Принцип работы саморегулирующего греющего кабеля. Принцип работы саморегулирующегося греющего кабеля: особенности конструкции и применения

Как устроен саморегулирующийся греющий кабель. Какие преимущества он имеет перед другими типами нагревательных кабелей. В каких сферах применяется саморегулирующийся кабель. На что обратить внимание при выборе и монтаже саморегулирующегося кабеля.

Устройство и принцип работы саморегулирующегося греющего кабеля

Саморегулирующийся греющий кабель имеет уникальную конструкцию, которая позволяет ему автоматически регулировать выделяемое тепло в зависимости от температуры окружающей среды. Основные элементы такого кабеля:

• Две параллельные токопроводящие жилы
• Полупроводящая матрица между жилами
• Изоляция
• Экранирующая оплетка
• Внешняя защитная оболочка

Ключевым элементом является полупроводящая матрица, изготовленная из полимера с добавлением углерода. При подаче напряжения на жилы, в матрице возникает ток, вызывающий нагрев. С повышением температуры сопротивление матрицы увеличивается, что приводит к снижению тока и, соответственно, выделяемого тепла.

Преимущества саморегулирующихся греющих кабелей

Саморегулирующиеся кабели обладают рядом важных преимуществ по сравнению с резистивными нагревательными кабелями:

• Автоматическая регулировка мощности нагрева
• Возможность использования кабеля любой длины
• Локальное изменение тепловыделения
• Высокая безопасность и надежность
• Простота монтажа и эксплуатации

Эти особенности делают саморегулирующиеся кабели оптимальным выбором для многих систем обогрева. Однако у них есть и некоторые ограничения, которые нужно учитывать при проектировании.

Области применения саморегулирующихся греющих кабелей

Саморегулирующиеся греющие кабели широко применяются в различных сферах:

• Обогрев трубопроводов и резервуаров
• Системы антиобледенения кровель и водостоков
• Обогрев технологического оборудования
• Поддержание температуры в системах пожаротушения
• Подогрев полов в жилых и промышленных помещениях

Особенно эффективно их использование в условиях низких температур, где требуется надежная защита от замерзания.

Ключевые характеристики саморегулирующихся кабелей

При выборе саморегулирующегося кабеля важно учитывать следующие параметры:

• Номинальная мощность на погонный метр при 10°C
• Максимальная рабочая температура
• Максимальная допустимая длина цепи
• Сечение токопроводящих жил
• Пусковой ток

Эти характеристики определяют эффективность и безопасность работы кабеля в конкретных условиях эксплуатации. Рассмотрим их подробнее.

Особенности монтажа и эксплуатации саморегулирующихся кабелей

Для обеспечения надежной и эффективной работы саморегулирующихся кабелей необходимо соблюдать ряд правил при их монтаже и эксплуатации:

• Обеспечить хороший тепловой контакт кабеля с обогреваемой поверхностью
• Правильно выбрать сечение питающего кабеля и номинал автоматического выключателя с учетом пускового тока
• Надежно загерметизировать концы кабеля для защиты от влаги
• Учитывать материал обогреваемого объекта (металл или пластик)
• Не превышать максимальную рабочую температуру кабеля

Соблюдение этих правил позволит избежать преждевременной деградации греющей матрицы и обеспечит долгий срок службы системы обогрева.

Влияние условий эксплуатации на работу саморегулирующихся кабелей

Эффективность работы саморегулирующихся кабелей может значительно зависеть от условий эксплуатации. Основные факторы, влияющие на их работу:

• Температура окружающей среды
• Теплопроводность обогреваемого объекта
• Наличие и качество теплоизоляции
• Циклы включения-выключения
• Воздействие влаги

Учет этих факторов на этапе проектирования системы обогрева позволит обеспечить оптимальную работу кабеля и избежать проблем в процессе эксплуатации.

Выбор оптимального саморегулирующегося кабеля для конкретной задачи

При выборе саморегулирующегося кабеля для конкретной задачи необходимо учитывать несколько ключевых факторов:

• Требуемую мощность нагрева
• Диапазон рабочих температур
• Длину обогреваемого участка
• Материал и диаметр трубопровода
• Условия окружающей среды

Правильный выбор кабеля обеспечит эффективную работу системы обогрева и оптимальное энергопотребление. Рекомендуется консультироваться с производителем или специалистом по системам электрообогрева для подбора оптимального решения.

Работа греющего кабеля — принцип работы саморегулирующегося нагревательного кабеля

Саморегулирующийся нагревательный кабель – это простой и в тоже время удобный инструмент для создания разнообразных систем нагрева. Такой кабель можно использовать для обогрева:

• Систем трубопровода
• Емкостей и резервуаров
• Оборудования
• Водосточных труб
• Террариумов и аквариумов (в сочетании с терморегулятором)

Главная особенность саморегулирующегося нагревательного кабеля – возможность самостоятельно менять уровень тепловыделения в зависимости от температуры окружающей среды.

Принцип работы саморегулирующегося кабеля

Устройство такого кабеля отличается простотой. Теплорегуляция достигается за счет свойств полимерной нагревательной матрицы. При уменьшении температуры в любой части матрицы увеличивается её показатель проводимости тока, следовательно, элемент нагревается сильнее.

Это позволяет регулировать температуру без дополнительных терморегуляторов и существенно упрощает конструкцию. Такой принцип работы греющего кабеля позволяет обеспечить:

• Долговечность и надежность
• Возможность использовать его в любых условиях
• Простота подключения (можно просто включить в розетку и заземлить)

Очень часто самонагревающийся кабель можно использовать без термостатов и датчиков тепла, если вам не нужен строгий контроль и возможность быстро менять температуру (например, в террариумах).

Устройство саморегулирующегося нагревательного кабеля

Греющий саморегулирующийся кабель состоит из несколько частей:

• Два параллельных провода, обеспечивающих напряжение по всей длине
• Греющая полимерная матрица
• Несколько слоев изоляции
• Заземление
• Оплетка из металла для экранирования и механической защиты от повреждений

Такая простая конструкция делает кабель устойчивым к повреждениям различного рода и позволяет обеспечить высокий срок службы.

Преимущества саморегулирующегося нагревательного шнура

Помимо простоты и надежности такой кабель имеет целый ряд преимуществ по сравнению с греющими шнурами других принципов действия:

• Однородное нагревание по всей длине греющего элемента
• Устойчивость к скачкам напряжения
• Возможность выполнить перехлест кабеля
• Отсутствие ограничений по длине

Среди недостатков можно выделить сравнительно высокую стоимость погонного метра кабеля. Также такие кабели выпускаются большими мотками и часто без заводских соединительных муфт, сальников, трубок для изоляции и других элементов. Вам нужно будет докупить все эти детали отдельно.

Маркировка кабелей с саморегулирующимся нагревательным элементом

Главный показатель, отображающий мощность работы кабеля, – это количество тепловой энергии в ваттах, которая выделяется с одного погонного метра при температуре в +10 градусов Цельсия . Часто это число отображается в названии кабеля.

Буквы СТ , CF или СR означают, что кабель экранирован, и его можно использовать в бытовых помещениях. Кабель без медного экрана можно устанавливать только на промышленных объектах, где к нему ограничен доступ.

Сфера применения нагревателя с саморегулирующей греющей матрицей

Условно можно выделить три основных сферы применения таких шнуров:

• Для частных хозяйств (обогрев водопровода, канализации, водостока)
• Для коммерческого сектора (обогревание систем пожаротушения, труб, систем водоотводов)
• В промышленных помещениях (для работы в условиях агрессивной среды и повышенной опасности)

Их может отличать заявленный срок службы, материал матрицы и степень защиты изолирующего материала. Дороже всего обходятся кабели, предназначенные для работы на производстве.

Промышленный саморегулирующийся греющий кабель характеристики и особенности применения

Саморегулирующиеся греющие кабели в системах электрообогрева

ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЗОР: Основные проблемы и особенности применения и эксплуатации саморегулирующихся греющих кабелей в системах промышленного электрообогрева нефтегазовой отрасли.

Введение

В настоящее время для обогрева технологических объектов нефтегазовой отрасли широкое распространение получили системы промышленного электрообогрева. В реализации и последующей эксплуатации данных систем участвуют множество специалистов различных специальностей, но в технической литературе данный вопрос освещен, мягко сказать, недостаточно.

В данной статье мы не будем пытаться охватить все типы нагревательных элементов, применяемых для построения систем электрообогрева, а остановимся на особенностях применения саморегулирующихся греющих кабелей (лент), как наиболее быстроразвивающихся и популярных в настоящее время источников тепловой энергии. Вся имеющаяся в наличии информация о саморегулируемых греющих кабелях зачастую получается специалистами проектных и эксплуатирующих организаций только от производителей данного рода кабелей, которые в один голос говорят: «Наша продукция отличного качества и практически лишена недостатков, за исключением, возможно, немного высокой стоимости по отношению к другим типам нагревательных элементов!». Попытаемся разобраться, так ли это на самом деле, и какие недостатки присущи саморегулирующимся греющим кабелям.

Учитывая важность работы систем электрообогрева промышленных объектов в общей инфраструктуре предприятия, вопрос понимания основных технических особенностей применения и эксплуатации саморегулирующихся греющих кабелей позволит ответственным специалистам эксплуатации и проектных организаций:

• Получить в результате проектирования и строительства технически обоснованную, безопасную и бесперебойно работающую систему электрообогрева.
• Снизить затраты на покупку кабельной и вспомогательной продукции.
• Снизить затраты на последующую эксплуатацию системы.
• Снизить затраты на электроэнергию в рамках программы энергосбережения объекта.

Особенности конструкции и принцип действия саморегулирующихся греющих кабелей

Важнейшим шагом в развитии систем электрообогрева стало изобретение и начало производства нагревательных кабелей на основе эффекта саморегуляции. Это изобретение было сделано в ходе изучения свойств проводящих угленаполненных пластмасс. Выделяемые мощности таких кабелей существенно ниже, чем у резистивных лент, но благодаря появлению эффективных теплоизоляционных материалов, данной мощности достаточно для решения широкого спектра вопросов обогрева технологических объектов.

На данной диаграмме схематически показаны области применения различных типов кабелей в зависимости от температуры объекта нагрева и длины кабельной линии.

В связи с тем, что основные преимущества и недостатки саморегулируемых греющих кабелей вытекают из их конструктивных особенностей, рассмотрим данный вопрос более подробно.

По схеме тепловыделения данные кабели относятся к следующему типу – саморегулирующиеся кабели (ленты) с тепловыделением в проводящей полимерной матрице или проводящих пластмассовых элементах.

Саморегулирующиеся кабели имеют, как правило, овальную форму и следующую типовую конструкцию: две параллельные токопроводящие жилы, покрытые слоем полупроводящего, наполненного углеродом полимера, так называемой матрицей. Поверх матрицы укладываются слои электрической изоляции, экранирующая оплетка и защитная оболочка.

Полупроводящую матрицу можно условно представить в виде очень большого числа сопротивлений, подключенных параллельно токопроводящим жилам. При подаче напряжения на токопроводящие жилы в полупроводящей матрице возникает ток, вызывающий выделение тепла. За счет выделения тепла материал матрицы расширяется и контактные связи между отдельными частицами углерода нарушаются. Сопротивление матрицы растет, ток уменьшается. Через некоторое время ток и температура стабилизируются. Сопротивление матрицы, приведенное к одному метру кабеля, обычно составляет несколько сот Ом.

Благодаря данным свойствам саморегулирующиеся нагревательные кабели обладают следующими уникальными свойствами:

• Могут использоваться при подключении на полное напряжение любыми длинами от минимальных (десятки сантиметров), до предельно допустимых. Данное свойство особенно ценно, когда заранее не известна длина обогреваемого трубопровода.
• Способны изменять свое тепловыделение локально. Если на обогреваемом объекте в какой-либо зоне температура повышается, то тепловыделение кабеля в этой зоне падает. Данное свойство значительно повышает безопасность системы обогрева и упрощает процесс монтажа, поскольку допускается сближение и пересечение кабелей друг с другом.

Данные положительные характеристики рекламируют практически все производители и поставщики. Попытаемся, однако, разобраться в определенных недостатках и особенностях данной продукции. Для этого рассмотрим основные технические характеристики саморегулирующихся лент, их связь между собой, влияние на надежность и на другие немаловажные характеристики проекта системы электрообогрева.

Характеристики саморегулирующегося нагревательного кабеля

Напряжение питания, Вольт

Некоторые производители просто указывают диапазон напряжения питания, к примеру: 220 – 275 Вольт, без дополнительных комментариев и таблицы коэффициентов перерасчета выделяемой мощности в зависимости от напряжения питания. Дело в том, что номинальная мощность, указанная в документации и рекламных проспектах производителей, нормируется при напряжении питания не 220, а 230 или 240 Вольт. Данное напряжение нужно уточнять у производителя. 

Момент первый. Отклонения питающего напряжения должны учитываться для оценки мощности, выделяемой саморегулирующимся кабелем. Производители предлагают специальные таблицы с коэффициентами для пересчета выделяемой мощности в зависимости от отклонения напряжения питания от величины 230/240 Вольт. К примеру, для некоторых моделей кабелей данный коэффициент равен 0,9. Соответственно, при напряжении питания 220 Вольт погонная мощность данного кабеля снизится на 10%. Этот факт нужно обязательно учитывать в момент проектирования.

Момент второй. Для каждой марки саморегулирующего кабеля установлены ограничения по величине питающего напряжения. К примеру, для кабелей, рассчитанных на напряжение 230 Вольт, недопустимо питающее напряжение, превышающее 275 Вольт. Повышение питающего напряжения (например из-за ошибок монтажа иногда на нагревательную секцию подается напряжение 380 Вольт) вызывает усиленное выделение тепла в матрице и ее скорую деградацию и полное прекращение нагрева, т. е. выход кабеля из строя.

Номинальная мощность погонного метра кабеля, Вт/м при указанной температуре в градусах Цельсия

В связи с тем, что это основная техническая характеристика данного изделия, остановимся на ней наиболее подробно.

Существенная зависимость мощности тепловыделения от температуры диктует определенные правила нормирования и измерения тепловой мощности. Мощность саморегулирующейся ленты нормируется при следующих стандартных условиях – отрезок измеряемого кабеля устанавливается на металлической трубе диаметром не менее 50 мм. так, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт. По трубе прокачивается охлаждающая жидкость с температурой 10 ± 0,5 °С. (в отдельных случаях измерения проводят при 5 °С). Труба с кабелем закрывается тепловой изоляцией толщиной не менее 20 мм. Номинальная мощность, указанная в каталогах производителей – это мощность, измеренная в стандартных условиях. Для снятия зависимости мощности от температуры необходимо задавать и поддерживать соответствующую температуру трубопровода.

Зависимость мощности от температуры снимается на подобной установке не менее, чем при трех значениях температуры трубопровода. Кривые зависимости мощности конкретных марок кабелей от температуры, приводимые в каталогах фирм-поставщиков, показывают зависимости мощности тепловыделения от температуры трубы, а не от температуры кабеля. Это весьма существенный момент, который следует учитывать при применении саморегулирующихся лент. На следующем рисунке показана подобная зависимость для кабеля марки BTV2-CT фирмы Tyco — Raychem.

При других условиях, например при плохом контакте с обогреваемым объектом, выделяемая саморегулирующимся кабелем мощность не будет соответствовать справочной кривой. Если саморегулирующийся кабель, свободно подвесить в воздухе, то за счет ухудшения условий теплоотдачи измеренная мощность будет примерно на 30% меньше нормируемой.

Вывод: Важно обеспечить должный контроль над проведением монтажных работ на объекте для обеспечения необходимого качества работ. В противном случае система электрообогрева на основе саморегулирующихся кабелях будет функционировать с падением мощности по отношению к проектной и данный факт приведет к существенному перерасходу электроэнергии.

Пусковой ток греющего кабеля, Ампер

Саморегулирующиеся кабели помимо номинальной мощности и зависимости мощности от температуры трубы характеризуются величиной удельного пускового тока в зависимости от температуры в момент включения. Это такое значение тока, приведенное к одному метру кабеля, которое имеет место в момент включения питания. Пусковой ток в основном спадает в течение первой минуты, но полная стабилизация занимает примерно 5 минут. Максимальная абсолютная величина пускового тока определяется длиной нагревательного кабеля, температурой объекта и конструкцией конкретного нагревательного кабеля.

Преимущественная область применения саморегулирующихся кабелей – обогрев трубопроводов и резервуаров, эксплуатируемых при отрицательных температурах окружающего воздуха. Как правило, запуск систем выполняется, когда и трубы и тепловая изоляция холодные. Для целей проектирования и расчета характеристик системы обогрева в момент пуска и эксплуатации требуется знать свойства саморегулируемых лент при низких температурах. Исходя из их конструкции, можно сделать вывод, что чем ниже температура, тем ниже сопротивление нагревательной матрицы кабеля и тем выше пусковой/стартовый ток.

В связи с тем, что технические характеристики автоматов защиты от короткого замыкания, перегрузок по току, защиты от утечек на землю, сечение питающих кабелей, а следовательно и их цена напрямую зависят от величины пускового тока, проектным организациям и конечным заказчикам следует обращать на данный момент пристальное внимание.

Ниже по тексту представлены результаты исследований трех марок кабелей в диапазоне от +10 до – 40 °С. Кабель 23ФСЛе2-СТ преимущественно устанавливается на трубопроводах диаметром до 100 мм. Кабель 31ФСР2-СТ находит применение при обогреве более крупных трубопроводов. Оба кабеля устойчиво работают под напряжением при температуре не более 65 °С. В отключенном состоянии способны выдерживать до 85°С. Среднетемпературный кабель 55ФСС2-СФ имеет теплостойкую матрицу, а изоляция и оболочка выполнены из фторполимеров.

Краткие характеристики исследованных кабелей приведена в следующей таблице.

Исследования зависимости характеристик от температуры были выполнены в климатической камере. При этом была обеспечена такая циркуляция воздуха в камере и остальные условия эксперимента, при которых значения мощности, измеренные в камере, были близки к результатам, полученным на стандартизованной установке. Измерения проводились при температурах: +10; +3; 0; -10; -20; -30; -40°С. Каждая марка кабеля была представлена тремя образцами. По достижении заданной температуры образец выдерживался в камере в течение 1 часа. Затем на образец подавалось номинальное напряжение. Фиксировался стартовый ток и его снижение по мере разогрева кабеля. Типовой вид таблицы измеренных значений показан ниже.

На следующем рисунке показаны графики снижения пускового тока кабеля 23ФСЛе2-СТ построенные по данным данной таблицы. С понижением температуры растет как пусковой, так и установившийся ток. Наблюдается также незначительный рост коэффициента пускового тока.

Помимо установившихся значений мощности для всех кабелей определены коэффициенты пусковых токов, знание которых поможет при проектировании систем обогрева, использующих саморегулирующиеся кабели. Средние значения пусковых и установившихся токов и значения Кпт (коэффициента пускового тока) приведены в следующей таблице.

Основные выводы по результатам данных исследований:

• Чем ниже температура, тем выше пусковой ток.
• Для некоторых типов кабеля пусковой ток может быть в шесть с лишним раз выше установившегося тока.
• С понижением температуры растет значение установившегося тока.

Из прилагаемой таблицы можно сделать вывод, что пусковой ток при -20 ° Цельсия намного превосходит рабочий ток при поддерживаемой температуре. Дело в том, что саморегулирующиеся кабели характеризуются большими коэффициентами пусковых токов. Для нормальной работы подсистемы питания должны использоваться автоматы серии С, а длина секции не должна быть больше допустимой для заданной температуры холодного пуска. Соответствующие рекомендации приводятся в технических описаниях.

Для снижения значений пусковых токов и одновременного уменьшения номиналов автоматических выключателей и сечений питающих силовых кабелей рекомендуется использовать специализированные устройства управления системой электрообогрева.

Сечение токоведущей жилы, миллиметров квадратных

От величины сечения токоведущей жилы напрямую зависит длина нагревательной секции. Применение кабеля с большим сечением токоведущей жилы позволит увеличить длину нагревательной секции, сократить количество нагревательных секций для обогрева трубопроводов значительной длины и, соответственно, сократить количество вспомогательных электроустановочных изделий (соединительных коробок, питающих кабелей и. т.), т. о. сэкономить на материалах и монтажных работах.

Максимальная рабочая температура, градусов Цельсия

Не нужно путать данную температуру с температурой нагрева кабеля в процессе соморегуляции. Дело в том, что саморегулирующий кабель:

• Во-первых, нагревается неравномерно по всей длине в зависимости от неравномерности передачи тепловой энергии обогреваемой поверхности;
• Во-вторых, распределение температуры в самой полупроводящей матрице происходит весьма неравномерно. Диаграмма данного процесса представлена на следующем рисунке.

Соответственно, максимальная рабочая температура саморегулирующего кабеля – это максимально возможная температура именно технологического процесса, а иначе обогреваемой поверхности, превышение которой потребитель не должен допускать в процессе эксплуатации. Если, к примеру, максимальная рабочая температура кабеля составляет 200 °C, то конструкция подсистемы управления обогревом должна исключить превышение указанной температуры обогреваемой поверхности, когда кабель находится во включенном состоянии. В выключенном состоянии кабель может подвергаться кратковременному воздействию температуры 250 °C. Однако это воздействие в сумме не должно превышать 1 000 часов.

Превышение указанных значений приведет к быстрой деградации полупроводящей матрицы и частичному (иногда и полному) снижению тепловыделяющей способности кабеля, соответственно неэффективной работе всей системы электрообогрева и перерасходу электроэнергии.

Минимальная температура окружающей среды, градусов Цельсия

Минимальная температура окружающей среды – это минимальная температура, при которой еще допускается эксплуатация изделия. Рассматривая данную техническую характеристику саморегулирующего кабеля можно заметить весьма любопытный момент. В технической документации, а порою и в сертификатах соответствия, данная температура производителями не указывается. Либо указывается -40 °C, что для проектов, расположенных в Сибири и районах крайнего севера совершенно не достаточно. У небольшого числа производителей минимальная температура окружающей среды составляет требуемую -55/-60 °C, но таблицы расчета максимальной длины обогреваемого контура составлены на минимальную температуру -40 °C. На этот момент следует обратить особое внимание при выборе производителя, модели саморегулирующегося греющего кабеля и подсистемы управления.

Окно мощности – отклонение выделяемой мощности от номинального значения, выраженное в %

Саморегулирующиеся кабели производятся с некоторым отклонением по мощности от номинального значения. Данный разброс может составлять до +/-30% от номинального значения. По понятным причинам многие производители не указывают данную техническую характеристику в своей документации. Для потребителя применение кабеля с широким окном мощности будет означать либо перерасход греющего кабеля на стадии проектирования, либо перерасход электроэнергии на стадии эксплуатации системы электрообогрева.

Влияние условий эксплуатации на стабильность саморегулирующихся кабелей

Герметизация кабеля в процессе монтажа

Как показали испытания, саморегулирующая матрица чувствительна к наличию влаги и к циклам «нагрев-охлаждение». При этих испытаниях образец кабеля 23ФСЛе2-СТ длиной 3 метра с одним не заделанным концом погружался в воду, а затем замораживался в камере холода до температуры -5 °C. Потеря мощности после каждого цикла замораживания составила 10%. Данный эксперимент показал насколько важно обеспечить надежную герметизацию концов саморегулирующей секции.

Влияние теплопроводности обогреваемых объектов на срок эксплуатации

Результаты исследований показывают, что низкая теплопроводность пластикового трубопровода при обогреве саморегулирующимися кабелями весьма значительно влияет на тепловой режим нагревательного кабеля и самого трубопровода. При постоянной прокачке воды с температурой 8 °С, температура матрицы нагревательного кабеля, установленного на пластиковом трубопроводе, на 12,6 °С. превышает температуру матрицы такого же кабеля, обогревающего стальной трубопровод.

В случае остановки потока воды кабель, установленный на стальном трубопроводе, надежно обеспечивает поддержание требуемой температуры. Температура матрицы несколько повышается за счет ухудшившейся теплоотдачи, при этом наличие жидкости в трубопроводе или ее отсутствие практически не ощущается. Проведенные исследования показывают, что при построении систем обогрева пластиковых трубопроводов особое внимание следует уделить технологическому циклу функционирования трубопроводов. Если ожидаются длительные остановки прокачки жидкости, то необходимо провести расчет возможной потери мощности саморегулирующегося кабеля и принять меры, обеспечивающие улучшение теплопередачи от кабеля к трубе, например, за счет использования обмотки металлической фольгой и применения теплопроводящих паст, а возможно, предусмотреть установку более мощного кабеля. В период остановки прокачки жидкости по пластиковому трубопроводу должен быть усилен контроль за температурным режимом. Данные мероприятия следует проводить для снижения температуры рабочей матрицы кабеля и ее преждевременной деградации.

Что означает деградация греющей матрицы кабеля? Деградация означает снижение тепловыделяющей способности (падение мощности) греющего кабеля. Кабель с дефектами греющей матрицы может частично (или полностью) терять тепловыделяющие свойства на некоторых участках кабеля, т.е некоторые участки кабеля будут выделять тепло (нагреваться), а некоторые нет. В таком случае система обогрева будет работать с падением проектной мощности, что может привести, в худшем случае, либо к перемерзанию обогреваемого оборудования, либо к существенному перерасходу электроэнергии.

Надежность греющих кабелей

В основном, на вопрос о надежности продавцы и производители заявляют следующее:

• Наша продукция производится на самом современном оборудовании, при строгом контроле качества.
• Некоторые из наших кабелей эксплуатируются без замечаний десятки лет на тех-то и тех-то объектах.

Достаточно ли для потребителя данной информации?

Рассмотрим более подробно вопросы обеспечения надежности кабельных нагревательных элементов. Надежность кабелей определяется их способностью выполнять свои функции в заданных условиях в течение заданного времени. Основная задача конкретного кабельного изделия определяется его назначением и конструкцией. Нагревательные кабели предназначены для выделения теплового потока заданной удельной мощности. Потеря работоспособности у лент наступает при каких-либо отказах. Типичными видами отказов нагревательных кабелей являются: обрыв токопроводящих элементов, нарушение целостности изоляции и защитных покровов, возрастание сопротивления проводников выше предельно допустимых норм, деградация греющий полупроводящей матрицы и соответствующее снижение тепловыделяющей способности.

Принимая во внимание, что снижение тепловыделяющей способности — это основополагающий дефект нагревательного кабеля, влияющий на работу системы электрообогрева, рассмотрим следующий показатель надежности нагревательных лент — минимальная наработка.

Минимальная наработка

В приложении к кабелям это понятие подразумевает период времени, в течение которого в кабельном изделии не должно быть отказов. При этом вероятность случайных отказов крайне мала и они вызваны конструкторско-технологическими недоработками или нарушениями условий эксплуатации. Показатель минимальной наработки рекомендуется устанавливать в виде одного из значений стандартизованного ряда: минимально 500 часов и максимально более 150 000 часов. Допускается устанавливать наработку в виде числа циклов — например, циклов включения – выключения.

Для саморегулирующегося кабеля число циклов включения – выключения весьма важный фактор, определяющий старение полупроводящей греющий матрицы.

При разработке новых кабельных изделий для оценки их надежности принято проводить прямые испытания на надежность с целью подтверждения минимальной наработки длительностью 1000 часов. Отобранные для испытаний образцы подвергают воздействию повторяющихся испытательных циклов. Последовательность воздействий в каждом испытательном цикле и количество циклов должны быть определены в программе испытаний. Количество испытываемых образцов, необходимое для подтверждения вероятности безотказной работы изделия на уровне 0,9 при достоверности 0,9 составляет 22 образца. При такой постановке испытаний предполагаемое число отказов (так называемое приемочное число) должно быть равно нулю. При допущении одного отказа требуется выборку увеличить до 37 образцов. Испытания для получения большей вероятности безотказной работы требуют значительного увеличения числа образцов, а следовательно больших затрат. Подтверждение наработки большей, чем 1000 часов, существенно увеличивает трудоемкость испытаний.

Для подтверждения наработки 1000 часов рекомендуется запрашивать у производителя нагревательных кабелей результаты проведения испытаний для подтверждения указанного выше показателя надежности.

Обманчивая иллюзия абсолютной надежности кабельных изделий снижает внимание потребителей к таким вопросам как облегчение режимов работы и постоянный мониторинг основных параметров в процессе ведения технологического процесса. Основная доля отказов кабельных изделий возникает при эксплуатации изделий в недопустимых режимах, из-за недопустимых воздействий, имевших место при монтаже, либо при наличии производственных дефектов. Технологическая надежность, определяемая однородностью характеристик изделия и стабильностью технологических процессов, не учитывает динамики изменения характеристик нагревательных элементов и других составляющих систем обогрева с течением времени. При достаточно интенсивном нагреве лент и одновременном воздействии внешней среды (температура, влага, вибрации и удары и др.) происходит старение полимерных покрытий, окисляются проводники. Периодически следующие циклы нагрева и охлаждения в процессе эксплуатации могут вызывать нежелательные механические напряжения и деградацию нагревательной матрицы.

Системы управления греющим кабелем

Практически все системы электрообогрева, кроме самых примитивных, оснащаются набором датчиков температуры, тока, напряжения, управляющими приборами и системами сбора информации. Назначение подсистем управления (далее по тексту системы управления) – не только поддерживать заданный алгоритм работы системы, но и предоставлять обслуживающему персоналу информацию о ее функционировании.

Рассматривая имеющиеся в настоящее время системы управления электрообогревом, можно прийти к парадоксальному выводу: предприятия-заказчики используют в качестве систем управления технологическим процессом самые современные системы от ведущих производителей, а в качестве систем управления электрообогревом используются самые примитивные системы на основе простейших капиллярных термостатов. Однако, в случае взрывозащищенного исполнения, капиллярные термостаты предлагаются производителями за весьма существенные деньги.

Системы управления электрообогревом с применением капиллярных термостатов

Рассмотрим типичную схему управления цепью нагрева на основе саморегулирующегося греющего кабеля с применением капиллярного термостата.

Элементы структурной схемы:

1. Линия электропитания.
2. Автоматический выключатель (защита от перегрузок по току и тока короткого замыкания).
3. Устройство защитного отключения/устройство дифференциального тока (УЗО).
4. Термостат.
5. Чувствительный элемент термостата/датчик температуры.
6. Кабель питания нагревательной секции.
7. Соединительная коробка.
8. Нагревательный кабель.
9. Обогреваемый трубопровод.

Недостатки системы управления с применением капиллярных термостатов:

• Необходимость установки дополнительных дорогостоящих устройств УЗО.
• Отсутствие мониторинга и выявления тенденций роста величины тока утечки на землю в процессе эксплуатации. Факт выхода из строя нагревательного кабеля в зимний период существенно усложнит проведение ремонтных работ и вызовет сбои в работе технологического оборудования.
• Отсутствие контроля перегрева обогреваемой технологической поверхности в процессе ведения технологического процесса при котором температура может превысить максимальное значение для данного типа саморегулирующегося нагревательного кабеля, что приведет к преждевременному выходу кабеля из строя.
• Отсутствие контроля недогрева обогреваемой поверхности в процессе ведения технологического процесса при котором температура может снизиться ниже допустимого значения для данного технологического процесса. Не нужно путать данную температуру с температурой включения нагревательного элемента.
• Отсутствие контроля минимального значения тока потребления нагревательной секции.
• Отсутствие контроля максимального значения тока потребления нагревательной секции.
• Отсутствие функции ограничения пускового тока, т.е. ступенчатой подачи питающего напряжения на обогревательный кабель, находящийся при низкой температуре для ограничения величины пускового тока.
• Отсутствие функции мониторинга основных параметров работы нагревательного кабеля в период летнего отключения системы электрообогрева.
• Отсутствие функции мониторинга затрат электроэнергии на работу системы электрообогрева для определения эффективности ее работы в рамках программы энергосбережения предприятия.

Вывод:

Системы управления электрообогревом на основе саморегулирующегося греющего кабеля с применением капиллярных термостатов могут применяться на неответственных участках с небольшим количеством нагревательных секций и малопригодны для контроля и мониторинга электрообогрева основных технологических объектов нефтегазовой отрасли.

Учитывая вышеизложенную информацию об особенностях конструкции и эксплуатации саморегулируемых греющих кабелей, можно сделать ввод о необходимости применения в качестве систем управления электрообогревом специализированных систем. Поскольку затраты на устранение неполадок, ремонт и замену нагревательных секций, издержки от простоя увеличиваются с размером промышленного объекта, вышеуказанные системы могут быть рекомендованы к применению в процессе нового строительства или могут быть добавлены в течении последующей эксплуатации.

Системы управления электрообогревом с применением специализированных контроллеров

Элементы структурной схемы:

1. Линия электропитания.
2. Автоматический выключатель (защита от перегрузок по току и тока короткого замыкания).
3. Контроллер, рассчитанный для управления 10-ю цепями нагрева.
4. Датчики температуры.
5. Кабель питания нагревательной секции.
6. Соединительная коробка.
7. Нагревательная лента.
8. Обогреваемый трубопровод.
9. Интерфейсный модуль.
10. Распределенная система управления технологическим процессом (РСУ).
11. Автоматизированное рабочее место (АРМ).

Читать продолжение статьи

Что на самом деле означает «саморегулирующийся»

(Часть нашего сборника статей «Все, что вам нужно знать о нагревательном кабеле»)

Одним из наших продуктов, который вызывает больше вопросов, чем большинство других, является саморегулирующийся нагревательный кабель . Слово «саморегулирующийся», по-видимому, означает, что кабель достигает определенной заданной температуры и остается при ней до тех пор, пока на него подается питание, что с пользой устраняет необходимость в любом термостате или других средствах контроля температуры. К сожалению, реальность с саморегулирующимся кабелем сложнее. В некоторых случаях регулятор температуры не нужен, но в большинстве случаев важно включить в систему регулятор, чтобы избежать траты электроэнергии и денег, а также избежать неизбежных сбоев.

Не совсем «саморегулирующийся»

Первое, что нужно знать, это то, что термин «саморегулирование» на самом деле несколько вводящий в заблуждение, придуманный много лет назад первоначальным создателем продукта. Более точно его можно описать как «самоограничивающийся». Его основное преимущество перед стандартным нагревательным кабелем заключается не в том, что он поддерживает определенную рабочую температуру, а в том, что он не может нагреться настолько, чтобы перегреться и повредить себя. Другими словами, кабель устроен таким образом, что по мере того, как он становится более горячим, он пропускает все меньше электричества, пока в какой-то момент — где-то ниже температуры, которая может привести к повреждению кабеля — электричество полностью перестанет течь и кабель перестал греться.

Что именно он делает?

Нагревательный кабель имеет четыре-пять слоев из разных материалов: Большинство из этих слоев говорят сами за себя. Внешняя оболочка (присутствует не на всех кабелях) служит для защиты кабеля от влаги и механических повреждений, а металлическая оплетка электрически заземляет кабель. Внутренняя пластиковая изоляция фактически является основным слоем электрической изоляции между нагревателем, работающим под напряжением, и внешней стороной, а провода шины служат средством подключения нагревателя к источнику питания.

Проводящая сердцевина — это место, где происходит реальное действие самоограничения. Этот сердечник изготовлен из специального пластика, который является электропроводным при низких температурах и изолирующим при высоких температурах. Такое поведение делает его так называемым элементом PTC, что означает «положительный температурный коэффициент» — это означает, что по мере повышения температуры увеличивается и сопротивление. («Коэффициент» в данном случае равен k в уравнении R  =  kT , где R — сопротивление, T — температура, а k — постоянное соотношение между ними. Это уравнение является чрезмерным упрощением реальной операции, но оно иллюстрирует общую идею.) Тепло исходит от сопротивления пластика: когда электричество течет через резистивный пластик, часть его поглощается пластиком и превращается в тепло, в значительной степени точно так же электричество поглощается вольфрамовой катушкой лампы накаливания и превращается в свет.

Как это сделать?

Это довольно хитрый инженерный трюк и материал, из которого изготовлен сердечник. Во-первых, обратите внимание, что положительный и отрицательный провода шины на самом деле нигде не соприкасаются. Это означает, что все электричество для замыкания цепи проходит через сам проводящий сердечник. Внутри этого сердечника миллионы микроскопических электрических дорожек протекают от одного провода шины к другому через матрицу сердечника, и каждый из этих контуров имеет небольшое сопротивление, превращая его в классический резистивный нагревательный элемент. Сердцевина становится горячее и начинает нагревать вашу рабочую нагрузку — и, как и большинство материалов, она физически расширяется при нагревании. Однако на микроскопическом уровне он расширяется несколько неравномерно, открывая щели в матрице, и эти щели разрывают некоторые крошечные электрические пути. Чем горячее становится ядро, тем больше оно расширяется, тем больше щелей открывается в матрице и тем меньше цепей замыкается. Наконец, при некоторой температуре в матрице слишком много зазоров, чтобы пропустить какой-либо ток, и кабель перестает выделять тепло.

Так зачем мне контроль?

Энергосбережение

Самая главная причина – энергия. Допустим, вы используете саморегулирующийся кабель, чтобы предотвратить замерзание водопроводной трубы. При правильной установке кабель, безусловно, предотвратит замерзание воды, но этим дело не ограничится. Он будет продолжать качать тепло в трубу и воду; Между тем, большая часть этого тепла будет забираться обратно из системы из-за резкой разницы температур между трубой и наружным воздухом (если только у вас не очень толстая изоляция), а также воды, протекающей по трубе. И поэтому кабель не достигает своей температуры отключения. На самом деле, он, скорее всего, будет оставаться при довольно низкой температуре — именно там, где он потребляет больше всего энергии. Ситуация еще хуже, если кабель находится в желобе или на крыше без изоляции. Если вы работаете от сети, вы увидите шокирующе высокие счета за электроэнергию; если вы работаете от батареи (скажем, от солнечной батареи), утром вы можете обнаружить, что ваша батарея разряжена, а трубы замерзли.

Забывчивость

Другая причина — человеческая забывчивость. Когда становится тепло, нагревательные кабели чаще всего отключают или отключают от сети (на сезон или только на день), чтобы сэкономить энергию. Нам всем хотелось бы думать, что мы не забудем снова включить кабель, когда снова станет холодно, но опыт научил нас, что человек, вероятно, является наименее надежным механизмом переключения. И достаточно один раз забыть, чтобы в конечном итоге получить замерзшие трубы или ледяные дамбы, и в этот момент вы обычно проходите точку, где вам может помочь нагревательный кабель.

Точность

И последняя причина — точность. Саморегулирующийся кабель на самом деле довольно часто используется в промышленных приложениях, где необходимо поддерживать температуру в определенном диапазоне. В этих случаях он указан именно из-за присущей ему функции верхнего предела, которая устраняет опасения по поводу перегрева кабеля и его повреждения, а также рабочей нагрузки. Но было бы ошибкой думать, что «саморегулирующийся» кабель может отрегулировать систему точно до температуры, указанной в его спецификации, даже в пределах широкой зоны нечувствительности. Точная достигаемая температура зависит от многих сложных переменных, и неточная регулировка на входе только за счет выбора кабеля никогда не позволит достичь точности, которую может обеспечить даже простой термостат, измеряя фактически произведенное тепло.

В целом единовременная стоимость регулятора температуры почти наверняка перевесит затраты на высокие счета за электроэнергию, время простоя, замену труб или водосточных желобов и любые другие затраты, которые могут возникнуть из-за неконтролируемого нагревательного кабеля. Если вам нужна помощь в выборе правильного типа терморегулятора или вы хотите узнать больше, вы всегда можете связаться с нами: пообщаться с инженером по телефону (866) 685-4443, , написать нам по адресу info @oemheaters.com или заполните одну из наших контактных форм. Мы здесь, чтобы помочь со всеми вашими вопросами.

Все, что вам нужно знать о системе обогрева

Что такое система обогрева?

У вас возникли проблемы с лопнувшими трубами или замерзшими поверхностями? Не особенно знакомы с системами обогрева? Ты не один. Однако не стоит беспокоиться. Мы подробно расскажем обо всем, что нужно знать о системах обогрева и нагревательных кабелях.

В течение почти столетия люди во всем мире полагались на различные варианты электрообогрева для защиты от перегрева. Тепловой обогрев использует электричество и изоляцию для поддержания или повышения температуры труб или других сосудов, заменяя любое тепло, теряемое из-за внешних температур. Система электрообогрева защищает трубы и резервуары от повреждения замерзанием, поддерживая при этом идеальные температуры, чтобы гарантировать, что вам никогда не придется жертвовать эффективностью ради потерь тепла.

Первоначально существовавшая как кабели с минеральной изоляцией, производящие тепло от электрического тока, создающего сопротивление, этой оригинальной технологии не хватало контроля и возможности регулировки. Почти 50 лет назад мы стали свидетелями первого производства кабеля для трассировки «нарезанного по длине». С тех пор и по настоящее время благодаря развитию технологий системы электрообогрева развились от кабелей с минеральной изоляцией в металлической оболочке (MI) до саморегулирующихся кабелей обогрева, доступных сегодня. Саморегулирующийся кабель обогревателя представляет собой решение с самоограничением и нарезкой по длине, которое составляет большую часть современного рынка. Эти системы электрообогрева предлагают решения для любых задач, от защиты труб до обогрева почвы.

Неэффективные процессы нагрева могут замедлить производство, что приведет к потере времени и денег. Повреждение продуктов, вызванное отрицательными температурами или неправильным нагревом, является болезненной ошибкой. Системы электрообогрева созданы для того, чтобы исключить ошибки.

Цель этой статьи — предоставить вам достаточную информацию для понимания основ обогрева и его компонентов, а также ознакомиться с передовыми методами проектирования системы защиты от замерзания.

Выезд:

• Обычное использование
• Как работает обогреватель?
• Что такое саморегулирующийся обогреватель?
• Насколько горячим становится обогреватель?
• Может ли тепловой след касаться самого себя?
• Как долго служат кабели?

 

Общее применение:

В холодные зимние месяцы трубы, по которым транспортируются жидкие вещества, могут подвергаться воздействию низких температур и повышенной вязкости. Обогрев чаще всего используется для защиты труб от замерзания в зимних условиях. Эти системы чаще всего используются для защиты воды от замерзания, поскольку вода в любом процессе или на любом объекте имеет решающее значение.

Кроме того, обогрев позволяет оптимально контролировать поток и вязкость транспортируемых жидкостей, позволяя пользователю регулировать температуру внутри труб, что, в свою очередь, улучшает и упрощает вашу работу.

Защита труб от замерзания — не единственное применение. Вот некоторые другие распространенные области применения:

•  Системы снеготаяния на тротуарах, подъездных путях и внутренних двориках
• Защита содержимого бака от замерзания
• Вспомогательные инструменты работают в более благоприятных условиях окружающей среды.

Какими бы ни были ваши потребности, глубокое понимание систем обогрева поможет вам выбрать вариант защиты от непогоды, который подходит именно вам.

 

Как работает обогреватель?

Это простое объяснение распространенной проблемы. Если вы имеете дело с трубами, подверженными риску замерзания, вам подойдет система электрообогрева. Электрический элемент или кабель электрообогрева (см. рисунки ниже) устанавливается по длине трубы. Этот нагревательный кабель вырабатывает тепло для поддержания или повышения температуры поверхности трубы, и при установке с хорошей системой изоляции у вас есть отличное решение.

Как выглядит типичная система электрообогрева? Завершенная система начинается с источника питания. Кабели обогрева располагаются по всей длине поверхности трубы, иногда удерживаются на месте обычно с помощью высокотемпературной ленты. После прикрепления и трубы, и нагревательные кабели покрываются изоляционным кожухом для минимизации потерь тепла. Системами электрообогрева можно управлять с помощью простого термостата или датчика температуры, такого как терморезистор, который обеспечивает обратную связь с более распространенным ПИД- или ПЛК-контроллером. Эти системы будут контролировать и регулировать температуру обогревателя. Кроме того, большинство из них оснащены различными типами мониторов, чтобы помочь пользователю наблюдать за выходной мощностью. Большинство нагревательных кабелей, приобретенных отдельно, можно обрезать до нужной длины, а затем объединить с комплектами для заделки и сращивания/тройника2 для завершения системы.

Примечание. Выходная мощность обогревателя измеряется в ваттах на погонный фут. Напряжение нагревательного кабеля варьируется от 120 до 277 В переменного тока и от 3 до 20 Вт на погонный фут.

 

Что такое саморегулирующийся обогреватель?

Важным различием, которое необходимо понимать, является разница между обогревателем постоянной мощности и саморегулирующимся обогревателем. В системе электрообогрева постоянной мощности равномерное и неизменное тепло передается по всей системе. При любой температуре окружающей среды будет выделяться одинаковое количество тепла.

В саморегулирующейся системе обогрева тепловая мощность определяется температурой поверхности, на которой установлен обогреватель. Более горячая поверхность уменьшит выходную мощность, более холодная поверхность позволит производить больше мощности. Хотя разница проста, понимание каждой из них важно для определения того, какая система обогрева подходит именно вам.

Еще одним преимуществом саморегулирующегося кабеля является то, что его можно накладывать на себя. Когда другие типы теплотрасс, такие как кабель постоянной мощности или кабель с минеральной изоляцией, перекрываются или касаются друг друга, в нем образуется горячая точка, и он перегорает. Кабель саморегистрации этого не сделает.

Так как же это работает? Технология саморегулирующегося обогрева автоматически регулирует выходную мощность в соответствии с изменениями температуры, к которой она подключена. Эта технология начинается на микроскопическом уровне. Самая внутренняя часть кабеля, называемая токопроводящей сердцевиной, состоит из углеродного полимера, который реагирует на изменения температуры.

При снижении температуры поверхности сердцевина сжимается, что увеличивает общее количество электрических путей, что в свою очередь приводит к увеличению температуры. И наоборот, по мере повышения температуры наружного воздуха сердцевина расширяется, уменьшая количество электрических дорожек и снижая общую выходную мощность кабеля.

 

Насколько сильно нагревается обогреватель?

Насколько сильно нагревается обогреватель? Кабель MI может выдерживать температуру около 1000 F, в то время как кабели постоянной мощности обычно могут выдерживать температуру выше 400F. Саморегулирующийся кабель обычно имеет 2 различных предложения, в диапазоне от 150 F до более 400 F поддержания температуры.

Если вы живете или работаете в районе, где часто бывают отрицательные температуры, многие из ваших основных вариантов обогревательных кабелей общей мощности не будут достигать температуры, достаточной для защиты от замерзания труб. В очень холодных погодных условиях, около 20 ° F или ниже, нагревательные кабели изо всех сил пытаются предотвратить образование льда.

Системы обогрева с постоянной мощностью различаются по мощности и выходной мощности. Обычный саморегулирующийся нагревательный кабель может принимать напряжение 120, 208, 240 и 277 В переменного тока и иметь мощность 3-20 Вт на фут. Кабель постоянной мощности обычно работает при том же напряжении, но его максимальная мощность составляет около 12 Вт на фут. Нагревательный кабель MI может выдерживать однофазное напряжение до 480 В, а на самом деле может выдерживать чуть более 1000 F.1

Может ли нагревательный элемент касаться самого себя?

Обогреватель постоянной мощности и кабель MI не могут пересекаться или касаться друг друга. Когда тепловой след постоянной мощности пересекается сам с собой, тепло только увеличивается. При прокладке нагревательных кабелей постоянной мощности к трубам или другим поверхностям убедитесь, что они не пересекаются и находятся на достаточном расстоянии друг от друга. Однако саморегулирующиеся кабели обогрева могут приспособиться к этому повышению температуры, что делает их безопасными для пересечения или перекрытия.

Однако, как и в любой электрической системе, всегда существуют потенциальные опасности при использовании обогревателя или нагревательных кабелей. Для достижения наилучших результатов лучше всего профессионально установить системы обогрева, независимо от того, используете ли вы нагревательные кабели или нагревательную ленту.

 

Каков срок службы нагревательных кабелей?

В то время как ожидаемый срок службы кабелей обогрева зависит в основном от интенсивности использования, 3-5 лет — это довольно распространенный срок службы. Обогреватель может продолжать выделять тепло, но со временем эта теплоотдача может уменьшиться, что может привести к потенциальному отказу.

Вот несколько советов по увеличению срока службы систем обогрева.

1.   Убедитесь, что ваша утепленная куртка эффективна и хорошо сидит. Свободная теплоизоляционная оболочка увеличивает необходимую выходную мощность и рабочую нагрузку термокабеля. Без дыр и зазоров.