电阻式加热器概述及发展趋势

孙鑫

摘要：工业生产及科研试验中大量应用电加热器用于流体工艺介质的升温。随着技术发展，近年来市场上涌现了多种不同形式的电阻式电加热器，可适用各种不同需求场合。本文根据笔者建设航空发动机零部件地面试验器的调研及建设经验，重点介绍工业领域中近年来市场上涌现的对流式电阻加热器的类型、特点分析和发展趋势，以便在石油化工、电力、核、航空航天，以及发动机等领域工程建设过程中辅助指导加温器的工艺选型。

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.

关键词：电阻式;加热器;接触;非接触

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

0  引言

电加热器是将电能转化为热能的加热设备，因其环保、高效、占地小等优点，广泛用于建材、冶金、石油、化工、核电、航空航天等领域。较直接或间接加热的燃烧器加温器相比，电加热器具有升温快、控温精度高、能量密度高等特点，其按照加热机理可分为电阻加热、感应加热（电涡流）、电弧加热、电子束加热和红外线加热等。电阻式加热器又分为辐射式、熔盐式和对流式，其中对流式电阻加热器（本文简称加热器）多用于工业上加热介质为流体的场合。本文旨在重点介绍工业领域中近年来市场上涌现的对流式电阻加热器的类型、特点分析和发展趋势，以便辅助工艺设计过程中时加温器的选型。

1  加热器类型及特点分析

根据流体介质与通电发热元件（本文简称电热元件）的接触形式，加热器可分为接触式加热器和非接触式加热器两大类型。

1.1 接触式加热器

接触式加热器是指电热电阻元件与流体介质直接接触、并加热流体介质的加热器;具有换热效率高（98%左右），电热元件表面热负荷大（可达20-50W/cm2）;电热元件无蓄能结构，具有热惯性小，升/降温速度快、控温精度高的特点。按电热元件类型又可细分为加热丝、加热带、加热管等形式。目前，典型的接触式加热器为缠绕电阻丝加热器和金属管加热器。接触式加热器因介质与加热元件直接接触，为保证安全，严格限制了可用的流体介质仅能为空气，目前仅在数个航空航天领域内的风洞类地面试验台应用，模拟发动机内部的高温高压的运转工况。

1.1.1 缠绕电阻丝加热器

此类加热器的电热元件是电阻丝按照特殊的“蛇形”缠绕形式缠绕在具有凹槽的陶瓷棒上，电阻丝根据工况需求可选择镍铬合金或铁铬铝合金。此类加热器主要结构特点为流体介质直接通过内嵌陶瓷或特种非金属隔热层合金套管，与穿插裸露电阻丝直接接触对流换热;特殊的“蛇形”缠绕形式增强了流体介质的湍流度和接触面积，总体换热效率高，同等加温功率下体积小，但紧密排布的电阻丝为避免局部短路产生熔断，故要求气体介质中不能含有液态水，一般需在进气管道上增加相应的除水装置。对于加热介质为空气的情况，长时间使用会导致电阻丝氧化变细，进而导致电阻升高并熔断，限制了使用寿命。加热器及电热元件的结构形式如图1所示。

此類型加温器为某国外公司独创，成本竞争性差，实用案例中加热器单体功率未超过3MW，工作电压为660V，电阻丝的承诺寿命为5000小时，此类加热器仅适用于加热除水的空气和惰性气体，多用于对于加热器出口温度精度要求高但工作时数较少的航空航天科研试验领域，主要案例多在国外航空发动机试验台，尚未在其他工业领域大范围使用。需指出的是，此类加热器的电热元件的接线形式和电阻丝缠绕结构较为特殊，若出现需更换电热元件的需求，加热器整体需返厂维修。

1.1.2 双回流金属管加热器

此类加热器的电热元件一般为单管或双管合金钢管（如：高温合金钢，奥氏体不锈钢等）。加热器整体采用折流形式，加热元件通电，流体在合金钢管外壁对流换热，进行初次加热，再折流进入通电的合金钢管内，与内壁进行二次加热;加热器在内部结构上分为冷区和热区，冷区外壁承压不承温，热区承温不承压，一定程度上降低了外壳的设计难度及成本，但由于多次折流，压力损失较大。加热器及电热元件的结构形式如图2所示。

此种类型加热器于本世纪初由某国航空行业技术引进国产化后的产品，初期方案为单管加热，改进后可双管加热，虽多年消化吸收技术并再创新，国内部分研究单位有单体功率约13MW的加热器使用案例，但国内仅有少数工厂有生产业绩且大功率的案例要求较少，尚未形成完善的全生命周期的技术体系。

双回流金属管加热器结构简单，可根据工况进行模块化设计，通过增加合金钢管的长度从而增加换热时间，提高气体介质的出口温度;通过增加加热元件的数量从而增大气体流量，加热器单体功率最高可达13MW。工作电压可根据功率进行适配，220～3000V均有实用案例，但加温器通常选用叠层调节输出功率，需要定制多绕组的变压器和额外配置消除谐波的电气设备。同时因单电极接线内置，对于进气温度较高的介质，需要额外配置纯水冷却设备用于冷却电极。需指出的是，该类型加热器的电热元件的连接电路为串联结构，当某根电热元件出现故障断路时，整个加热器便需返厂维修。

1.2 非接触式加热器

非接触式加热器是指发热电阻元件与流体介质间接接触，发热电阻元件填充在绝缘导热材料中，外部包裹导热不锈钢保护层，流体介质与保护层通过对流换热从而对介质进行加热的加热器。此种类型加热器具有电热元件表面热负荷较低（约10W/cm2），占地面积大，升降温速率较慢、热惯性大的缺点，但是其适应性强，可适用于单一或者复杂的腐蚀性气体、液体或两相流。目前，典型的非接触式加热器可分为U形管加热器和螺纹管加热器。因此类型加热器通用性强，在航空航天领域，非接触式加热器多用于小功率的配套设备，如润滑油、燃油等可燃流体介质的加热，尚未有应用过大于2MW的工况。

1.2.1  双回流金属管加热器

该加热器电热元件为金属管（保护管）内铺设一根或者多根电阻发热元件（电阻丝），并填充绝缘导热体氧化镁粉，结构如图3所示。每个电热元件内一般布置一根螺旋电阻丝，通过U型形成闭合回路。单个电热元件的输出功率较低，生产商模块化生产不同长度等级的电热元件，一般通过增加电热元件的数量提高可加热的介质流量，针对不同的温升需求选择不同长度规格的电热元件。若遇到温升超过单根电热元件所允许的最大之后，通过加热器串联的方式以实现更高的输出温度。

U形管加热器是传统结构形式的电加热器，其按照结构形式可分为法兰式和风道式，结构形式如图4所示。法兰式U形管加热器多适用于高压力小功率的加热情况，单台加热器功率一般不超过2MW;而风道集束式适用大流量、低压力的应用场合，气体压力一般不超过0.3MPa。

U型管电加热器因结构简单、适用性广的特点，已大量应用于石油、化工、电力等工业领域，生产商众多，市场竞争能力强，可适配多种电压。但因为加温元件中的大量氧化镁粉，导致系统热惯性较大，控温精度差。因经过多次换热和发热电阻丝的温度限制，多适用于加热温度在600℃以内的应用场合。

1.2.2 螺纹管加热器

国外某公司对加热器整体结构和电热元件进行优化，将绝缘导热材料氧化镁替换为绝缘导热性更强、热熔低的氮化硼，并且在单个电热元件中加入多根发热电阻丝，电阻丝可在电热元件内自行折回，形成通电回路，电热元件无需制成“U”字型。同时在金属管表面压制大量的“凹槽”，增加换热面积和通过增加湍流度的方式提高换热效率，表面功率密度可达到约50w/cm2。在保护安全的方面，较其他几种加热器通过测量介质温度的方式进行超温断电保护，此种加热器在电热元件内增加温度传感器，可直接测量电阻丝的温度，通过控制电源的输出功率保护电阻丝，从而避免电阻丝超温熔断，提高加热器的可靠性。加热器及电热元件的结构形式如图5所示。

此类加热器整体结构与双回流金属管加热器相似，采用折流形式，流体在合金钢管外壁对流换热，进行初次预热，再折流进入合金钢管内，与电热元件进行二次加热。由于介质多次折流，压力损失较大。此外，在出口段由于流体介质温度较高，其出口段外壳需采用强度更高的高合金钢。此类加热器由于单根电热元件中敷设多根加热丝，相较于其他非接触式加热器，其产生单位热量所需的体积和质量低，降低了设备的热惯性，提高了温升速率和控温精度，规避了一些U形管加热器的常规缺点。此类型加热器由于可靠性高，适用性广，控温精度高，多用于核电、石化领域中关键工艺加热，多用于液体加热，在气体加热领域应用较少，且适配电压尚无大于690V的案例。

2  加热器发展趋势

目前，加热器一般是结合用户实际需求的定制化产品，这需要加热器厂家具备较强的技术实力。为了降低设计成本，加热器厂家多采用模块化设计，同时为了应对不同的需求和应用场合，一直在电热元件、加热器内部结构、电气和控制等方面进行创新，以提高加热器的热效率和适用性。

2.1 电热元件的发展趋势

电热元件作为加热器的核心部件。电热元件所用材料一般要求电阻率大、电阻温度系数小，在高温下变形小且不易脆化。常用的有铁铬铝合金、镍铬合金等金属材料，石墨、碳化硅、二硅化钼等非金属材料。随着新材料、新技术的发展，电热元件呈百花齐放的态势，各种材料、各种结构形式的电热元件层出不穷。不同加热元件结构和材料如图6所示。

部分厂家也会针对原有电热元件进行改进，以提高電热元件表面热负荷。如螺纹管加热器，将绝缘导热材料氧化镁替换为绝缘导热性更强、热熔低的氮化硼，降低了电热元件的热惯性;同时在电热元件内增加温度传感器，避免电阻丝超温熔断，提高了加热器的可靠性。

2.2 电热元件的发展趋势

加热器整体结构改进也是目前加热器发展趋势之一，主要包括内部结构、内部支撑件和电热元件连接端子等方面的创新。

加热器壳体需承温承压，材料要求高、设计难度大，散热严重，需外部严格保温。为了降低设备散热和设计难度，加热器内部结构采用分区设计，分为冷区和热区，如图2和图5所示，冷区壳体承压不承温，热区承温不承压，这样既可以降低加热器壳体设计难度及成本，又可以降低设备散热，提高设备电热转化效率，但由于多次折流，压力损失较大。

U形管加热器一般通过增加壳体长度、采用两段及以上的壳体折叠、设置折流挡板等方式以增加流体介质在加热器内的停留时间。如图7所示，为了克服折流挡板流场死区问题，对折流挡板也多有改进;图7-B所示，将折流挡板做成稍小挡板并降低折流挡板间距，虽能减小死区范围，但仍不能消除流场死区问题;图7-C所示，将折流挡板做成镂空形式，可完全消除流场死区问题，但流程中湍流度降低，降低了换热效率，同时也增加了加热器整体压力损失;图7-D所示的折流挡板形式，不仅可以消除流场死区问题，还可以提高流体介质湍流度，进而提高了流体介质的换热效率。

U形管加热器和螺纹管加热器的电热元件端子连接方式一直是该类型加热器的薄弱点之一。传统的连接方式是直接焊接，虽可降低泄露的风险，但更换电热元件时较为困难，有时会造成不可修复的损坏。结合用户实际需求、应用场合和加热器维修的便捷性，目前多数厂家采用不同的接线端子连接方式，具体如图8所示。

2.3 电控方面的发展趋势

电气和控制方面的改进是加热器重要的发展趋势之一，主要包括电气供电、设备保护、温度控制等。

在电气供电方面，部分厂家由原来的低压供电改为中高压供电，如国外某供应商为应对海上石油平台在有限的空间内安装问题，推广出了工作电压为4166V的电加温器，具有工作电流小、安装空间小和成本低等特点，但所有电气设备的保护等级需相应升高。

对于电加温调功装置，主要在降低调功叠层调节带来的谐波、减少过零调节产生的电流冲击的方面进行工艺、控制逻辑的优化，从而减少设备对上游电网电能质量的影响。

在温度控制方面，加热器出口温度控制精度是加热器重要的性能指标，其改进方向一般集中在加热器温度控制调功柜输出功率的逻辑程序上的优化创新和提高电热元件表面热负荷。在来流稳定的条件下，一般加热器均可实现出口温度控制精度在±3K之间，部分加热器出口温度精度可以达到±1K。

在安全防护方面，大多数电热器采用测量出口介质温度的方法进行自保护，但此种方式不能反映出电热元件的温度，在温升高、流量小的工况下，容易导致电热元件超温熔断。越来越多的测温手段应用在加温器的超温保护中，如非接触单管加热器直接将测温传感器直接埋在内部，直接测量电热元件的内部温度;在加温器出口直接红外测温装置，直接测量电热元件外表面的温度。

3  总结

随着新技术、新材料的应用和国内外工业体系的交流，越来越多的新型电加热器投入市场中，新型加热器虽较传统类型的加热器有诸多优点，但需充分考虑加热器设备的综合性能。工艺人员需根据不同行业不同系统的工艺特点进行加热器的选型和使用。

参考文献：

[1]江尧忠著.工业电炉[M].北京：清华大学出版社，1993.

[2]王秉铨著.工业炉设计手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]刘美慧.高温电加热过程模拟分析[D].中国海洋大学，2008.

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