导热油电加热器的设计探讨

何垠均

（重庆川仪十七厂有限公司，重庆 400707）

近年来，随着国家在环保领域加大监管力度，密集出台各种相关政策保护自然环境，市场对环保产品的需求不断增大，国家出台各种配套政策，促进电加热产品市场的发展。

导热油加热器原本采用燃烧天然气的方式获得热量，随着电加热技术的发展，目前采用电加热替代燃烧天然气的应用领域越来越多，并逐步淘汰燃煤锅炉。

导热油电加热器技术由于其利于控制和监测，能够实现功率、温度的自由控制，能够满足各种介质对温度的不同需求，因电能转换为热能的效率高、热损耗少、节约能源、减少成本，因此越来越受到重视，其应用领域越来越广泛。

1 导热油电加热器工作原理

导热油加热器是一种环境友好型的热能转换设备。其工作原理是通过电热元件发热丝产生热量，在电加热器内部通过对流换热将热量转换到循环管路中的导热油，循环管路的导热油被循环泵强制循环流动，从而实现将热量运送到用热设备的目的。导热油电加热器运用PID 控制技术，对整个系统的温度、流量、压力、液位实时进行监控，当发现指标超出设定范围，系统自动报警并停止加热。

2 主要设备的设计

导热油加热器主要由电加热器、循环泵、膨胀槽、储油槽、温度仪表、流量仪表、液位仪表、压力仪表、控制柜、管道等组成。

2.1 电加热器

电加热器由容器、加热元件、折流板、接线盒等组成，电加热器为整个系统提供热量，是最关键的元件之一，电加热器由多支U 型电加热元件组成，为防止导热油在加热元件产生结焦，加热器内部流速不能过低，并且注意导流板布局的间距和方向。电加热器的功率采用功率调整器进行调节。为便于自动调整功率，在电加热器的出口安装一体化温度变送器监测导热油的实时温度，防止出口温度超过限制导致导热油变质。

2.2 膨胀槽

膨胀槽一般设置为卧式容器，导热油电加热器的膨胀槽有开式和闭式两种工作模式：当膨胀槽的内部空余空间用惰性气体填充时称为闭式系统；当膨胀槽与大气直接相通时称为开式系统，具体采用闭式系统或开式系统需要根据现场用户使用环境和工况综合确定。

膨胀槽的主要功能有三点：储存系统中导热油从常温加热到工况温度后膨胀的总量；在电加热器升温煮油过程中通过膨胀槽向外排出水蒸气等；平常需要储存足够多的导热油，如遇到突然停电等特殊工况时，需要利用膨胀槽的冷导热油将电加热器内的热导热油置换。

（1）设计温度。膨胀槽内的工作温度不得超过70℃，防止导热油接触空气高温氧化，膨胀槽禁止保温，设计温度为100℃。

（2）设计压力。设计压力不应小于0.6MPa。膨胀槽可以设计为开式也可以为闭式，在石油化工等特殊行业，膨胀槽一般采用闭式容器，容器内部通常导热油填充80%左右，其余部分采用氮气覆盖，防止导热油与空气直接接触导致氧化。容器内压力采用分程控制来保证。

（3）安装位置。一般膨胀槽安装在整个导热油电加热器的最高位置，并且要考虑导热油的饱和蒸汽压和泵的汽蚀余量。膨胀槽禁止安装在电加热器的正上方，并且与电加热器的距离大于1.5m，防止距离过短导致膨胀槽内导热油的温度超过70℃。膨胀槽与油气分离器的间距不能小于1m，避免循环管路的热量传递到膨胀槽。

（4）容积。膨胀槽的容积大于循环管路导热油膨胀的总量。膨胀槽容积一般按照整套系统总油量因加热膨胀而增加体积的1.3 倍计算。导热油受热膨胀量一般每升高100℃，近似膨胀10%，假如膨胀槽装填系数0.8，则有V2=1.3×V0×10%×(T2-T1)/100/0.8。

式中，T1为加热前导热油的温度，℃；T2为加热后导热油温度，℃；V0为系统的导热油总容积，m3。

（5）仪表。膨胀槽安装普通弹簧管压力表、双金属温度计、液位并送器等仪表，液位变送器需要设置有低液位报警、低低液位连锁功能和高液位报警功能，避免膨胀槽内的导热油过多或过少，防止外部空气进入导热油电加热器的循环管路。在正常工况时，膨胀槽应保持高液位状态，这样可以保证在停电等特殊工况时有足够多的导热油置换电加热器内的热导热油。

2.3 储油槽

按规定，导热油容积超过1m3的系统应当设置储油槽，通常采用卧式容器。储油槽有两个功能，一是能储备系统所需最大数量用油；二是能接受事故发生时系统热油的排放。

（1）设计温度。按导热油最高使用温度加30℃确定。

（2）设计压力。设计压力不应小于0.6MPa。

（3）容积。储油槽的容积应大于整个系统导热油总量的1.2 倍，储油槽容积为循环管路系统容积与膨胀槽容积之和，则储油槽的容积计算为：

式中，V1为储油槽的容积，m3；V0为整个系统导热油的体积，m3。

（4）安装位置。储油槽低于导热油电加热器的其他设备和管路，便于储油槽在设备检修时能装入整个系统的导热油。

（5）仪表、管件。需安装双金属温度计、普通压力表、磁翻板液位计等监测仪表，储油槽在平常工作时应保持在低液位状态，便于储存紧急情况排入的导热油。若膨胀槽和储油槽均为封闭容器且导热油电加热器发生超压时，储油槽设置的安全阀能够泄压保护设备的安全，将导热油气体或液体安全排放。

2.4 循环泵

循环泵是整个导热油电加热器的动力来源。需要设置两台，一用一备，保证导热油电加热器正常工作。循环泵进出口管路应进行应力分析，当应力超过许用值时，进出口应各装一个膨胀节或泵用波纹金属软管。循环泵的流量按导热油电加热器的需求流量的1.1 倍选取。

在循环泵的入口处应安装Y 型过滤器，以便过滤循环管路的金属残留物，防止残留物进入循环泵损坏叶轮，在循环泵的出口位置安装旋启式止回阀，防止导热油倒流。循环泵必须在确认循环管路的导热油温度低于70℃的情况下，才可以停止运行。

2.5 注油泵

注油泵的主要作用是将导热油送到储油槽和膨胀槽内；通过特殊管路设计，利用注油泵将整个导热油电加热器中的导热油排出；将储油槽内的导热油通过注油泵输送到膨胀槽内，通过膨胀槽及时补充循环管路所需的导热油。刚注油时，温度较低，导热油的黏度较大，推荐使用具有自吸能力的齿轮泵，入口装设过滤器，且定期清理。

2.6 仪表

导热油电加热器的仪表主要由热电偶/阻、压力表、孔板流量计、磁翻板液位计、双法兰液位变送器等组成，随时监控整个导热油电加热器温度、压力、流量、液位，当任何一个指标偏离设计指标后，通过系统PLC 控制停止导热油电加热器工作，保障整个设备的安全。

2.7 管路

导热油电加热器的管路主要由钢管、法兰、阀门、紧固件、垫片等组成。为保证热量损失，管路需要采取保温措施。管路设计时，采用热补偿的方式消除热应力。特别注意循环泵进出口采用波纹管膨胀节补偿，其他管路采用普通钢管弯曲弹性变形自然补偿。

2.8 控制柜

导热油电加热器控制系统为闭环负反馈系统。由温度仪表将检测的温度信号传递给智能PLC 进行PID 温度控制；PLC 输出4 ～20mA 的电流信号给可控硅触发器，触发器驱动可控硅进行正常工作，以此来控制导热油电加热器的输出功率。

导热油电加热器控制柜监测设备的压力、流量以及液位，并设置有压力、流量、液位报警连锁功能。

控制柜面板设置报警指示、操作、调节、显示等功能。内部设置保护、电源、信号转换、驱动等器件。

3 结语

随着导热油电加热器的使用越来越广，人们对其安全性越来越重视，只有充分认识到导热油电加热器的特殊性，了解其结构组成、特性、工作方式，才能设计出安全、合理的导热油电加热器。