摘要：国民经济众多领域装备，需对介质（油、气、水）加热至一定温度，方能满足工艺流程要求，使设备正常运转。电加热器是耗能大户，又具有一定的爆炸安全隐患，如何防爆、提高换热效果，最大限度节约能源，本文对其技术进行了探索。
关键词：电加热器；防爆；安全；节能
随着现代工业发展步伐的加快和人们生活质量的不断提高，电加热器的应用已渗透到国民经济众多领域和人们生活的方方面面，如家庭中使用的空调、热水器、电饭煲、电茶炉、微波炉、烘干机、电吹风等。应用于国民经济装备领域、行业有：（1）化工行业的化工物料升温加热，在一定压力下粉尘干燥、化工过程及喷射干燥。（2）碳氢化合物加热，包括石油、重油、燃料油、导热油、润滑油、石蜡等。（3）工艺用水、过热蒸汽、熔盐、氮（空）气、水煤气类等需要升温的流体介质。（4）核电、化工、军工装备、天然气、海洋平台、高端船舶、矿区等需防爆的场所。电加热器的广泛应用，既给人们带来实实在在的方便和福音，又促进了国民经济高速健康发展，但在应用中，人们最大期望是防爆安全，视安全为天，重于泰山；其次，是能耗低。这也是广大专业科技人员长期执着追求的目标。
1引爆致安全隐患的分析
经较长时间探索、分析，在电加热的全过程中，造成电加热器筒体爆炸的因素有如下几方面：（1）焊接面的焊缝多而分散，连接强度不够，工作时连接处易发生裂纹。（2）设计不合理。温度传感器不直接接触电热管，而是通过温度传感器护套将电热管温度传递给温度传感器。电热管温度与温度传感器不能同步显示，瞬时误差在8～10℃，超过了电加热器筒体承受的设定温度极限值。（3）温度传感器与电热管热胀冷缩率不一致，导致温度传感器损坏，失去其功能。（4）筒体上层未设自动调压装置。（5）人工操作控制加热温度，关键时稍有迟缓反应，时间差极有可能造成筒体温度超过其设定值。
2防爆安全的技术对策
2.1防干烧技术
我国是石油用量大国。2017年，中国石油用量6.1亿吨，进口4.2亿吨，70%及以上靠船运。在运输过程中，如不给船舱（罐）储存的原油加热，冻结不可避免。运油船靠岸后，无法将原油从船舱（罐）输送至炼油厂。因此，原油在海运过程中，必须由电加热器对其加热。根据船舱空间及位置设计，电加热器分为卧式、立式两种。船用卧式电加热器，使用侧装浮球防干烧装置。将侧装浮球壳体偏心焊接在卧式油腔筒体右端，侧装浮球壳体内安装一只长方形浮球，从头部绕侧装浮球可上下运动，当油面下降到设定界面时，卧式电加热器处于干烧状态，侧装路线同步断开，电加热器断电，停止加热。船用立式电加热器，设计顶装浮球防干烧装置。用二只中空管连接顶装浮球壳体和立式油腔筒体，顶装浮球壳体内安装两只圆形浮球。当油面下降到设定界面时，立式电加热器断电，停止加热。应用杠杆浮球原理设计的卧、立式防干烧装置，使船运原油安全可靠，有效地防止了因干烧致电加热器筒体爆炸的安全隐患。
2.2创新设计保护温度传感器技术
在温度传感器前端部使用卡子将电热管固定，温度传感器前端部分相应位置设计制作“Ω”形膨胀节，通过膨胀节的张与合，即可消除温度传感器与电热管在工作时产生的错位。从根本上解决了温度传感器与电热管工作时热胀冷缩率不一致而导致温度传感器损坏失去功能的技术瓶颈，确保了防爆安全效果。
2.3焊接工艺创新，增强防爆连接强度
经研究，拟将法兰板与防爆接线腔体、填充粉粒筒体、浇注树脂筒体、管板进行连接，它们之间只有四个圆周的焊接面，焊缝少而集中，连接强度高，使用过程中不会产生裂纹，能有效地达到筒体的防爆效果。
2.4结构设计
视实际工况要求，拟采用隔爆型，设计时止口型隔爆面宽度宜在25～40mm，最大间隙≤0.11mm，表面粗糙度6.3μm，采用“O”密封条密封。这样，在不影响防爆指数的前提下，确保了防护与防爆等级。
2.5自控放气减压装置技术
当电加热器筒体压力超过设定值上限时，设置在填充粉料筒体的阀门自动开启放气减压；当筒体压力下降到设定值下限时，阀门自动关闭。由此，筒体内压力始终处于设定值范围内，可消除安全隐患。
2.6智能控制温度设计技术
采用可控硅模块设计技术。一旦筒体介质温度低于设定值下限临界点时，可控硅模块按设定好的程序指使电加热器电源启动开启，温度上升；反之，可控硅模块就指使电加热器电源关闭。如此，电加热器筒体内介质温度永远处于设定值内，从而很好地解决了因加热温度低于设定下限值影响设备正常运转，高于设定温度上限值致加热器筒体引爆的严重后果。
2.7耐高压防爆筒体结构设计
在特殊工况下，电加热器筒体须承受30MPa压力，较常规承压高16MPa。为满足工况需求，对电加热筒体结构及制作工艺进行了创新设计。筒体一端开口，另一端为椭圆形封头结构，开口端与管板焊接。筒体采用无缝钢管，壁厚满足强度计算要求，主要受压元件优选16Mn，电热管选用316L不锈钢，其壁厚δ=1.5mm。管板采用Ⅲ级锻件，后切削成形，并与筒体形位公差吻合，用J507焊条焊接成完整筒体。可承受46MPa、30min无泄漏的高压力，完全可达到防爆效果。
3节能降耗技术实施
节能降耗、保护环境是国家一项基本国策。电加热器是耗能大户，如何在确保满足工况设定温度前提下，达到节能降耗、保护环境，拟进行如下技术实施。
3.1减少热能损耗技术
为使电热管散发的热量最低限度地流向大气空间，电加热器外层应设隔热保护措施，用有效的隔热制品包裹，再用热镀锌板包卷，四周用热镀锌铆钉将镀锌板牢固铆接在装置上，即可达到电加热器装置最外层表面温度与外界环境温度之差最小，减小热量无故损耗10%～15%。
3.2结构创新设计技术
电加热器筒体内设“U”形电热管组件，在其上方设置垂直于电热管且均布又相互错开的半圆形导流板。电加热器工作时，介质呈“S”形向下流动，延长了流动路线，充分带走了电热管表面热量。被加热的介质从筒体下部的出口流出送入工况装置。由此，可扩大传热面积10%，传热效率可达85%～90%。
3.3综合控制能耗降低技术
采用可控硅模块、杠杆浮球设计技术，当介质温度上升到设定值上限临界点时，自动关闭电源，可减少能耗5%，既节能又安全。
3.4零排放，节能环保技术
电热管护套与储油罐密封设计，更换电加热器被损件时，介质（油）可实现零排放，既节能又环保。
4结语
电加热器是国民经济装备和人们生活不可或缺的产品。如何使电加热器在国民经济装备中发挥更大作用，达到高效节能、高可靠安全，仍需持续创新。创新只有始点，绝无终点，它永远在路上。诚然，从某种意义讲，电加热器直接涉及到使用工况（温度、介质、压力、传热总量、污垢系数等）相关参数及材料学、力学、传热学、机械学、电工学等多门学科。只有将工况各参数合理匹配，各学科有机融合，方能使电加热器产品设计更科学，技术含量更高，中高端应用领域更广，在全球经济一体化的激烈竞争中游刃有余。
参考文献：
[1]GB3836.1-2010《爆炸性环境第1部分第2部分第3部分》.中华人民共和国国家产品质量监督检验检疫总局，2010.08.
[2]陆明福等.《防爆电加热器》发明专利证书号第950477号.中华人民共和国国家知识产权局.2012.05.03.
[3]刘彦丰,高正阳,梁秀俊.传热学[M].中国电力出版社，2015.02.
作者:黄永福 单位:镇江旭世机械设备有限公司