電気トレース加熱: その仕組み、種類、産業用途

周囲温度を超える流体を運ぶすべてのパイプは、継続的かつ不可避的に熱を失い、壁を通って周囲の環境に熱を放ちます。ほとんどの場合、断熱材によってこのプロセスが遅くなるため、問題にはなりません。場合によっては、水道管が一晩凍結すると施設が停止するなど、非常に重要な問題になります。粘性のある化学物質が流動点以下に低下すると、プロセスが何時間もブロックされます。機器のインパルスラインが氷結すると、最悪の場合に誤った測定値が得られます。電気トレース加熱は、失われた熱に見合った正確な量でパイプ表面に沿って直接、またはオンデマンドで補償熱を追加することで、まさにこれらの問題を解決するために存在します。

パイプが熱を失う理由とトレース加熱による影響

熱は熱い方から冷たい方へ流れます。周囲の空気よりも暖かい流体を運ぶパイプは、その壁、それに適用された断熱材を​​通して熱エネルギーを失い、最終的には大気中に放出されます。その損失の割合は、流体と環境の間の温度差、パイプの直径と壁の厚さ、断熱材の種類と厚さ、風速、周囲温度によって異なります。

断熱は熱損失を減らしますが、完全に熱損失をなくすことはできません。寒い環境にある適切に断熱されたパイプでも、熱の損失は遅くなります。環境が十分に寒い場合、または安全性やプロセス上の理由から内部の流体を特定の温度以上に保つ必要がある場合、断熱だけでは不十分です。失われた熱を何かが積極的に置き換える必要があります。

電気トレース加熱は、補償熱源をパイプ表面に直接適用することでこの問題を解決します。加熱ケーブルがパイプの外側に沿って、または一部の構成ではパイプの内側に沿って走り、電気抵抗を通じて熱エネルギーを生成します。そのエネルギーは伝導的にパイプ壁に伝達され、そこから流体に伝達されます。ケーブル全体に断熱材を適用すると、環境への熱損失が最小限に抑えられ、流体温度が必要な範囲内に維持されます。

その結果、流体を最初から加熱するのではなく、本来失われる熱のみを置き換えるシステムが誕生しました。これにより、特に流体温度目標が控えめで、主な目標が温度上昇ではなく凍結防止や流量維持であるアプリケーションでは、トレース加熱はバルク加熱アプローチと比較してエネルギー効率が高くなります。

電気トレース加熱の仕組み

その核心となる電気トレース加熱は、抵抗を通じて電気エネルギーを熱に変換します。これは、電流が流れるとワイヤーが温かくなるのと同じ物理原理です。加熱ケーブルは、電気の流れに抵抗する 1 つまたは複数の導電性要素で構成され、電流と抵抗値に比例して熱を発生します。その熱はケーブルの外側シースを通って外側に伝わり、ケーブルが接触するパイプ表面に伝わります。

ケーブルはアルミニウムテープまたは取り付けクリップを使用してパイプに固定され、接触面積を最大化し、熱伝達を向上させます。次に、パイプ、ケーブルなどアセンブリ全体に断熱材を適用して、発生した熱を閉じ込め、環境への損失を最小限に抑えます。サーモスタットまたは電子コントローラーはパイプまたは周囲の温度を監視し、ケーブル回路のオンとオフを切り替えて目標温度設定値を維持します。

電源接続、接続箱、および終端処理によって電気回路が完成します。産業用設備では、地絡回路保護が標準装備されています。漏電電流を検出し、故障によって損傷が生じたり、安全上の危険が生じる前に回路を切断します。

私たちの 産業用パイプおよび機器保護用のヒートトレースシステム は、水道ラインの日常的な凍結防止から化学パイプラインの高温プロセスのメンテナンスに至るまで、要求の厳しい環境向けに設計されており、機密扱いと非機密の両方の設置エリアに適した構成を備えています。

トレース加熱ケーブルの主な 3 つのタイプ

すべてのトレース ヒーティング ケーブルが同じように機能するわけではありません。産業用および商業用アプリケーションでは 3 つの主要なタイプが使用されており、それぞれに異なるパフォーマンス特性、設置要件、最適な使用例があります。

自己調整ケーブル 最新の微量加熱設備で最も広く使用されているタイプです。その特徴は、2 本の平行なバス線の間にある導電性ポリマー コア (ポリマー材料に埋め込まれたカーボン粒子のマトリックス) です。温度が低下すると、ポリマーがわずかに収縮し、カーボン粒子が互いに近づき、抵抗が減少し、ケーブルがより多くの熱を放出します。温度が上昇するとポリマーが膨張し、カーボン粒子が剥離して抵抗が増加し、自動的に出力が低下します。ケーブルは、外部コントローラーを使用せずに、局所の温度に応じて自身の電力出力を調整します。

この自己制限動作は、自己調整型ケーブルがそれ自体が過熱することがなく、現場で重ね合わせたり、必要な長さに切断したりすることができ、本質的にエネルギー効率が高いことを意味します。これらは、温度が 150°C 未満に維持される水配管、計器チューブ、および一般的なプロセス ラインの凍結防止のための標準的な選択肢です。制限は上限温度です。非常に高温のプロセス用途には適していません。

定ワット数ケーブル (直列抵抗ケーブルまたは並列抵抗ケーブルとも呼ばれます) は、温度に関係なく、単位長さあたり一定量の熱を出力します。直列抵抗ケーブルは単一の連続した抵抗要素です。回路全体に同じ電流が流れ、現場で出力を変更することはできません。並列抵抗ケーブルでは、2 本のバス線に抵抗素子を巻いて使用するため、単位長さあたりの出力に影響を与えることなく、回路を特定の長さに切断できます。どちらのタイプも過熱を防ぐために外部サーモスタット制御が必要です。その利点は、自己調整ケーブルが達成できるよりも高い温度で、長時間にわたって一貫した予測可能な出力を提供できることです。

鉱物絶縁 (MI) ケーブル トレース加熱テクノロジーの高性能層です。鉱物絶縁ケーブルは、金属シース (通常はステンレス鋼またはインコネル) 内の圧縮酸化マグネシウム粉末で囲まれた 1 つまたは複数の抵抗線で構成されます。その結果、優れた機械的強度と化学的攻撃に対する耐性を備え、最大 600°C 以上の温度で動作できるケーブルが実現しました。 MI ケーブルは、蒸気ライン トレース、高温プロセス配管、およびポリマー絶縁ケーブルでは劣化する可能性がある厳しい化学環境での用途の標準です。現場で適切な長さに切断することはできないため、工場で製造された終端処理が必要です。

産業用途: 電気トレース加熱が使用される場合

電気トレース加熱は、幅広い業界で使用されています。共通しているのは、熱損失が動作上、安全上、または品質上の問題を引き起こす可能性があるシステム内の流体温度を維持する必要があるということです。

石油とガスの処理 は微量加熱システムの最大の産業消費者です。原油、重燃料油、および特定の精製製品は粘度が高くなりすぎて、周囲温度では効率的にポンプで輸送できなくなります。ワックス状原油は停止期間中にパイプライン内で固化する可能性があり、流量を回復するまでに数時間の再加熱が必要になります。移送ライン、貯蔵タンク出口、機器導圧ラインの微量加熱により、生産プロセス全体を通じてこれらの流体の可動性と測定システムの正確性が維持されます。

化学および石油化学プラント 周囲温度より高い温度で凍結または結晶化する物質を運ぶプロセス配管では、微量加熱を広範囲に使用します。硫黄、苛性ソーダ、リン酸、および何百もの特殊化学薬品はすべて、ポンプ輸送可能を維持するために温度を維持する必要があります。危険区域では、防爆ケーブルと終端コンポーネントが必須です。

上下水道インフラ 配管が加熱されていない空間を通過する場合、屋外条件にさらされる場合、または霜が降りやすい土壌に埋設される場合は、凍結防止トレース加熱に依存します。都市水道本管、消火用スプリンクラー ライン、屋外エンクロージャ内の計器感知ラインはすべて、この分野で一般的な微量加熱用途です。

食品および飲料の製造 は微量加熱を使用して、移送および加工中に規定の粘度範囲内に保つ必要があるチョコレート、オイル、シロップ、ソース、その他の食品を運ぶラインの温度を維持します。これらの環境では、衛生グレードのケーブル構造と CIP 互換の設置が必要です。

発電 施設では、燃料油システム、冷却水回路、および寒冷地の設備に微量加熱を適用します。北部地域では、発電所の石炭取り扱いコンベヤーや灰スラリーラインにも凍結防止が必要になることがよくあります。

サービスと商用アプリケーションの構築 これには、屋根と雨樋の除氷、床暖房、温水再循環のメンテナンス、無空調スペースのスプリンクラー システムの凍結防止などが含まれます。

電気トレース加熱システムの主要な設計パラメータ

トレース加熱システムのサイズが小さすぎると、温度を維持できなくなります。サイズが大きすぎるとエネルギーを無駄にし、パイプのコーティングやシールを損傷する可能性があります。正しいシステム設計では、ケーブルの種類、ワット数、および制御機器を指定する前に、相互に依存するいくつかのパラメーターを処理する必要があります。

温度と最低周囲温度を維持します。 維持温度は、すべての動作条件下で維持する必要がある最低流体温度です。最低周囲温度は、パイプが経験する最も寒い環境であり、多くの場合、設置場所の設計上の冬季の最低温度となります。これら 2 つの値の差と、パイプの直径および断熱材の仕様を組み合わせて、トレース ヒーティング システムが補償する必要がある熱損失率が決まります。

熱損失の計算。 熱損失は、パイプの直径、断熱材の種類と厚さ、周囲温度、風の影響を考慮して、パイプの単位長さごとに計算されます。バルブ、フランジ、パイプ サポート、およびその他の継手は、直線パイプ セクションよりも早く熱を失うため、追加のケーブル長または高出力セグメントが必要です。ほとんどの工業用トレース加熱設計では、性能マージンを確保するために、計算された熱損失に対して 1.25 ～ 1.5 の安全係数を適用します。

制御システムの選択。 単純な凍結防止アプリケーションでは、周囲温度がしきい値を下回ったときに回路をオンにするように設定された機械式サーモスタットを使用できます。プロセス温度維持アプリケーションでは、パイプ表面に直接取り付けられた RTD または熱電対センサーを備えた電子温度コントローラーなど、より正確な制御が必要です。私たちの 産業用加熱制御システム プログラム可能な設定値、アラーム出力、およびプロセス文書化要件のためのデータロギングによる単一点と多点の両方の温度監視をサポートします。

エリア分類。 石油、ガス、化学、石油化学施設のパイプラインは、可燃性ガスまたは蒸気が存在する可能性があるため、危険と分類されたエリアを頻繁に通過します。これらのゾーンに設置されるトレース加熱コンポーネント (ケーブル、電源接続ボックス、サーモスタット、ジャンクション ボックス) は、ATEX、IECEx、または北米のクラス/部門規格に基づく該当するエリア分類の認定を受ける必要があります。

規格とコンプライアンス: IEEE 515、NFPA 70、および危険場所の要件

産業および商業施設の電気トレース加熱設備は、設計、設置、テスト、メンテナンスを管理する規格の枠組みの対象となります。このフレームワーク内での作業は任意ではありません。これは、保険適用、施設運営許可、およびシステムが耐用年数にわたって安全に動作するという確信の前提条件です。

IEEE 515 は、産業用途の電気抵抗トレース加熱を管理する主要な規格です。これは、加熱ケーブルを認定するためのテスト要件を指定し、電気および熱設計の基礎を確立し、未分類地域と北米危険地域分類の両方の設置およびメンテナンス要件に対処します。の 産業用途向けの電気抵抗ヒートトレースのテスト、設計、設置、メンテナンスに関する IEEE 規格 は、工業用微量加熱システムを指定および認証するエンジニアのための信頼できるリファレンスです。

NFPA 70 (国家電気規定) 米国におけるトレース ヒーティング システムの電気設備の側面、つまり配線方法、過電流保護、地絡保護、および危険に分類された場所への設置要件を規定しています。米国の施設では、NEC 第 427 条 (パイプラインおよび船舶用の固定電気加熱装置) への準拠が必須です。

ATEX および IECEx は、爆発性雰囲気で使用される電気機器に対する欧州および国際的な認証枠組みです。 IEC エリア分類に基づくゾーン 0、1、または 2 の危険エリアに設置される微量加熱装置は、存在する危険物質の自然発火温度に対して検証されたシース温度制限とともに、該当する ATEX 指令または IECEx スキームに基づいて認定される必要があります。

規制市場に製品を供給する施設では、ケーブル試験証明書、エリア分類図、設置記録、定期検査報告書の文書化を維持することが、継続的なコンプライアンスの一環となります。認定されたメーカーから機器を選択すると、この文書作成の負担が大幅に軽減されます。

トレースヒーティングと工業用ヒーターを組み合わせて完全な熱管理を実現

トレース加熱は、パイプラインの長さに沿って、または容器表面全体の温度を維持するという、分散された課題に対処します。それ自体はバルク加熱ソリューションではありません。貯蔵タンク内の大量の流体の加熱、パイプシステムに入る前のプロセスストリームの加熱、またはコールドスタート機器を動作温度まで上昇させることも必要なアプリケーションの場合、トレース加熱は他の工業用加熱技術と組み合わせて機能します。

浸漬型ヒーター 貯蔵タンクに直接設置され、接続された移送配管をトレース加熱で処理しながら、重油、化学溶液、プロセス流体のバルク温度を維持します。危険な場所 - 燃料貯蔵エリア、化学工場、海上プラットフォーム - 危険区域タンク加熱用防爆浸漬ヒーター 機密環境における安全に必要な認証済みの構造を提供します。標準的な産業用ストレージ アプリケーションの場合、 貯蔵タンク温度維持用フランジ浸漬ヒーター コンパクトで保守しやすい形式で高い電力密度を提供します。

プロセスヒーター 専用の加熱容器を流れるガス、液体、二相流を、分配配管システムに入る前に加熱します。これらは主要な加熱段階です。トレース加熱は下流の温度維持段階です。私たちの 流体およびガス加熱用途向けの工業用プロセスヒーター インライン設置とスキッドマウント設置の両方の構成で、コンパクトな圧縮空気ヒーターから石油およびガスサービス用の大容量防爆ユニットまで、幅広い電力範囲をカバーします。

最も効果的な産業用熱管理システムは、微量加熱とバルク加熱を個別のソリューションではなく、調整されたアーキテクチャとして扱います。各段階（貯蔵タンク、プロセスヒーター、移送ライン、機器導圧ライン）の加熱能力をその時点での実際の熱負荷に適合させることで、パフォーマンス低下とエネルギーの無駄の両方を排除し、施設が経験する周囲条件の全範囲にわたって確実に動作するシステムを生み出します。