的最高操作温度选定电热带的耐温等级和发热等级。
根据管道可能经受的最高温度来选择相应最高暴露温度的电热带，确定管道是否会出现偶发性温升(如蒸汽、热水、热油清扫管道)及最高温度，所选电热带的最高暴露温度应不低于偶发性温升。如偶发性温升高于最高暴露温度，可在进行热工估算后，调整安装方法，即在电热带与管道之间加一层适当厚度的保温层，以缓解偶发温升对电热带的影响。
3.2根据功率—温度曲线选择电热带功率
选择电热带的输出功率，不是以标称功率为依据，而是以系统维持温度时电热带必须输出的功率为依据。
选择电热带的温度等级及伴热功率与系统所需的维持温度有直接关系，应选用最高表面温度高于系统维持温度(例如20℃)并能补偿体系热损失的电热带。
3.3单一电源最大电热带的确定
从同一个电源接线盒引出的所有各段伴热电缆的长度之和，称为单一电源最大伴热电缆长度。据此选择过流保护开关的容量。根据管道分布及支线长短选用电热带，低功率电热带单根使用长度较大，适合较长的支线使用，若一根的功率不够可用多根。
3.4 电热带结构的选择
根据安装环境和条件进行结构选择
1)在塑料或表面涂有油漆，而不能可靠接地的容器和管道上选用屏蔽型产品。
2)在易燃易爆地区，或管内介质是易燃易爆介质，应选用屏蔽型防爆电伴热产品。
3)管道内介质如有腐蚀性，或电缆有可能接触腐蚀屏蔽层的化学品，则应采用防护型产品。
3.5 其他事项
1)电伴热带的电源接线截面要大于伴热电缆导体截面。
2)熔断器、空气开关要选择适中，要考虑大于全线起动电流。
3)易燃易爆地区必须采用专用的电源接线盒，中间接线盒和终端等专用附件。
4 ) 根据电源容量、电压、电网平衡状态，确定采用单相供电或三相供电及电压等级。
5 ) 管道周围环境是否便于电缆安装，确定电伴热带，采用直线敷设还是螺旋敷设。

四：电伴热系统图
4.1电伴热系统图绘制原则
1)每个单一电源供电的电伴热系统，应绘制各自的电伴热系统图。
2)电伴热系统图以该被伴热管道配管图为依据，用轴侧投影图表示。
3)电伴热系统图是示意图，可以不按比例绘制。
4.2 电伴热系统图图示要求
1)电伴热系统图应列出管道编号、管径、材质，保温材质和保温厚度；
2)应标出管道上的阀门、管件、支架、法兰的位置及管道的长度，同时标出接线盒的位置；
3)列出管内介质的名称、操作温度，维持温度，可能最高温度，最低环境温度、温差、散热损失、危险区域分类；
4) 列出电伴热带的规格，数量及其在维持温度时的发热量以及电器设备的数量、规格、型号及其他附件。
五：电伴热设施的安装
5.1 安装前的准备
1) 所有电伴热带均须进行电路连续性和绝缘性能的测试，不符合规定的不能使用。
2) 电气设备和控制设备均须进行外观检查，有变形、有裂纹，器件不全又无法修复的，不能使用。
3) 安装前，应先按照电伴热系统图，逐一核对管道编号、管道规格、工艺条件、电伴热带参数、规格型号、电气设备和控制设备规格型号，确认无误后，才能进行安装。
4) 没有产品标记，或标记模糊不清，无法辨认的产品，不能安装。
5) 电伴热系统安装前，被伴热管道必须全部施工完毕，并经水压试验(或/和气密试验)检查合格。
5.2 安装注意事项
1) 电热带安装时，不要在地面上拖拉，以免被锋锐物损坏。不要与高温物体接触，防止电焊熔渣溅落到电热带上。
2) 电热带有良好的柔性，但不允许硬折，需要弯曲时，弯曲半径不得小于伴热电缆厚度的6倍。
3) 电热带严禁用重物硬砸，如被砸伴热电缆应重新进行电气测试，合格后才能使用。
4) 电热带应与被伴热管道(或设备)贴紧并固定，以提高伴热效率。固定电伴热带时应用专用尼龙扎带，严禁用金属丝绑扎。
5)非金属管道应在管外壁与伴热电缆之间贴一层铝胶带，用来增大接触传热面积。
6) 的安装要充分考虑管道附件(或设备)的拆卸可能性，且电伴热带又不需要被切断。电热带被剪断或接头时要注意接头的密封。
7) 每米管道热损失大于每米伴热电缆输出功率时，采用缠绕方式，以利维修时拆卸。
8)法兰处易产生泄漏，缠绕电伴热带时，应避开其正下方。
9)电热带在管道上的安装方法与固定，扎带材料应根据管道的温度选用。
10) 电热带安装完毕后，必须逐个回路进行电气测试合格后，再进行通电试验，检查电热带发热情况。确认正常后，才允许保温。
11) 保温材料应干燥。潮湿的保温材料不但影响伴热效果，还会导至对电热带的腐蚀，缩短使用寿命，未包外保护层的保温管道，被雨雪浇湿后，应风干后再施工外保护层。
12) 伴热系统施工完毕，应在管道的外保护层，做出明显的电伴热标记，以提醒人们注意。
13) 电热带安装时，当电缆一端接入电源前应将母线另一端用配套的封头套封好，两条母线不得短路。
14) 多回路电热带从同一接线盒接出时，各母线都要有绝缘套隔离，以防短路。
15) 接线盒应密封，防止雨水进入。
5.4电伴热系统的现场测试与检查
1) 电热带的连续性和绝缘电阻，用1000V摇表检查，系统绝缘电阻大于50MΩ为合格。
2) 电热带安装完毕，每个电伴热回路的测试结果应有记录和报告。
3) 检查人员应按照工程规定对伴热系统的安装进行中间检查和最终核实、验收。

六：相关电气设计：
设计电伴热配电系统时，电热带应与过载、短路、漏电保护和温度保护装置配合，并应符合我国有关电气规范要求。
6.1单一电源电热带长度的定义如下图：
变功率单一电源电热带最大使用长度与过流保护开关的容量关系可查电伴热编制说明，当实际过流保护开关容量介于两档之间，应选用容量大的一档。
6.2电路对地漏电保护
每条电热带线路应采用30MA对地漏电开关做电气保护。特别是防爆区、危险区或腐蚀区，和管道需要经常维修和电热带易受到机械损坏的区域。
举例说明
1.1室内热水管道伴热
我公司针对某高级公寓室内卫生间热水管道伴热热水维持温度TM＝50℃，偶然性操作温度65℃。室内空调温度最低温度TA＝16℃，管道通过普通区。电压220V。管径为DN100。
管长50M，管道上有3个闸阀，8对法兰(包括阀门的6对)5个管架。保温层材料为泡沫橡塑(λ＝0.038W/m℃)，厚30mm确定电伴热带的长度、功率和选型。
第一步：计算温差：ΔT
ΔT＝TM-TA 　　TM＝50℃　TA＝16℃
ΔT＝50-16＝34 ℃
第二步：计算管道散热量QB。查附表一，当ΔT＝30℃，QB＝21.8W/m，ΔT＝40℃　QB＝29.0W/m。采用内差法求得：
QB＝21.8+｛(29-21.8)/(40-30)｝×(34-30)
＝24.68W/m
第三步：计算实际散热量QTB，根据QTB＝＝f×QB　查表： f=1.23
QTB＝1.23×24.68＝30.36W/m
第四步：计算电热带总长度L：
a.自控温电热带(变功率电热带)，查电热带的编制说明：附表五可知，选用45ZWK2-P
(中温屏蔽型)提供的自控温电伴热带比较合适，从电热带的编制说明查出10℃时，每米输出功率45W/m，50℃时输出的功率QM＝28.8W/m，小于散热量QTB＝30.36W/m，因此，选用45ZWK2-P，需要确定安装系数：Lg=Q/QM＝30.36/28.8＝1.06

提供的电热带总长度计算如下：
管道部份：L1＝50×1.06＝53m
法兰部份：L2＝8×(2×.215)=3.44m(0.215法兰盘直径)
闸阀部份：L3＝3×1.3＝3.9m(1.3系数，查伴热设计)
管架部份：L4＝5×3×2×.15＝4.5m(0.15为管道与支架接触长度)
其它部份：L5＝2×1＝2.0m(1个电源接线盒，1个尾端接线盒)
总长度：L＝L1+L2+L3+L4+L5=53+3.44+3.9+4.5+2=66.84m
查安装与操作中相关电气设计说明：
TA＝10℃，Lmax＝65m，20A开关；Lmax＝96m，30A开关容量。
电热带实际总长度L＝66.84m，选用30A开关。配用自控温电伴热带可以任意剪切。
总功率：N＝L×QTB＝66.84×30.4＝1924W(1.924KW)
b.恒功率电热带
已知：QTB＝30.36W/m，查恒功率电伴热带编制，选用两根或一根HBL2-J3-17W、HBL2-J3-35W
1.2应用消防管道防冻：
我公司就应用某楼宇地下室不采暖车库消防管线防冻。根据管道冬季维持水温TM＝5℃，其它条件同前例。
第一步：计算温差：ΔT 查全国各地气象参数最低环境温度TA＝-17.1℃
ΔT＝TM-TA 　　TM＝5℃　TA＝-17.1℃
ΔT＝5-(-17.1)＝22.1℃
第二步：计算管道散热量QB。查附表一，当ΔT＝20℃，QB＝14.5W/m，ΔT＝30℃　QB＝21.8W/m。采用内差法求得：
QB＝14.5+｛(21.8-14.5)/(30-20)｝×(22.1-20)
＝16.1W/m
第三步：计算实际散热量QTB，根据QTB＝＝f×QB　查表：附表三 f=1.23
QTB＝1.23×16.1＝30.36W/m
第四步：计算电热带总长度L：
a.自控温电热带(变功率电热带)，查电热带的编制说明：附表五可知，选用15ZWK2-P
(中温屏蔽型)提供的自控温电伴热带比较合适，从电热带的编制说明查出10℃时，每米输出功率45W/m，50℃时输出的功率QM＝28.8W/m，小于散热量QTB＝30.36W/m，因此，选用15ZWK2-P，需要确定安装系数：Lg=Q/QM＝30.36/28.8＝1.06
需要确定安装系数：Lg=Q/QM＝19.8/16.6＝1.19
提供的电热带总长度计算如下：
管道部份：L1＝50×1.19＝59.5m
法兰部份：L2＝8×(2×.215)=3.44m(0.215法兰盘直径)
闸阀部份：L3＝3×1.3＝3.9m(1.3系数，查伴热设计)
管架部份：L4＝5×3×2×.15＝4.5m(0.15为管道与支架接触长度)
其它部份：L5＝2×1＝2.0m(1个电源接线盒，1个尾端接线盒)
总长度：L＝L1+L2+L3+L4+L5=59.5+3.44+3.9+4.5+2=73.34m
查安装与操作中相关电气设计说明：
TA＝0℃，Lmax＝96m，15A开关容量。
电热带实际总长度L＝66.84m，选用15A开关。配用自控温电伴热带可以任意剪切。
总功率：N＝L×QTB＝73.34×30.4＝1217W(1.3KW)
b.恒功率电热带
已知：QTB＝30.36W/m，查恒功率电伴热带编制，选用一根HBL2-J3-20W

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