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摘要：自20世纪70年代末，很多工业部门广泛推广了电伴热技术，电伴热技术普遍采用在管道及设备保温上，本文介绍了管道及设备保温电伴热带的发展背景、原理及组成，着重对电伴热带的设计、选型及计算进行了分析和讲解，可作为工程中电伴热带的设计参考和指导。
关键词：管道电伴热带 热损失 恒功率
Abstract: since the nineteen seventies end, many industrial departments to popularize electric heat tracing technology, electrical heating technique is widely used in the pipeline and equipment insulation, this paper introduces the development background, principle and composition of piping and equipment insulation cable, the cable design, selection and calculation. Analysis and explanation, can be used as a design reference and guide the cable engineering.
關键词：管道 电伴热带 热损失 恒功率
Keywords: with tropical electric pipe heat loss constant power
中图分类号： TU81 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
一、前言在工业管道保温方面蒸汽伴热一直是一种主要的保温方式。其工作原理是通过蒸汽伴热管道散热以补充被保温管道的热损失。由于蒸汽的散热量不易控制，其保温效率始终处于一个较低的水平。而且，工业需要伴热的管道一般以仪表管线、工艺管线及化学管线为主，这些管线比较复杂，铺设蒸汽伴热管道十分不便。
20世纪70年代，美国能源行业提出用电伴热方案来替代蒸汽伴热的设想。70年代末80年代初，包括能源业在内的很多工业部门已广泛推广了电伴热技术，以电伴热全面代替蒸汽伴热。电伴热技术发展至今，已由传统的恒功率伴热发展到以导电塑料为核心的自控温电伴热。
二、电伴热带的分类
电伴热系统由下列三部分组成：电伴热变压器、电伴热控制盘、电伴热带及附件。
电伴热带分变功率（自限式）和恒功率两种
变功率自限式电热带
由导电聚合物和两条平行金属导线及绝缘层构成。其特点是聚合物具有很高的电阻正温度系数特性，且相互并联；能随被加热体系的温度变化自动调节输出功率，自动限制加热的温度。可以任意截短或在一定范围内接长使用，并允许多次交叉重叠而无高温度点及烧坏之虑。特别是用于要求打开水龙头就能供应合格热水的高级宾馆、高级娱乐场所。一般情况下，可不配温度控制器，仅在温度控制精度要求很高场合才配温控器。温控器的选择和安装要求与恒功率电热带相同。
变功率电热带分屏蔽型和加强型。腐蚀区应采用加强型。
图2.1变功率自限式电热带结构图图2.2变功率自限式电热带工作原理
电伴热带的内芯两侧为铜导线。正常工作时，线间加有220V电压，两线之间产生热量的部分由半导电塑料制成，其导电率随环境温度的变化而变化。当环境温度升高时，其阻值上升，产生的热量降低，当环境温度升高到一定值时，半导电塑料内电流降到最小值，伴热带产生的热量接近于零，电伴热带的工作原理如图2. 2所示。
恒功率电热带
恒功率电热带单位长度的发热量恒定，温度不能自控调节。必须与温控器同时配合使用。电伴热专用温控器能使温度得到有效的自动调节。适用于给排水管道设备保温与防冻的恒功率电热带发热体并联型和串联型两种。
（1）并联型恒功率电热带是一种利用两根（220v）或三根（380v）并行的绝缘通信线做母线，在其绝缘表面上缠绕电阻丝，并将该电热丝每隔一定距离（即发热节数）与母线交叉联接，形成连续并联电阻。母线通电后，各并联电阻发电，形成一条连续的加热带。
（2）串联型恒功率电热带是有一种由芯线做发热体的电热带，在具有一定电阻的芯线上通过电流，芯线发出热。由于芯线单位长度的电阻和通过的电流，在整个长度上是相等的，所以各处的发热量也是相等的，形成一条连续的、发热量均匀的电热带，不会像并联型电热带随着使用长度的增加造成尾端功率降低。
图2.3 串联式电热带构造图 图2.4单相并联式电热带构造图图2.5三相并联式电热带构造见图
三、电伴热设计及选用
1、电伴热带应用范围
以下几种情况可选用电伴热方式：
1） 管道直径较小，且配管复杂；
2） 物料的输送温度控制要求严格；
3） 不能就近得到蒸汽；
4） 非金属管道或防腐非金属衬里管道；
5） 蒸汽伴热施工困难之处。
电伴热带可使用在管道、贮槽、容器等各种表面上，且可适用于以下环境中：
1） 工区爆炸危险场所和非爆炸危险场所；
2） 含有腐蚀性介质的环境；
2、电伴热带选用原则
电热带一般用于管道伴热，也可以缠绕在小型容器上伴热。
串联式电热带由于其设计功率必须在施工前与现场配管实际长度进行核实，常常引起设计修改，一般不宜选用。
并联式电热带有普通型和加强型。加强型电热带是在普通型电热带外层再包复一层绝缘材料。它的机械强度高、防腐力强。但导热性能略低于普通型电热带。它适合埋地或有腐蚀气体的场合。
3、热损失计算
3.1 管道热计算
伴热的意义是利用电热带产生的热量来补偿管道散失到环境的热量，以维持管道的温度。为了计算管道散失到环境的热量，应确定以下五个参数：
TM——管道内流体必须维持的温度 （℃）；
TＡ——当地最低的环境温度（℃）（历年一月份平均最低温度平均值）；
管道尺寸；
保温层种类和厚度；
管道是在室内或室外，地上敷设或埋地敷设。
上述参数确定后，可按下述步骤计算管道散失到环境的热量QB：
第一步：计算温差△T
△T=TM-TA
第二步：从标准图集中查出管道单位时间的散热量QB（W／m）。如果管道在室内，将QB乘上0.9。如果被伴热管道是塑料管道，由于塑料的导热性远低于金属，应再乘0.6～0.7系数。
第三步：散热量QB值是以玻璃纤维保温材料计算的，如果使用其它保温材料，应按表3.1-1提供的保温系数（f）进行修正。即：
QT=QB×f
QT是管道真正的单位时间散热量以瓦特／米（W／m）表示。
以管径DN100的钢管，外包30mm厚发泡聚氨酯，环境温差24℃时，内差法计算管道管道散失到环境的热量QB ：
通过图集查表，分别得到20，30℃时的管道散热量14.5,21.8w/m；
QB=14.5+(21.8-14.5)/(30-20)*(24-20)=17.41w/m
表3.1-1 绝热材料系数f
进行修正。即：
QT=QB×f
QT是管道真正的单位时间散热量以瓦特／米（W／m）表示。
QT=QB×f=17.42×0.89=15.5
3.2电伴热带选型及长度确定
1、电伴热带的选型依据
不同的生產厂家，其电热带产品规格、型号、特性是不相同的。应根据生产厂提供的产品说明书选型。
选择电热带的型号和长度应根据以下七项参数：
Tc——管道最高持续性的操作温度（℃），一般考虑为管道内流体需维持的温度TM
（℃）。
Ti——管道偶然性的最高操作温度（℃），例如蒸汽、热水或热油扫线时的温度。
QT——管道在TM温度时每米的散热量（根据第三节计算）。
供电电压
电伴热带使用环境
阀门、法兰和管架的数目与种类
需要伴热的管道结构特点
2、计算所需电伴热带总长度
一个电源所能联接的最大电热带长度定义如下：
图3.1 最大电热带长度示意图
如图所示：L1＋L2＋L3≤最大电热带长度
电热带总长计算如下：
管道部分
在计算管道部分需要的电热带时，如果电热带每米放出的热量足够补偿管道单位散热量，电热带长度与管道长度相同，另外要预留一米长供接电源使用。如果电热带的单位放热量少于管道单位散热量，就需要增加电热带数目或采用缠绕方式。
当采用缠绕方式时，每米管道电热带的长度等于每米管道散热量除以每米电热带的放热量之值。电热带缠绕的间距L，按其管径查图集。
图3.2电热带缠绕间距L
弯头部分
每个弯头需电热带长度等于管道公称直径（m）的两倍。
法兰部分
每个法兰需电热带长度等于管道公称直径（m）的三倍。
阀门部分
每个阀门需要的电热带长度按表3. 3确定
表3.3 阀门需要的电热带长度
每个管托处需要的电热带长度等于管托的宽度的2倍加500mm。
每个U型管卡处需要的电热带长度等于管子外径周长。
以上五部分之和即为计算所需的电热带总长度。然后配上适当的配件（见产品说明），则电伴热带系统选型即告完成。
四、有关例题
某工程中室内热水管道伴热设计
工程要求室内热水管道热水维持温度T0=50℃，偶然性操作温度65℃，室内空调最低温度16℃，管道通过普通区。工程中采用的管道伴热电压220v，管径DN100，管道长50m，官道上有3个闸阀，8对法兰(包括阀门的6对)，5个管架。保温层材料为泡沫橡塑(λ=0.038w/m·℃，0℃时)，厚30mm，确定电热带的长度、功率和选型。
第一步，计算温差△t。 △t=T0-Ta=50-16=34℃
第二步，计算管道散热量QB。经查表，当△t=30℃，QB=21.8w/m，△t=40℃，QB=29.0w/m。采用内差法得：
QB=21.8+[(29-21.8)÷(40-30)]×(34-30)=24.68w/m。
第三步，计算实际散热量QT，根据式：
QT=f×QB，查表得f=1.23
QT=1.23×24.68=30.36w/m
第四步，计算电热带总长度L：
a.变功率电热带，查电热带产品相关说明可知，选用45ZXW-P-220型（中温屏蔽型）变功率电热带比较合适，并从电热带产品相关说明查出10℃时，每米输出功率45w/m，50℃时输出功率28.8w/m，小于散热量QT=30.36，因此选择45ZXW-P-220时，需要确定安装系数30.36、28.8=1.06
电热带总长度如下：
管道部分：l1=50×1.06=53m
法兰部分：l2=8×(2×0.215)=3.44m(0.215法兰盘直径)
闸阀部分：l3=3×1.3=3.9m(1.3系数，查表得)
管架部分：l4=5×3×2×0.15=4.5m
总长度：L=l1+l2+l3+l4+l5=53+3.44+3.9+4.5+2=66.84m
查电热带产品相关：
Ta=10℃，Lmax=65m，20A开关；Lmax=96m，30A开关，电热带实际总长度66.84m，选用30A开关。电热带可以任意切割。
总功率N=L×QT=66.84×30.4=1924w。
b.恒功率电热带
已知QT=30.4w/m，查电伴热编制说明，选用两根DCR-17型，17w/m，每根长80m。
恒功率电热带平行敷设，配备DCR-Ⅱ-UN4803型电子温控器。
电热带总长度2×80=160m。
总功率N=160×17=2720w。
五、结语
随着电伴热系统的发展，自控温电伴热带已逐渐成为工业生产中的管道采用的主要保温设备，自控温电伴热带的使用极大提高了保温的效率，这是电伴热系统未来发展趋势。同时，在设计方案中有效地进行管道热计算，合理选择电伴热带形式，准确地核算电伴热带的设置长度，掌握这三部分电伴热带设计的核心内容，才能优化管道保温的设计方案，实现电伴热系统的节能设计。
参考文献
1 管道和设备保温、防结露及电伴热；
2 建筑设计防火规范（GB50016-2006）
关键词：管道电伴热带 热损失 恒功率
Abstract: since the nineteen seventies end, many industrial departments to popularize electric heat tracing technology, electrical heating technique is widely used in the pipeline and equipment insulation, this paper introduces the development background, principle and composition of piping and equipment insulation cable, the cable design, selection and calculation. Analysis and explanation, can be used as a design reference and guide the cable engineering.
關键词：管道 电伴热带 热损失 恒功率
Keywords: with tropical electric pipe heat loss constant power
中图分类号： TU81 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
一、前言在工业管道保温方面蒸汽伴热一直是一种主要的保温方式。其工作原理是通过蒸汽伴热管道散热以补充被保温管道的热损失。由于蒸汽的散热量不易控制，其保温效率始终处于一个较低的水平。而且，工业需要伴热的管道一般以仪表管线、工艺管线及化学管线为主，这些管线比较复杂，铺设蒸汽伴热管道十分不便。
20世纪70年代，美国能源行业提出用电伴热方案来替代蒸汽伴热的设想。70年代末80年代初，包括能源业在内的很多工业部门已广泛推广了电伴热技术，以电伴热全面代替蒸汽伴热。电伴热技术发展至今，已由传统的恒功率伴热发展到以导电塑料为核心的自控温电伴热。
二、电伴热带的分类
电伴热系统由下列三部分组成：电伴热变压器、电伴热控制盘、电伴热带及附件。
电伴热带分变功率（自限式）和恒功率两种
变功率自限式电热带
由导电聚合物和两条平行金属导线及绝缘层构成。其特点是聚合物具有很高的电阻正温度系数特性，且相互并联；能随被加热体系的温度变化自动调节输出功率，自动限制加热的温度。可以任意截短或在一定范围内接长使用，并允许多次交叉重叠而无高温度点及烧坏之虑。特别是用于要求打开水龙头就能供应合格热水的高级宾馆、高级娱乐场所。一般情况下，可不配温度控制器，仅在温度控制精度要求很高场合才配温控器。温控器的选择和安装要求与恒功率电热带相同。
变功率电热带分屏蔽型和加强型。腐蚀区应采用加强型。
图2.1变功率自限式电热带结构图图2.2变功率自限式电热带工作原理
电伴热带的内芯两侧为铜导线。正常工作时，线间加有220V电压，两线之间产生热量的部分由半导电塑料制成，其导电率随环境温度的变化而变化。当环境温度升高时，其阻值上升，产生的热量降低，当环境温度升高到一定值时，半导电塑料内电流降到最小值，伴热带产生的热量接近于零，电伴热带的工作原理如图2. 2所示。
恒功率电热带
恒功率电热带单位长度的发热量恒定，温度不能自控调节。必须与温控器同时配合使用。电伴热专用温控器能使温度得到有效的自动调节。适用于给排水管道设备保温与防冻的恒功率电热带发热体并联型和串联型两种。
（1）并联型恒功率电热带是一种利用两根（220v）或三根（380v）并行的绝缘通信线做母线，在其绝缘表面上缠绕电阻丝，并将该电热丝每隔一定距离（即发热节数）与母线交叉联接，形成连续并联电阻。母线通电后，各并联电阻发电，形成一条连续的加热带。
（2）串联型恒功率电热带是有一种由芯线做发热体的电热带，在具有一定电阻的芯线上通过电流，芯线发出热。由于芯线单位长度的电阻和通过的电流，在整个长度上是相等的，所以各处的发热量也是相等的，形成一条连续的、发热量均匀的电热带，不会像并联型电热带随着使用长度的增加造成尾端功率降低。
图2.3 串联式电热带构造图 图2.4单相并联式电热带构造图图2.5三相并联式电热带构造见图
三、电伴热设计及选用
1、电伴热带应用范围
以下几种情况可选用电伴热方式：
1） 管道直径较小，且配管复杂；
2） 物料的输送温度控制要求严格；
3） 不能就近得到蒸汽；
4） 非金属管道或防腐非金属衬里管道；
5） 蒸汽伴热施工困难之处。
电伴热带可使用在管道、贮槽、容器等各种表面上，且可适用于以下环境中：
1） 工区爆炸危险场所和非爆炸危险场所；
2） 含有腐蚀性介质的环境；
2、电伴热带选用原则
电热带一般用于管道伴热，也可以缠绕在小型容器上伴热。
串联式电热带由于其设计功率必须在施工前与现场配管实际长度进行核实，常常引起设计修改，一般不宜选用。
并联式电热带有普通型和加强型。加强型电热带是在普通型电热带外层再包复一层绝缘材料。它的机械强度高、防腐力强。但导热性能略低于普通型电热带。它适合埋地或有腐蚀气体的场合。
3、热损失计算
3.1 管道热计算
伴热的意义是利用电热带产生的热量来补偿管道散失到环境的热量，以维持管道的温度。为了计算管道散失到环境的热量，应确定以下五个参数：
TM——管道内流体必须维持的温度 （℃）；
TＡ——当地最低的环境温度（℃）（历年一月份平均最低温度平均值）；
管道尺寸；
保温层种类和厚度；
管道是在室内或室外，地上敷设或埋地敷设。
上述参数确定后，可按下述步骤计算管道散失到环境的热量QB：
第一步：计算温差△T
△T=TM-TA
第二步：从标准图集中查出管道单位时间的散热量QB（W／m）。如果管道在室内，将QB乘上0.9。如果被伴热管道是塑料管道，由于塑料的导热性远低于金属，应再乘0.6～0.7系数。
第三步：散热量QB值是以玻璃纤维保温材料计算的，如果使用其它保温材料，应按表3.1-1提供的保温系数（f）进行修正。即：
QT=QB×f
QT是管道真正的单位时间散热量以瓦特／米（W／m）表示。
以管径DN100的钢管，外包30mm厚发泡聚氨酯，环境温差24℃时，内差法计算管道管道散失到环境的热量QB ：
通过图集查表，分别得到20，30℃时的管道散热量14.5,21.8w/m；
QB=14.5+(21.8-14.5)/(30-20)*(24-20)=17.41w/m
表3.1-1 绝热材料系数f
进行修正。即：
QT=QB×f
QT是管道真正的单位时间散热量以瓦特／米（W／m）表示。
QT=QB×f=17.42×0.89=15.5
3.2电伴热带选型及长度确定
1、电伴热带的选型依据
不同的生產厂家，其电热带产品规格、型号、特性是不相同的。应根据生产厂提供的产品说明书选型。
选择电热带的型号和长度应根据以下七项参数：
Tc——管道最高持续性的操作温度（℃），一般考虑为管道内流体需维持的温度TM
（℃）。
Ti——管道偶然性的最高操作温度（℃），例如蒸汽、热水或热油扫线时的温度。
QT——管道在TM温度时每米的散热量（根据第三节计算）。
供电电压
电伴热带使用环境
阀门、法兰和管架的数目与种类
需要伴热的管道结构特点
2、计算所需电伴热带总长度
一个电源所能联接的最大电热带长度定义如下：
图3.1 最大电热带长度示意图
如图所示：L1＋L2＋L3≤最大电热带长度
电热带总长计算如下：
管道部分
在计算管道部分需要的电热带时，如果电热带每米放出的热量足够补偿管道单位散热量，电热带长度与管道长度相同，另外要预留一米长供接电源使用。如果电热带的单位放热量少于管道单位散热量，就需要增加电热带数目或采用缠绕方式。
当采用缠绕方式时，每米管道电热带的长度等于每米管道散热量除以每米电热带的放热量之值。电热带缠绕的间距L，按其管径查图集。
图3.2电热带缠绕间距L
弯头部分
每个弯头需电热带长度等于管道公称直径（m）的两倍。
法兰部分
每个法兰需电热带长度等于管道公称直径（m）的三倍。
阀门部分
每个阀门需要的电热带长度按表3. 3确定
表3.3 阀门需要的电热带长度
每个管托处需要的电热带长度等于管托的宽度的2倍加500mm。
每个U型管卡处需要的电热带长度等于管子外径周长。
以上五部分之和即为计算所需的电热带总长度。然后配上适当的配件（见产品说明），则电伴热带系统选型即告完成。
四、有关例题
某工程中室内热水管道伴热设计
工程要求室内热水管道热水维持温度T0=50℃，偶然性操作温度65℃，室内空调最低温度16℃，管道通过普通区。工程中采用的管道伴热电压220v，管径DN100，管道长50m，官道上有3个闸阀，8对法兰(包括阀门的6对)，5个管架。保温层材料为泡沫橡塑(λ=0.038w/m·℃，0℃时)，厚30mm，确定电热带的长度、功率和选型。
第一步，计算温差△t。 △t=T0-Ta=50-16=34℃
第二步，计算管道散热量QB。经查表，当△t=30℃，QB=21.8w/m，△t=40℃，QB=29.0w/m。采用内差法得：
QB=21.8+[(29-21.8)÷(40-30)]×(34-30)=24.68w/m。
第三步，计算实际散热量QT，根据式：
QT=f×QB，查表得f=1.23
QT=1.23×24.68=30.36w/m
第四步，计算电热带总长度L：
a.变功率电热带，查电热带产品相关说明可知，选用45ZXW-P-220型（中温屏蔽型）变功率电热带比较合适，并从电热带产品相关说明查出10℃时，每米输出功率45w/m，50℃时输出功率28.8w/m，小于散热量QT=30.36，因此选择45ZXW-P-220时，需要确定安装系数30.36、28.8=1.06
电热带总长度如下：
管道部分：l1=50×1.06=53m
法兰部分：l2=8×(2×0.215)=3.44m(0.215法兰盘直径)
闸阀部分：l3=3×1.3=3.9m(1.3系数，查表得)
管架部分：l4=5×3×2×0.15=4.5m
总长度：L=l1+l2+l3+l4+l5=53+3.44+3.9+4.5+2=66.84m
查电热带产品相关：
Ta=10℃，Lmax=65m，20A开关；Lmax=96m，30A开关，电热带实际总长度66.84m，选用30A开关。电热带可以任意切割。
总功率N=L×QT=66.84×30.4=1924w。
b.恒功率电热带
已知QT=30.4w/m，查电伴热编制说明，选用两根DCR-17型，17w/m，每根长80m。
恒功率电热带平行敷设，配备DCR-Ⅱ-UN4803型电子温控器。
电热带总长度2×80=160m。
总功率N=160×17=2720w。
五、结语
随着电伴热系统的发展，自控温电伴热带已逐渐成为工业生产中的管道采用的主要保温设备，自控温电伴热带的使用极大提高了保温的效率，这是电伴热系统未来发展趋势。同时，在设计方案中有效地进行管道热计算，合理选择电伴热带形式，准确地核算电伴热带的设置长度，掌握这三部分电伴热带设计的核心内容，才能优化管道保温的设计方案，实现电伴热系统的节能设计。
参考文献
1 管道和设备保温、防结露及电伴热；
2 建筑设计防火规范（GB50016-2006）