CN215522427U - 一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置，属于电伴热装置技术领域。包括多段集肤加热电缆，任一集肤加热电缆分别设于集热钢管内，相邻布置的集热钢管之间设有三通接线盒，相邻集热钢管之间还设有分支集热钢管，所述三通接线盒分别与两集热钢管和分支集热钢管连接，所述分支集热钢管内穿设第三集肤加热电缆，所述三通接线盒内设有铜管，所述铜管连接两集肤加热电缆和第三集热加热电缆，首个所述集热钢管与电源接线盒连接，首个集肤加热电缆与电源控制柜的相线压接，所述电源控制柜的零线与电源接线盒内的接地螺丝压接。本申请达到根据主管和支管特定要求补偿电热功率的目的，避免了主管欠补偿和分支管局部过量补偿热量。

Description

一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置

技术领域

本实用新型涉及一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置，属于电伴热装置技术领域。

背景技术

集肤效应电伴热系统基本结构是：一根铁磁性钢管道沿被加热的物体(通常是管件)平行连续架设，管道内部贯穿一根和管道等长的单芯结构的绝缘电缆。电缆末端的芯线和钢管末端牢固压接、电缆首端芯线和管道首端接负载交流电压。这样当通电时，二相交流电从电缆首端流到末端、再从末端沿钢管回到首端，由于钢管材质为铁磁性的无缝钢管，由于交流电的临近效应和管道集肤效应作用，流经钢管的电流集中在钢管内壁而形成涡流发热，同时因钢管外壁和大地是等电位的，所以钢管外层无需做绝缘层而涡流热量缺可以透过外壁和外界发生热量交换，从而达到加热/伴热作用。

常规集肤电伴热系统是根据管线长度和加热功率定制设计的，由于设计计算的复杂性，电伴热系统一般按统一规格的集热管道和加热电缆进行均一性设计。在统一规格的集热管道、集热加热电缆回路长度下，集肤电伴热系统的加热回路阻抗沿管路是均匀的，当给定电压下，因加热回路的电流值恒定，所以常规的集肤电伴热回路沿管路的加热功率输出是均匀的。

在石油化工领域或消防领域，液体介质单一长输管道有时长达数公里至数十公里，管道实际根据工艺流程和路由会发生变化，比如介质管道根据工艺流程要求，需要在主管上开一根或更多的长度不短(如数十到数百米长)三通管形成旁路，该三通管长度管径不一定和主管管径相同(往往是变径为较细的支管)。

一般情况下，主管和支管的工况不同时，管道所需的电伴热功率也会不同，若按照传统的集肤效应电伴热系统，假设给工艺主管设计为一根集肤效应加热回路，那么对于支管用同一个集肤伴热回路时，只能在支管上假设集肤加热管道支管末端再原路返回到主管，从而造成一个现象：主管为单管伴热、管径较细的支管反而为双管伴热，当工艺管内介质对温度控制要求比较高时，将会造成主管伴热功率不够而支管伴热过量。

但是，现行的集肤电伴热系统的设计是按管路均一性考虑的，加热功率是单一的，往往跟不上工艺管道实际路由变化(如工艺管道有支管)。因此目前现行的集肤效应电伴热系统设计控制是有局限性的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置，满足主管和支管特定要求补偿电热功率，避免发生因电热回路造成主管欠补偿和分支管局部过量补偿热量现象。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置，包括多段集肤加热电缆，任一所述集肤加热电缆分别设于集热钢管内，相邻布置的所述集热钢管之间设有三通接线盒，相邻所述集热钢管之间还设有分支集热钢管，所述三通接线盒分别与两集热钢管和分支集热钢管连接，所述分支集热钢管内穿设第三集肤加热电缆，所述三通接线盒内设有铜管，所述铜管连接两集肤加热电缆的芯线和第三集热加热电缆的芯线，首个所述集热钢管与电源接线盒连接，且首个所述集肤加热电缆的芯线与电源控制柜的相线压接，所述电源控制柜的零线与电源接线盒内的接地螺丝压接；末个所述集热钢管尾端设有第二尾部接线盒，末个所述集肤加热电缆的芯线与第二尾部接线盒的接地螺丝压接，所述分支集热钢管尾部设有第三尾部接线盒，所述第三集肤加热电缆的芯线与第三尾部接线盒的接地螺丝压接。

还设有温度传感器，所述温度传感器设于集肤钢管外的被保温的工艺管道上，且所述温度传感器与集肤控制柜电连接，所述温度传感器对将各段集热钢管上的温度进行监测并反馈于集肤控制柜。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置，本申请为串联、并联混合型回路，进行分流设计、改变主管和分支管的发热材料、结构，从而调整阻抗，并通过精密计算进行分流，达到根据主管和支管特定要求补偿电热功率的目的，避免了因一般电热回路造成主管欠补偿和分支管局部过量补偿热量的现象，适用于主管和分支管路串联+并联混合型集肤电伴热系统。

附图说明

图1为本实用新型实施例一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置的设计框图；

图2为本实用新型实施例一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置的系统图；

图3为本实用新型实施例一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置的负载回路等效示意图；

图4为本实用新型实施例一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置的分段阻抗示意图；

图5为本实用新型实施例一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置的负载回路管路分流示意图；

图中1电源控制柜、2电源接线盒、3接地螺丝、4第一集肤加热电缆、5第一集热钢管、6三通接线盒、7Y型铜管、8第二集肤加热电缆、9第二集热钢管、10第二尾部接线盒、11第三集肤加热电缆、12第三集热钢管、13第三尾部接线盒。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1、2所示，本实施例中的一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置，包括两段集肤加热电缆：第一集肤加热电缆4和第二集肤加热电缆8，第一集肤加热电缆4设于第一集热钢管5内，第二集肤加热电缆8设于第二集热钢管9内，第一集热钢管5和第二集热钢管9之间设有三通接线盒6，第一集热钢管5和第二集热钢管9之间设有分支集热钢管：即第三集热钢管12，三通接线盒6上开设三个进出线孔，三个进出线孔分别与第一集热钢管5、第二集热钢管9和第三集热钢管12连接。第三集热钢管12内穿设第三集肤加热电缆11。三通接线盒6内设有Y型铜管7，Y型铜管7分别连接第一集肤加热电缆4的芯线、第二集肤加热电缆8的芯线和第三集热加热电缆11的芯线。第一集热钢管5与电源接线盒2连接，且第一集肤加热电缆4的芯线与电源控制柜1的相线压接，电源控制柜1的零线与电源接线盒2内的接地螺丝3压接。第二集热钢管9尾端设有第二尾部接线盒10，第二集肤加热电缆8的芯线通过接线鼻与第二尾部接线盒10的接地螺丝通过螺母紧密压接。第三集热钢管12尾部设有第三尾部接线盒13，第三集肤加热电缆11的芯线通过接线鼻与第三尾部接线盒13的接地螺丝通过螺母紧密压接，形成一个串联和并联相结合的回路。

集热钢管外的被保温的工艺管道上还分别设有温度传感器，温度传感器可为热电阻或热电偶。温度传感器与集肤控制柜的测温仪表电连接，温度传感器对将各段集热钢管的温度进行监测并反馈于集肤控制柜，通过测温仪表的设定温度，实现自动启停。

上述这样形成一个完整的集肤效应负载加热回路装置，当电源控制柜的的相线和零线施加二相交流电Uac时，回路将在第一集肤钢管、第二集肤钢管和分支集肤钢管内壁感应产生涡流，电流经电源控制柜的相线沿第一集肤加热电缆并在三通接线盒处电流被分为两路，一路电流沿第二集肤电缆、尾部接线盒内壁继续流至第二集热钢管内壁；另一电流沿分支集肤电缆、第三尾部接线盒内壁继续流至第三集热钢管内壁，第二集热钢管和第三集热钢管内壁产生的电流经三通接线盒内壁继续沿着第一集肤钢管回至电源接线盒内壁后回至电源控制柜的零线。

上述带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置设计，包括以下步骤：

步骤一、

确认管路参数，比如管路总长第一集热钢管、第二集热钢管和第三集热钢管的长度之和，其中第一集热钢管段的管内径为φ1，第二集热钢管段的管内径φ2，第三集热钢管段的管内径φ3，且三者等长。

步骤二、

根据工艺要求计算第一集热钢管段、第二集热钢管段和第三集热钢管段各自最大和平均散热量和可能的管内介质升温所需热量，从而确定第一集热钢管段、第二集热钢管段和第三集热钢管段分别需要补偿伴热功率的允许值变动范围，作为集肤电伴热系统有功功率参考。

步骤三、

根据上述交流电路回路架构，画出等效电路图，如图3所示。

步骤四、

根据交流电路等效电路图，给定集肤电伴热回路载总电压U，通过字母运算，给出各段负载的交流复阻抗，如图4所示。根据基尔霍夫定律，求出流经各段的电流值，如图5所示。

步骤五、

计算各段有功功率值。

步骤六、

根据各段负载交流阻抗的函数表达式(一价贝塞尔函数)，结合步骤五，应用逐次逼近法进行迭代计算，优选不同规格尺寸的集热钢管和集肤加热电缆，进行匹配，达到理想数据组合。

一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置的原理如下：

如图3所示，其中r11、r21和r31代表第一集热钢管、第二集热钢管和第三集热钢管的交流阻抗，l11、l21和、和l31分别代表第一集热钢管、第二集热钢管和第三集热钢管的等效电感量；r12、r22和r32代表第一集肤加热电缆、第二集肤加热电缆和第三集肤加热电缆的交流阻抗，l12、l22和l32分别代表第一集肤加热电缆、第二集肤加热电缆和第三集肤加热电缆的等效电感量。上述6个等效阻抗和6个感抗元件组成一个串联+并联+串联的混合回路，由于所有接线盒和集热钢管采用高导磁材料，在电源控制柜的两相线间施加交流电压，当集肤电缆串接在集热钢管和接线盒内部时，因交流电的趋肤效应和相反电流的临近效应，即使频率为50Hz工频情况下，感应电流就会沿相线流出到集肤加热电缆芯线、并流经主管和分支管的尾端盒内部螺栓、在集肤钢管和接线盒内壁有限的壁厚内流回电源控制柜的零线。

因集热钢管、集肤加热电缆的芯线、第三集热钢管和第三集肤加热电缆的芯线具有一定的电阻R，根据焦耳定律P＝I²·R，电流流过时将在第一集肤加热电缆、第二集肤加热电缆和第三集肤加热电缆的芯线上产生热量，只要精心设计控制该部位的电抗(阻抗+感抗)，那么就可以根据各段的电抗值算出分流比例，当设计该部位需要多少伴热功率，就可以算出总电压下，从而给各段工艺管道部位进行精确匹配发热功率。各部位的电抗(阻抗+感抗)可以根据集热钢管和集肤加热电缆的材料和尺寸计算得出，从而可以最终完成集热钢管和集肤加热电缆规格和数量匹配。

主要公式应用：

设定回路工作电压Uac下：

(1)等效回路总电抗Z(复函数)：

其中：Z11＝r11+j·2πf·l11........第一集热钢管交流电阻及电感；

Z12＝r12+j·2πf·l12........第一集肤加热电缆交流电阻及电感；

Z21＝r21+j·2πf·l21........第二集热钢管交流电阻及电感；

Z22＝r22+j·2πf·l22........第二集肤加热电缆交流电阻及电感；

Z31＝r31+j·2πf·l31........第三集热钢管交流电阻及电感；

Z32＝r32+j·2πf·l32........第三集肤加热电缆交流电阻及电感；

注：上式中j²＝-1

根据上式，可计算出:

Z＝A+j·B

从而可得Z的模值为[A²+B²]^0.5。

交流电路总电抗Z的模值是可知的，经物理模型计算，在特定交流电频率和已知环境温度下，给定长度、给定内径和壁厚的集热钢管和集肤电缆的每一项交流电阻值和电感量分值均可表达为一阶贝塞尔函数(当然和材料电导率和磁导率相关)。当电源给定电压Uac后，可以算出等效回路总电流和第二段主管部位及分支管部位的分电流比例关系，以及各部位有功功率的分配。

通过逐步逼近法，我们可以固定某些参数，如频率f，材料电导率(或体电阻率ρ和磁导率μ和壁厚δ，通过优选各部位集热钢管内径φ、集肤电缆芯线截面积，实现期望管道各分段部分的分流分压，实现主管和分支管道集肤电伴热功率的精确分配。

根据各管段伴热功率允差上下限，设计给定输出的负载电压(分档位)，当优选U0作为中心工作电压档位时，可设定多个输出电压档位，如可分为5档：0.90·U0、0.95·U0、U0、1.05·U0、1.10·U0，这样可以更好地利用P＝U²/Z的平方比例关系，达到更加理想的分段功率的分配组合。

根据各管段伴热功率允差上下限，因在各管段的交流阻抗在发热材料特定规格尺寸下与频率的平方根值呈正比例关系，即Z＝KZ(f_c)^0.5，当设定U0作为工作电压档位时，可通过变频电源，将交流电频率变成260Hz--1000Hz可选，通过变频来实现各部位阻抗值的变化，达到更加理想的分段功率的分配组合。

本申请为串联、并联混合型回路，进行分流设计、改变主管和分支管的发热材料、结构，从而调整阻抗，并通过精密计算进行分流，达到根据主管和支管特定要求补偿电热功率的目的，避免了因一般电热回路造成主管欠补偿和分支管局部过量补偿热量的现象，适用于主管和分支管路串联+并联混合型集肤电伴热系统。

除上述实施例外，本实用新型还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置，其特征在于：包括多段集肤加热电缆，任一所述集肤加热电缆分别设于集热钢管内，相邻布置的所述集热钢管之间设有三通接线盒，相邻所述集热钢管之间还设有分支集热钢管，所述三通接线盒分别与两集热钢管和分支集热钢管连接，所述分支集热钢管内穿设第三集肤加热电缆，所述三通接线盒内设有铜管，所述铜管连接两集肤加热电缆的芯线和第三集热加热电缆的芯线，首个所述集热钢管与电源接线盒连接，且首个所述集肤加热电缆的芯线与电源控制柜的相线压接，所述电源控制柜的零线与电源接线盒内的接地螺丝压接；末个所述集热钢管尾端设有第二尾部接线盒，末个所述集肤加热电缆的芯线与第二尾部接线盒的接地螺丝压接，所述分支集热钢管尾部设有第三尾部接线盒，所述第三集肤加热电缆的芯线与第三尾部接线盒的接地螺丝压接。

2.根据权利要求1所述的一种带单线分支管伴热的集肤效应电伴热装置，其特征在于：还设有温度传感器，所述温度传感器设于集肤钢管外的被保温的工艺管道上，且所述温度传感器与集肤控制柜电连接，所述温度传感器对将各段集热钢管上的温度进行监测并反馈于集肤控制柜。

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