用于仪表箱（柜）防冻以及维持温度的防爆电加热器

用于用于仪表仪表仪表箱箱（柜）防冻以及维持温度的防爆电加热器
（栾涛栾涛，，INTERTEC 德国英特泰克公司上海代表处德国英特泰克公司上海代表处））
一 引言
防爆电加热器种类很多，本文仅限于讨论用于仪表箱（柜）防冻以及维持温度的防 爆电加热器。

仪表箱用防爆电加热器主要用于防爆区域中仪表保温箱，分析采样系统的预处理箱，分析柜，分析小屋的防冻以及维持温度。

常见的伴热方式有蒸汽伴热和电伴热，但电伴热是未来的发展趋势。

二 仪表箱用防爆电加热器仪表箱用防爆电加热器的种类的种类
1）按照热传递方式分类按照热传递方式分类：：传导加热器和对流加热器 1.1）传导加热器
传导加热器的形状为金属块或金属板，直接安装在阀组上加热或通过金属
安装板传热给阀组或仪表。

传导加热器的能耗要比带散热片的对流加热器少的多。

通过金属进行热传递要比通过
空气进行热传递效率高的多。

为便于热传递，传导加热器表面平坦，因此要求被加热仪器装置部分也有一个平坦表面，用于安装固定加热器，并增加接触面积。

使用传导加热器时，对仪表箱的密封和保温没有要求，仪表箱内的温度仍然可能低于零度，但箱内需要防冻或维持温度的物体（阀组，仪器等）却能够接收传导加热器的热量，达到温度要求。

1.2）对流加热器
仪表箱内的空气作为从加热器到被加热仪器的热传递介质，对流加热器对整个空间进行加热。

• 优点: 任何形状的装置(规则的或不规则的)都能被加热。

• 缺点: 仪表箱必须充分密封，保温隔热，以使仪表箱的热损失降到最低。

对流加热器带有散热翅片，以增加散热面积。

2）按照电阻和功率的变化分类按照电阻和功率的变化分类：：恒功率加热器和自限温加热器
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防爆区域温度等级的最高允许温度是T1：450°C ，T2：300°C ，T3：200°C ，T4：135°C ，T5：100°C ，T6：85°C 。

防爆加热器的表面温度不能超出温度等级的限制。

这可以通过两种方式实现：
2.1）恒功率加热器恒功率加热器（（固定电阻固定电阻））
INTERTEC 对流加热器 Microtherm, Multitherm 和Varitherm 中有一个具有固定电阻的发热元件。

发热元件中内嵌一个热熔丝，当温度接近温度等级的最高允许温度时，热熔丝将熔断，电加热器烧毁。

2.2）自限温加热器自限温加热器（（可变电阻可变电阻））
自限温加热器的电阻随温度的升高而加大。

电阻越大，功率越小，输出热能越低。

加热器在很高温度时发热很低，因此保证了加热器温度不会超出防爆区域温度等级的允许温度。

自限温加热器通常用于需要较小热功率的情形，大约100W 左右。

三． 仪表箱仪表箱，，电加热器和维持温度的建模分析
模型中有三种温度和二个热传递过程：
三种温度：电加热器表面温度，箱内要求的维持温度，外界环境温度。

二个热传递过程：
A. 仪表箱内部向外部环境传热，10度向－25度传热。

B. 加热器向仪表箱内部传热，T3时，150度向10度传热，T4时，90度向10度传热。

加热器表面温度
T3: 150℃，T4: 90℃
热传递功率 ：Q(功率) = S （表面积）× K(导热系数) × ΔT （温度差） 热传递过程A: 温度差ΔT = 箱内维持温度－环境温度
热传递过程B ：温度差ΔT = 电加热器表面温度－箱内维持温度
热传递过程B 的功率应大于A, 才能保证仪表箱内维持温度。

四．仪表箱的热损失计算
仪表箱的热损失 ＝ 仪表箱内部向外部环境的热传递功率 ＝ 仪表箱表面积 x 仪表箱导热系数 x 仪表箱内外温度差
需要的已知条件：仪表箱的外形尺寸（高宽深）, 仪表箱保温层的厚度（如果没有保温层，则为零），仪表箱内需要的温度，外部环境的最低温度。

通过INTERTEC 软件计算，结果如下：
仪 表表 箱箱 热热 损损 失失 计计 算算 Heat loss calculation of instrument cabinet
箱体表面积计算箱体表面积计算 / Cabinet surface area calculation / Cabinet surface area calculation / Cabinet surface area calculation
高 / Height (m) 1 宽 / Width (m) 1 深 / Depth (m)
0.4 A1. 计算用表计算用表面积面积 / A1. surface area for calculation (A1 =1.8x 高x(宽+深)+1.4x 高x 深)
3.08 m 2
A2. 实际表面积 / A2.
actual surface area
(A2 =(高x 宽+高x 深+宽x 深)x2)
3.6
m 2
K-Value 箱体导热系数计算 / heat transfer coefficient K-Value calculation of cabinet
箱体材料导热系数 (λ1) / k-value of cabinet material (λ1)
46 W/mK 箱体材料厚度(s1) /
Thickness of cabinet material(s1)
1 mm
室内空气导热系数(a) / k-value of inside air(a)
8.2 W/m 2K 室外空气导热系数(b) /
k-value of outside air(b)
50 W/m 2
K
保温层导热系数 (λ2) /
k-value of insulation layer (λ2)
0.035 W/mK 保温层厚度(s2)/
Thickness of insulation layer(s2) 25 mm
计算后得到的箱体导热系数/calculated K-Value of cabinet
(K1=1/[1/a+s1/(λ1x1000)+s2/(λ2x1000)+1/b]）
1.17 W/m 2K
温度差计算温度差计算//Temperature difference calculation
T1 （用户希望的箱体内温度）/ (maintain temperature ℃ inside cabinet)
50
℃
T2 ( 箱体外的环境最低温度) / (minimal ambient temperature ℃) -12
℃
仪表箱内外温度差仪表箱内外温度差//Temperature difference ℃ of inside and outside cabinet
62
热损失计算热损失计算//Heat loss calculation
Q1=K1 x A1 x (T1-T2)
（按计算用表面积算法得到的热损失值）/
(calculated Heat loss by A1)
223 W Q2=K1 x A2 x (T1-T2) （按实际表面积计算得出的
热损失值) / (calculated Heat loss by A2)
261 W
Q1保险/Q1 Safety=Q1 x 1.2
（保险系数1.2）/ (Safty
coefficient 1.2)
268 W Q2保险/Q2 Safety=Q2 x
1.5
（保险系数1.5）/ (Safty coefficient 1.5)
391 W
常用材料导热系数常用材料导热系数//heat transfer coefficient k-value of staple material
玻璃纤维增强聚酯(GRP): 0.23 W/mK 石棉,玻璃棉/Rock
wool:0.052 W/mK
聚氨脂泡沫(PU foam): 0.035 W/mK
钢材(steel):46 (26 -- 52) W/mK
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五．电加热器的电加热器的应用应用应用选择选择
1) 选择仪表箱用防爆电加热器之前选择仪表箱用防爆电加热器之前，，需要的已知条件需要的已知条件：： 1.1) 防爆区域温度等级：T3，T4或T6， 1.2) 仪表箱内要求的温度：
• 防冻5度
• 维持普通温度：10或20或30或40度
• 维持高温：T3时： 50－140度； T4时： 50－80度
1.3) 仪表箱的热损失（热传递功率）
2）电加热器的选择
电加热器的功率应该大于等于仪表箱的热损失功率，例如：如果仪表箱的热损失功率是80W, 那么电加热器的功率应该选100W。

2.1) 防冻和维持普通温度
传导加热器局限于加热阀组等少数应用，对流式空间加热器应用广泛。

自限温型对流式空间加热器功率较小，100W左右，主要应用于防冻保护。

恒功率型对流式空间加热器应用最为广泛，可用于防冻，维持普通温度10－40度，维持高温50度以上。

为了防止当电加热器温度接近温度等级的最高允许温度时，电加热器烧毁，恒功率型对流加热器必须与温控器同时使用。

温控器控制仪表箱内的维持温度，当达到维持温度时，温控器切断电源，电加热器不再加热，避免电加热器的表面温度接近温度等级的最高允许温度，避免电加热器烧毁；当温度下降到一定温度时，再由温控器接通电源继续升温。

通过反复工作使箱内温度保持在一定范围之内。

使用对流加热器时，加热器周围要有充足空间以利于气流循环并且散热片不能被覆盖，否则电加热器产生的热量不能完全散出，留在电加热器本体，就会导致电加热器温度过高，达到温度等级的最高允许温度时，电加热器就会烧毁。

当电加热器的用途是防冻或维持普通温度10－40度时，可以认为电加热器的热功率=电功率。

2.2）维持高温50度以上
当电加热器的用途是维持50度以上的高温时，情况发生了变化：
热传递基本公式：Q(功率)=S（表面积）×K(导热系数)×ΔT（温度差）
）。

温度差）
电加热器的热输出功率取决于三个因素：S(表面积) , K(导热系数)，ΔT（温度差数)不可变，因为电加热器的材料是铝，导热系数固定。

导热系数
其中K(导热系
表面积））可变，并且与加热器的热功率成正比，电加热器的散热翅片越高，表面积S（表面积
越大，则Q(功率)也越大，从电加热器的热功率输出曲线图表中可看出，在ΔT温度差相同的情况下，散热翅片越高热功率越大，H120 > H100 > H80 > H60。

ΔT温度差= 电加热器表面温度－箱内维持温度，与电加热器的热功率成正比。

加热器表面温度和仪表箱内要求的维持温度越接近，温度差越小，加热器向仪表箱内传热的能力就会越低。

例如：对于同一台防爆电加热器Varitherm (H120--散热翅片高度120mm) 来说，S(表面积)固定 , K(导热系数固定)，只有ΔT 温度差可变，根据电加热器的热功率输出曲线图表，可知： 仪表箱内维持温度 ΔT 温度差= 电加热器表面温度－箱内维持温度
电加热器的 热输出能力 电功率 电加热器的热功率输出
T3：30度 150－30＝120
650 W 500 W 500 W T3：50度 150－50＝100
520 W 500 W 500 W T3：70度 150－70＝80
390 W 500 W 390 W T3：110度 150－110＝40
180 W 500 W 180 W T4： 10度 90－10＝80
390 W 500 W 390 W T4：60度 90－60＝30
280 W 500 W 280 W
100
200
300
400500
600
020
40
60
80
100
120
温度差delta T [K]
热功率 [W ]
当防冻和维持普通温度时，防爆电加热器的散热能力(热功率) 往往大于它的电功率，这时电能转化的热能完全散出，实际的热功率输出＝电功率。

（实际的热功率输出不会 > 电功率, 因为热能是由电能转化，不会凭空产生）
当维持高温50以上时，防爆电加热器的散热能力(热功率) 往往小于它的电功率，这时会导致电能转化的热能无法完全散出，剩余的热能积聚在加热器表面，就会造成加热器本体过热，按照防爆要求自毁。

（防爆电加热器T3自毁温度设定185℃；T4自毁温度128℃）。

为此，INTERTEC 开发了专利产品：数字精确控温智能电加热器SMART Heater，专门用于在防爆场合维持仪表箱的高温。

SMART Heater总共拥有三个温度探测器：一个温度探测器内嵌在电加热器的电芯中，用于控制电加热器的表面温度，防止电加热器过热自毁；一个温度探测器内嵌在数字温控盒中，用于测量温控盒的温度；一个温度探测器连接1米或3米长的导线，用于测量仪表箱内任意位置的温度。

SMART Heater 可以通过USB 接口与电脑连接，通过SMART Heater专用软件在电脑上控制并修改仪表箱维持温度的设置。

如果一台Smart heater电加热器的热功率输出小于仪表箱的热损失，则要使用Smart 系列的Master-Slave heater, 从一拖一到一拖三增加副加热器，来增加热供应，以维持高温。