電阻式加熱器概述及發(fā)展趨勢

孫鑫

摘要：工業(yè)生產(chǎn)及科研試驗中大量應(yīng)用電加熱器用于流體工藝介質(zhì)的升溫。隨著技術(shù)發(fā)展，近年來市場上涌現(xiàn)了多種不同形式的電阻式電加熱器，可適用各種不同需求場合。本文根據(jù)筆者建設(shè)航空發(fā)動機零部件地面試驗器的調(diào)研及建設(shè)經(jīng)驗，重點介紹工業(yè)領(lǐng)域中近年來市場上涌現(xiàn)的對流式電阻加熱器的類型、特點分析和發(fā)展趨勢，以便在石油化工、電力、核、航空航天，以及發(fā)動機等領(lǐng)域工程建設(shè)過程中輔助指導(dǎo)加溫器的工藝選型。

Abstract： Electrical heaters are used to increase the temperature of medium in industry and scientific research. With the development of technology， many different types of electric resistance heaters have appeared on the market in recent years，which were applicable to a variety of occasions. This paper mainly introduces the types， characteristics and development trend of the current resistance heaters in the industrial field in recent years， so as to assist the selection of the heater in the process of process design in chemical、power generation、nuclear、aerospace industry.

關(guān)鍵詞：電阻式;加熱器;接觸;非接觸

Key words： electric resistance;heater;summarize;development tendency

0 ?引言

電加熱器是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的加熱設(shè)備，因其環(huán)保、高效、占地小等優(yōu)點，廣泛用于建材、冶金、石油、化工、核電、航空航天等領(lǐng)域。較直接或間接加熱的燃燒器加溫器相比，電加熱器具有升溫快、控溫精度高、能量密度高等特點，其按照加熱機理可分為電阻加熱、感應(yīng)加熱（電渦流）、電弧加熱、電子束加熱和紅外線加熱等。電阻式加熱器又分為輻射式、熔鹽式和對流式，其中對流式電阻加熱器（本文簡稱加熱器）多用于工業(yè)上加熱介質(zhì)為流體的場合。本文旨在重點介紹工業(yè)領(lǐng)域中近年來市場上涌現(xiàn)的對流式電阻加熱器的類型、特點分析和發(fā)展趨勢，以便輔助工藝設(shè)計過程中時加溫器的選型。

1 ?加熱器類型及特點分析

根據(jù)流體介質(zhì)與通電發(fā)熱元件（本文簡稱電熱元件）的接觸形式，加熱器可分為接觸式加熱器和非接觸式加熱器兩大類型。

1.1 接觸式加熱器

接觸式加熱器是指電熱電阻元件與流體介質(zhì)直接接觸、并加熱流體介質(zhì)的加熱器;具有換熱效率高（98%左右），電熱元件表面熱負荷大（可達20-50W/cm2）;電熱元件無蓄能結(jié)構(gòu)，具有熱慣性小，升/降溫速度快、控溫精度高的特點。按電熱元件類型又可細分為加熱絲、加熱帶、加熱管等形式。目前，典型的接觸式加熱器為纏繞電阻絲加熱器和金屬管加熱器。接觸式加熱器因介質(zhì)與加熱元件直接接觸，為保證安全，嚴格限制了可用的流體介質(zhì)僅能為空氣，目前僅在數(shù)個航空航天領(lǐng)域內(nèi)的風(fēng)洞類地面試驗臺應(yīng)用，模擬發(fā)動機內(nèi)部的高溫高壓的運轉(zhuǎn)工況。

1.1.1 纏繞電阻絲加熱器

此類加熱器的電熱元件是電阻絲按照特殊的“蛇形”纏繞形式纏繞在具有凹槽的陶瓷棒上，電阻絲根據(jù)工況需求可選擇鎳鉻合金或鐵鉻鋁合金。此類加熱器主要結(jié)構(gòu)特點為流體介質(zhì)直接通過內(nèi)嵌陶瓷或特種非金屬隔熱層合金套管，與穿插裸露電阻絲直接接觸對流換熱;特殊的“蛇形”纏繞形式增強了流體介質(zhì)的湍流度和接觸面積，總體換熱效率高，同等加溫功率下體積小，但緊密排布的電阻絲為避免局部短路產(chǎn)生熔斷，故要求氣體介質(zhì)中不能含有液態(tài)水，一般需在進氣管道上增加相應(yīng)的除水裝置。對于加熱介質(zhì)為空氣的情況，長時間使用會導(dǎo)致電阻絲氧化變細，進而導(dǎo)致電阻升高并熔斷，限制了使用壽命。加熱器及電熱元件的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

此類型加溫器為某國外公司獨創(chuàng)，成本競爭性差，實用案例中加熱器單體功率未超過3MW，工作電壓為660V，電阻絲的承諾壽命為5000小時，此類加熱器僅適用于加熱除水的空氣和惰性氣體，多用于對于加熱器出口溫度精度要求高但工作時數(shù)較少的航空航天科研試驗領(lǐng)域，主要案例多在國外航空發(fā)動機試驗臺，尚未在其他工業(yè)領(lǐng)域大范圍使用。需指出的是，此類加熱器的電熱元件的接線形式和電阻絲纏繞結(jié)構(gòu)較為特殊，若出現(xiàn)需更換電熱元件的需求，加熱器整體需返廠維修。

1.1.2 雙回流金屬管加熱器

此類加熱器的電熱元件一般為單管或雙管合金鋼管（如：高溫合金鋼，奧氏體不銹鋼等）。加熱器整體采用折流形式，加熱元件通電，流體在合金鋼管外壁對流換熱，進行初次加熱，再折流進入通電的合金鋼管內(nèi)，與內(nèi)壁進行二次加熱;加熱器在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上分為冷區(qū)和熱區(qū)，冷區(qū)外壁承壓不承溫，熱區(qū)承溫不承壓，一定程度上降低了外殼的設(shè)計難度及成本，但由于多次折流，壓力損失較大。加熱器及電熱元件的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

此種類型加熱器于本世紀初由某國航空行業(yè)技術(shù)引進國產(chǎn)化后的產(chǎn)品，初期方案為單管加熱，改進后可雙管加熱，雖多年消化吸收技術(shù)并再創(chuàng)新，國內(nèi)部分研究單位有單體功率約13MW的加熱器使用案例，但國內(nèi)僅有少數(shù)工廠有生產(chǎn)業(yè)績且大功率的案例要求較少，尚未形成完善的全生命周期的技術(shù)體系。

雙回流金屬管加熱器結(jié)構(gòu)簡單，可根據(jù)工況進行模塊化設(shè)計，通過增加合金鋼管的長度從而增加換熱時間，提高氣體介質(zhì)的出口溫度;通過增加加熱元件的數(shù)量從而增大氣體流量，加熱器單體功率最高可達13MW。工作電壓可根據(jù)功率進行適配，220～3000V均有實用案例，但加溫器通常選用疊層調(diào)節(jié)輸出功率，需要定制多繞組的變壓器和額外配置消除諧波的電氣設(shè)備。同時因單電極接線內(nèi)置，對于進氣溫度較高的介質(zhì)，需要額外配置純水冷卻設(shè)備用于冷卻電極。需指出的是，該類型加熱器的電熱元件的連接電路為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)某根電熱元件出現(xiàn)故障斷路時，整個加熱器便需返廠維修。

1.2 非接觸式加熱器

非接觸式加熱器是指發(fā)熱電阻元件與流體介質(zhì)間接接觸，發(fā)熱電阻元件填充在絕緣導(dǎo)熱材料中，外部包裹導(dǎo)熱不銹鋼保護層，流體介質(zhì)與保護層通過對流換熱從而對介質(zhì)進行加熱的加熱器。此種類型加熱器具有電熱元件表面熱負荷較低（約10W/cm2），占地面積大，升降溫速率較慢、熱慣性大的缺點，但是其適應(yīng)性強，可適用于單一或者復(fù)雜的腐蝕性氣體、液體或兩相流。目前，典型的非接觸式加熱器可分為U形管加熱器和螺紋管加熱器。因此類型加熱器通用性強，在航空航天領(lǐng)域，非接觸式加熱器多用于小功率的配套設(shè)備，如潤滑油、燃油等可燃流體介質(zhì)的加熱，尚未有應(yīng)用過大于2MW的工況。

1.2.1 ?雙回流金屬管加熱器

該加熱器電熱元件為金屬管（保護管）內(nèi)鋪設(shè)一根或者多根電阻發(fā)熱元件（電阻絲），并填充絕緣導(dǎo)熱體氧化鎂粉，結(jié)構(gòu)如圖3所示。每個電熱元件內(nèi)一般布置一根螺旋電阻絲，通過U型形成閉合回路。單個電熱元件的輸出功率較低，生產(chǎn)商模塊化生產(chǎn)不同長度等級的電熱元件，一般通過增加電熱元件的數(shù)量提高可加熱的介質(zhì)流量，針對不同的溫升需求選擇不同長度規(guī)格的電熱元件。若遇到溫升超過單根電熱元件所允許的最大之后，通過加熱器串聯(lián)的方式以實現(xiàn)更高的輸出溫度。

U形管加熱器是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的電加熱器，其按照結(jié)構(gòu)形式可分為法蘭式和風(fēng)道式，結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。法蘭式U形管加熱器多適用于高壓力小功率的加熱情況，單臺加熱器功率一般不超過2MW;而風(fēng)道集束式適用大流量、低壓力的應(yīng)用場合，氣體壓力一般不超過0.3MPa。

U型管電加熱器因結(jié)構(gòu)簡單、適用性廣的特點，已大量應(yīng)用于石油、化工、電力等工業(yè)領(lǐng)域，生產(chǎn)商眾多，市場競爭能力強，可適配多種電壓。但因為加溫元件中的大量氧化鎂粉，導(dǎo)致系統(tǒng)熱慣性較大，控溫精度差。因經(jīng)過多次換熱和發(fā)熱電阻絲的溫度限制，多適用于加熱溫度在600℃以內(nèi)的應(yīng)用場合。

1.2.2 螺紋管加熱器

國外某公司對加熱器整體結(jié)構(gòu)和電熱元件進行優(yōu)化，將絕緣導(dǎo)熱材料氧化鎂替換為絕緣導(dǎo)熱性更強、熱熔低的氮化硼，并且在單個電熱元件中加入多根發(fā)熱電阻絲，電阻絲可在電熱元件內(nèi)自行折回，形成通電回路，電熱元件無需制成“U”字型。同時在金屬管表面壓制大量的“凹槽”，增加換熱面積和通過增加湍流度的方式提高換熱效率，表面功率密度可達到約50w/cm2。在保護安全的方面，較其他幾種加熱器通過測量介質(zhì)溫度的方式進行超溫斷電保護，此種加熱器在電熱元件內(nèi)增加溫度傳感器，可直接測量電阻絲的溫度，通過控制電源的輸出功率保護電阻絲，從而避免電阻絲超溫熔斷，提高加熱器的可靠性。加熱器及電熱元件的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

此類加熱器整體結(jié)構(gòu)與雙回流金屬管加熱器相似，采用折流形式，流體在合金鋼管外壁對流換熱，進行初次預(yù)熱，再折流進入合金鋼管內(nèi)，與電熱元件進行二次加熱。由于介質(zhì)多次折流，壓力損失較大。此外，在出口段由于流體介質(zhì)溫度較高，其出口段外殼需采用強度更高的高合金鋼。此類加熱器由于單根電熱元件中敷設(shè)多根加熱絲，相較于其他非接觸式加熱器，其產(chǎn)生單位熱量所需的體積和質(zhì)量低，降低了設(shè)備的熱慣性，提高了溫升速率和控溫精度，規(guī)避了一些U形管加熱器的常規(guī)缺點。此類型加熱器由于可靠性高，適用性廣，控溫精度高，多用于核電、石化領(lǐng)域中關(guān)鍵工藝加熱，多用于液體加熱，在氣體加熱領(lǐng)域應(yīng)用較少，且適配電壓尚無大于690V的案例。

2 ?加熱器發(fā)展趨勢

目前，加熱器一般是結(jié)合用戶實際需求的定制化產(chǎn)品，這需要加熱器廠家具備較強的技術(shù)實力。為了降低設(shè)計成本，加熱器廠家多采用模塊化設(shè)計，同時為了應(yīng)對不同的需求和應(yīng)用場合，一直在電熱元件、加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣和控制等方面進行創(chuàng)新，以提高加熱器的熱效率和適用性。

2.1 電熱元件的發(fā)展趨勢

電熱元件作為加熱器的核心部件。電熱元件所用材料一般要求電阻率大、電阻溫度系數(shù)小，在高溫下變形小且不易脆化。常用的有鐵鉻鋁合金、鎳鉻合金等金屬材料，石墨、碳化硅、二硅化鉬等非金屬材料。隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展，電熱元件呈百花齊放的態(tài)勢，各種材料、各種結(jié)構(gòu)形式的電熱元件層出不窮。不同加熱元件結(jié)構(gòu)和材料如圖6所示。

部分廠家也會針對原有電熱元件進行改進，以提高電熱元件表面熱負荷。如螺紋管加熱器，將絕緣導(dǎo)熱材料氧化鎂替換為絕緣導(dǎo)熱性更強、熱熔低的氮化硼，降低了電熱元件的熱慣性;同時在電熱元件內(nèi)增加溫度傳感器，避免電阻絲超溫熔斷，提高了加熱器的可靠性。

2.2 電熱元件的發(fā)展趨勢

加熱器整體結(jié)構(gòu)改進也是目前加熱器發(fā)展趨勢之一，主要包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部支撐件和電熱元件連接端子等方面的創(chuàng)新。

加熱器殼體需承溫承壓，材料要求高、設(shè)計難度大，散熱嚴重，需外部嚴格保溫。為了降低設(shè)備散熱和設(shè)計難度，加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用分區(qū)設(shè)計，分為冷區(qū)和熱區(qū)，如圖2和圖5所示，冷區(qū)殼體承壓不承溫，熱區(qū)承溫不承壓，這樣既可以降低加熱器殼體設(shè)計難度及成本，又可以降低設(shè)備散熱，提高設(shè)備電熱轉(zhuǎn)化效率，但由于多次折流，壓力損失較大。

U形管加熱器一般通過增加殼體長度、采用兩段及以上的殼體折疊、設(shè)置折流擋板等方式以增加流體介質(zhì)在加熱器內(nèi)的停留時間。如圖7所示，為了克服折流擋板流場死區(qū)問題，對折流擋板也多有改進;圖7-B所示，將折流擋板做成稍小擋板并降低折流擋板間距，雖能減小死區(qū)范圍，但仍不能消除流場死區(qū)問題;圖7-C所示，將折流擋板做成鏤空形式，可完全消除流場死區(qū)問題，但流程中湍流度降低，降低了換熱效率，同時也增加了加熱器整體壓力損失;圖7-D所示的折流擋板形式，不僅可以消除流場死區(qū)問題，還可以提高流體介質(zhì)湍流度，進而提高了流體介質(zhì)的換熱效率。

U形管加熱器和螺紋管加熱器的電熱元件端子連接方式一直是該類型加熱器的薄弱點之一。傳統(tǒng)的連接方式是直接焊接，雖可降低泄露的風(fēng)險，但更換電熱元件時較為困難，有時會造成不可修復(fù)的損壞。結(jié)合用戶實際需求、應(yīng)用場合和加熱器維修的便捷性，目前多數(shù)廠家采用不同的接線端子連接方式，具體如圖8所示。

2.3 電控方面的發(fā)展趨勢

電氣和控制方面的改進是加熱器重要的發(fā)展趨勢之一，主要包括電氣供電、設(shè)備保護、溫度控制等。

在電氣供電方面，部分廠家由原來的低壓供電改為中高壓供電，如國外某供應(yīng)商為應(yīng)對海上石油平臺在有限的空間內(nèi)安裝問題，推廣出了工作電壓為4166V的電加溫器，具有工作電流小、安裝空間小和成本低等特點，但所有電氣設(shè)備的保護等級需相應(yīng)升高。

對于電加溫調(diào)功裝置，主要在降低調(diào)功疊層調(diào)節(jié)帶來的諧波、減少過零調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電流沖擊的方面進行工藝、控制邏輯的優(yōu)化，從而減少設(shè)備對上游電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

在溫度控制方面，加熱器出口溫度控制精度是加熱器重要的性能指標，其改進方向一般集中在加熱器溫度控制調(diào)功柜輸出功率的邏輯程序上的優(yōu)化創(chuàng)新和提高電熱元件表面熱負荷。在來流穩(wěn)定的條件下，一般加熱器均可實現(xiàn)出口溫度控制精度在±3K之間，部分加熱器出口溫度精度可以達到±1K。

在安全防護方面，大多數(shù)電熱器采用測量出口介質(zhì)溫度的方法進行自保護，但此種方式不能反映出電熱元件的溫度，在溫升高、流量小的工況下，容易導(dǎo)致電熱元件超溫熔斷。越來越多的測溫手段應(yīng)用在加溫器的超溫保護中，如非接觸單管加熱器直接將測溫傳感器直接埋在內(nèi)部，直接測量電熱元件的內(nèi)部溫度;在加溫器出口直接紅外測溫裝置，直接測量電熱元件外表面的溫度。

3 ?總結(jié)

隨著新技術(shù)、新材料的應(yīng)用和國內(nèi)外工業(yè)體系的交流，越來越多的新型電加熱器投入市場中，新型加熱器雖較傳統(tǒng)類型的加熱器有諸多優(yōu)點，但需充分考慮加熱器設(shè)備的綜合性能。工藝人員需根據(jù)不同行業(yè)不同系統(tǒng)的工藝特點進行加熱器的選型和使用。

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