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國內外加熱電纜的發展現狀分析

發布時間:2023-09-01 文章來源:本站  瀏覽次數:1586


 加熱電纜是一種用途廣泛且形式特殊的供熱裝置,具有加熱效果好、綠色清潔、節能高效、機械強度高、物理和化學性能穩定、事故發生率低等優點,廣泛應用于民用取暖、石油開采、化工工藝管道伴熱、食品降黏、船舶防凍等。加熱電纜主要由發熱源、導熱絕緣、護套等部分組成,以電線電纜為載體,將電能轉化為熱能。


圖片
精讀

加熱電纜的分類

 按照發熱元件不同,可將加熱電纜分為非線性發熱元件加熱電纜和線性發熱元件加熱電纜。非線性發熱元件加熱電纜的核心材料一般為具備正溫度系數(PTC)效應的半導電材料,如自調節/自限溫加熱電纜。線性發熱元件通常采用金屬材料或碳纖維材料作為核心發熱器件,如恒功率加熱電纜、礦物絕緣加熱電纜和碳纖維加熱電纜等。


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非線性發熱元件加熱電纜


  自調節/自限溫加熱電纜,通常又可稱為電伴熱帶或加熱帶,是由具備PTC效應的可交聯導電塑料或多晶體片狀元件(如鈦酸鋇)通過一定的加工工藝制得的低溫、中溫、高溫等自調節加熱電纜。


圖1 自調節加熱電纜結構示意圖


  自調節加熱電纜可根據其表面溫度實時變化調節自身的輸出功率,從而起到供暖保溫的作用。并且,這種加熱電纜無需額外的輔助調控設備,能夠節省敷設成本和安裝成本,具有使用方便、易維護等優點,是冬季防凍和低溫采暖的理想產品。


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線性發熱元件加熱電纜


(1)恒功率加熱電纜


  恒功率加熱電纜包括串聯電伴熱帶、并聯電伴熱帶和礦物絕緣(MI)加熱電纜。串聯/并聯電伴熱帶的發熱部件主要是由高阻合金材料(如銅、鎳、鉻、鋁、鐵等)構成,母線是兩根平行的絕緣銅線,其與內絕緣層上纏繞的合金發熱絲和母線連接形成連續且等距的并聯電阻網絡。


圖2 恒功率加熱電纜結構示意圖


  當接通電源后,母線上并聯的連續等距電阻將電能轉化為熱能,從而形成一條輸出功率穩定且溫度精確、恒定可控的加熱電纜,但該類電纜的生產加工成本較高,使用時不能隨意剪切。

  礦物絕緣加熱電纜主要由發熱導體、礦物粉末(通常為氧化鎂粉)絕緣層和金屬護套(不銹鋼護套、銅護套、銅鎳合金護套等)組成。


圖3 MI加熱電纜結構示意圖


 MI加熱電纜具備更加優異的耐高溫性能,是一種環保、功率密度高、使用壽命長的加熱電纜。MI加熱電纜用途廣泛,由其組成的融雪化冰系統可應用在道路、停車場、室外樓梯等戶外設施中,能夠大大降低由自然災害引起的事故發生率,保障人們的生產生活安全。另可根據防腐蝕、防機械損傷等需求,在金屬護套外周擠包一層高密度聚乙烯(HDPE)或阻燃HDPE塑料外護套,制備出性能更加優良的MI加熱電纜。


(2)碳纖維加熱電纜


  碳纖維加熱電纜主要由高性能碳纖維發熱導體、絕緣層和外護套組成,絕緣層材料為聚四氟乙烯(PTFE),外護套采用環保型的聚乙烯或低煙、無鹵聚烯烴等材料。


圖4 碳纖維加熱電纜結構示意圖


  碳纖維加熱電纜工作時,對碳纖維兩端施加電壓后產生熱能,通過熱傳導的傳熱方式將附近介質加熱,再由熱對流向外傳導熱量,以達到采暖的目的。碳纖維加熱電纜的發熱效率較高,電熱效率可達98%以上,由于絕緣層材料采用PTFE,因此碳纖維加熱電纜具有高耐溫等級、耐腐蝕、耐老化等性能,以及壽命長、使用安全、免維修等優點。

加熱電纜的發展現狀
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加熱電纜材料概況


  加熱電纜所需原材料常為金屬類和非金屬類外護套材料、絕緣材料,及銅、鋁等有色金屬材料,其中MI加熱電纜的絕緣層常選用無機材料(如MgO)作為其填充材料。其中銅、鋁等有色金屬是加熱電纜生產所用的主要原材料,在生產成本中占比較大,該部分材料的價格波動將直接影響加熱電纜的生產成本及銷售價格。

  金屬外護套常用不銹鋼或銅等材料,可通過穩定化處理,提升外護套的耐酸堿腐蝕性能;非金屬外護套常用聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(PA)、氯磺化聚乙烯(硫化)(CSP)和 HDPE等材料,也可根據具體功能對材料進行物理性能或化學性能改性;絕緣材料具備性能優異、質量輕、易運輸等優點,常見有PVC、乙丙橡膠(硫化)(EPR)、交聯聚乙烯(XLPE)和乙烯/乙酸乙烯(交聯)(EVAC)等,也可使用改性聚烯烴材料或氟塑料作為絕緣材料,以獲取更好的耐腐蝕、耐高溫等性能。


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加熱電纜研究進展

    目前,國外加熱電纜的研發水平、生產技術水平和配套服務能力較為領先,對新型加熱電纜和基于加熱電纜構建的供熱系統進行了大量的研究,推動該行業向著更加成熟的方向前進。

  我國雖然擁有相對成熟的加熱電纜生產技術和工藝,但高性能原材料依賴進口,同時缺乏產品定制、產品迭代和配套服務能力,在市場越來越趨向于成本導向和服務導向的競爭中難以適應,企業需要不斷提升自身的綜合實力,拓展和增強加熱電纜的應用范圍及系統配套能力。

表1 國內加熱電纜授權專利匯總表



  由表1可以看出,近年來,研究人員對加熱電纜的研發方向主要集中于功能迭代及應用范圍的拓展,同時,也對加熱電纜的供暖系統、溫度監測系統、智能控制系統等進行了研究設計,進一步提升了加熱電纜系統的配套能力。


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加熱電纜市場現狀


  目前,加熱電纜多用于電發熱取暖,歐美等發達國家(如挪威、法國、瑞典等)電發熱取暖技術起步較早、技術相對成熟、市場較為完善,具有較高的市場普及率。

  反觀我國的電發熱取暖市場,雖在東北、西北、華北、中部和華東地區(有相當一部分的城鎮在冬季會有超過一個月低于0℃的時間)具備較大的采暖需求,且國家政府也在積極推動電采暖的普及、下鄉等工作。2017年5月,財政部、住建部、環保部、國家能源局積極聯合啟動了北方地區冬季清潔取暖試點工作,但受限于群眾認可度低以及其他一系列的問題,導致我國電取暖技術的市場推廣阻力大,普及率并不高。

表2 電伴熱系統常見的應用場景


  2016-2020年,全球加熱電纜的產量持續增長,但其增長率卻呈下降趨勢,這表明電伴熱行業進入微利成熟期,成本導向及產品導向需更進一步向著配套服務導向發展。

  歐美等發達國家在發熱電纜產業深耕多年,激烈的市場競爭使得資金和技術更為集中,具備成熟的研發技術和完善的伴熱系統設計方案,出現了許多加熱電纜核心廠商。

  如Danfoss公司的氣候方案事業部供熱業務中,提供了地暖、融冰化雪和智慧供暖等業務,不僅具有完整的供暖系統方案,同時專注于提升能源利用效率,還可接入智能家居系統進一步提升使用體驗;NVent Raychem公司致力于工業、商業和民用住宅用電伴熱產品的研制和系統的設計,為管道防凍、工藝管道伴熱、儲罐伴熱、船舶防凍和凍脹防護等市場提供了一系列較為完善的解決方案,在實際應用中為海上鉆探、破冰船的正常運行、工業生產工藝的穩定、住戶舒適的居住環境等保駕護航;Thermon公司不僅在工藝管道伴熱、防凍保護和融冰化雪等方面具備完整的流程保證,還可進行煙氣自動監控系統(CEMS)的定制化服務。

  而我國經過幾十年的發展,電伴熱行業的競爭日趨激烈,產業發展速度不斷減緩。究其原因,是我國加熱電纜的研發技術革新速度及服務配套能力與歐美等發達國家仍有一定的差距。

  不過,隨著生產技術及生產能力的不斷進步,我國也有相當一部分的企業具備了制造高技術含量產品的能力,如國內某電氣集團有限公司專注于管道、儲罐和建筑中的電伴熱項目,現有產品已成功出口至俄羅斯、韓國、巴基斯坦、伊朗等二十多個國家;國內某線纜集團有限公司研制出一種油井開采用的碳纖維加熱電纜,不僅提高了電纜的耐溫性能、防潮性能、抗開裂性能等,也提高了產品的使用壽命。

加熱電纜相關標準對比

 在國際范圍內,國際電工委員會(IEC)、加拿大標準協會(CSA)、電氣與電子工程師協會(IEEE)等組織或參與加熱電纜標準的制定與修訂工作。現將國內外現行的加熱電纜(系統)標準按照不同的適用范圍進行分類并對比,結果見表3。

表3 現行有關加熱電纜的標準適用范圍對比


  由表3可以看出,我國加熱電纜標準覆蓋了常規地點和危險地點,但仍存在不足之處,如商業用加熱電纜標準與國外的標準相比略為薄弱。而歐美等發達國家制定的加熱電纜標準內容更為詳盡和豐富,版本迭代也更快,不同場景下的加熱電纜,可以隨著不同的生產工藝、檢測方法、性能指標等要求的變化,緊跟生產或檢測等技術的進步,及時地對過時標準進行升級,更新后的加熱電纜標準將保持與時俱進的規范指導功能。

  我國加熱電纜標準的制定經驗不足、加熱電纜標準修訂較為滯后,其中部分加熱電纜標準的制定大多是參考國外加熱電纜標準,進而修改制定出符合我國國情的標準,如生活設施加熱和防結冰用加熱電纜基本等同參照標準IEC 60800:1992,與之對應的現行加熱電纜標準為GB/T 20841-2007《額定電壓300/500V生活設施加熱和防結冰用加熱電纜》。

  我國在加熱電纜標準中的制定工作,需盡快吸取發達國家的先進經驗,深入結合我國加熱電纜生產的現狀,不斷地對加熱電纜標準進行完善,最終具備獨立制定加熱電纜標準的能力。



  隨著“碳達峰、碳中和”戰略的推進,加熱電纜作為一種安全、低碳的采暖方式,將具有更大的發展空間。但目前客戶對加熱電纜硬件、軟件及服務支持的滿意度仍有待提高,國內的電伴熱系統在功能使用、性能穩定、信息交互上相比于國外產品還存在不足。因此,未來我國科研人員對加熱電纜的研究時,可結合能效評估、供暖系統的設計優化、在線溫度監控、智能控制系統等方向深入展開。(來源:上纜所傳媒)
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