Конструкции нагревательных кабелей и области их применения

Многочисленные агрегаты и технические устройства требуют подогрева. В настоящее время все более широкое применение для этой цели находят нагревательные кабели и провода, которые обеспечивают максимальную надежность и удобство монтажа. Некоторые возможные области применения нагревательных кабелей:
Электростанции. Тяжелый мазут в трубах и емкостях следует поддерживать при повышенных температурах для его оптимальной доставки к печам независимо от температуры окружающей среды. Системы трубопроводов и оборудования требуют обеспечения защиты от замерзания, поддержания их температуры выше точки росы и предотвращения коррозии.
Химическая промышленность. Электрические системы нагрева рекомендуются для защиты от замерзания и для поддержания высокой температуры в сети труб, которые содержат кислоты, щелочи и другие жидкости в различных концентрациях.
Фармакологическая и косметическая промышленности. Требуется поддержание заданной температуры для транспортировки масел, жира, паст и другого сырья, используемого для приготовления кремов и мазей.
Пищевая и обрабатывающая промышленность. Кабели применяют для поддержания определенной температуры жиров в растворе шоколада, глюкозы и сахара.
Нефтехимические предприятия. Требуется поддержание заданной температуры при хранении, транспортировке нефтематериалов и оборудования для обработки материалов (нефть, мазут, бензин, битум и т.п.).
Трубопроводы нефти и природного газа. Транспортировку этих материалов необходимо производить при повышенной температуре.
Промышленные здания и гражданские сооружения. Кабели применяют для предотвращения оледенения и повреждения снегом, для нагревания полов, пандусов, лестничных площадок, поверхности крыш, водосточных желобов и нисходящих труб.
Кабели могут быть смонтированы снаружи обогреваемого оборудования и труб или прокладываться внутри труб. В зависимости от среды, в которой прокладывают кабель, он должен содержать необходимые защитные оболочки.
В настоящее время в кабельных системах обогрева используют два вида кабелей — резистивные (с постоянной по длине кабеля мощностью тепловыделения) и саморегулирующиеся греющие кабели.
Резистивные кабели изготовляют одножильными и двухжильными. Кабели содержат одну или две резистивные нагревательные жилы, на которые нанесена изоляция, оболочка, защитная оболочка из металлической оплетки, поверх которой также может быть нанесена защитная полимерная оболочка.
Основные производители резистивных кабелей: DE-VI (Дания), ССТ (Россия), CEILHIT (Испания), ENSTO (Финляндия), ALCATEL (Норвегия).
Для жил используют сталь, медь с никелевым покрытием (кабели с низким сопротивлением) или нихром (кабели с высоким сопротивлением). Изоляция нагревательного элемента — стекловолокно, слюда, кремнийорганическая резина, фторполимеры. Дополнительные защитные оплетки выполняют из медной проволоки (луженой или никелированной) или из нержавеющей стальной проволоки. Наружная оболочка — из коррозионностойкого полимера.
Как правило, резистивные кабели предназначены для работы при напряжении до 380/500 В. Тепловыделение составляет 10...30 Вт/м. Рабочие температуры — от 65 до 250 °С. Испытательное напряжение — до 3000 В переменного тока.
Саморегулирующиеся нагревательные кабели предназначены для использования в системах подогрева, антиобледенения и защиты трубопроводов (емкостей) от замерзания, в строительстве — для предотвращения образования льда на кровельных свесах, водостоках, пандусах и лестницах, а также для утепления полов и промерзающих стен. При увеличении температуры такого кабеля происходит уменьшение мощности тепловыделения вследствие возрастания электрического сопротивления изоляции кабеля в конкретном месте прокладки.
Обычно кабель имеет две токопроводящие медные жилы 1, которые уложены параллельно в распорке 2. На жилы  нанесена спираль из полупроводящего композиционного материала 3, на которой расположены электрическая изоляция 4 и защитные оболочки 5.

Саморегулирующиеся нагревательные кабели:
1 — медная токопроводящая жила; 2 — распорка; 3 — спираль из полупроводникового композиционного материала; 4 — электрическая изоляция; 5 — защитная оболочка

Напряжение U приложено между жилами 1 (127, 220 В). Спираль 3 контактирует с жилами 1, и вдоль нитей спирали между жилами 1 проходит ток I. Материал спирали 3 имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. При перегреве кабеля его сопротивление R возрастает, ток уменьшается, тепловыделение снижается, что препятствует дальнейшему увеличению температуры.
Материал спирали 3 состоит из полимера, наполненного сажей. При нагревании полимер расширяется, контакты между частицами сажи ухудшаются, что приводит к увеличению удельного электрического сопротивления материала. Полимеры (особенно частично кристаллические) имеют наибольший коэффициент расширения в сравнительно узкой области температур, в которой происходит существенное увеличение сопротивления и снижение мощности тепловыделения на участке кабеля, в котором происходит перегревание. Таким образом, кабель нагревается только до заданной предельной температуры. Подбирая состав полимера и его молекулярную массу, можно получить необходимую предельную температуру.
Основными производителями нагревательных кабелей являются фирмы Raychem (США), THERMON (США), ISOPAP (Германия) Кабели марки HEATTRACE (Великобритания) поставляются на российский рынок под торговыми марками ССТ (Специальные Системы и Технология) и ALCATEL.
Нагревательные кабели прокладывают также внутри труб с транспортируемой жидкостью — обычно это нефть и нефтепродукты. В нефтедобывающих скважинах нагревательный кабель крепится к подъемной (насосно- компрессорной) трубе и находится в среде пластовой жидкости или сжатого газа, а также может быть проложен внутри подъемной трубы (скважины с электронасосами) в среде нефти. В этом случае применяют самонесущий кабель. К изоляции таких кабелей предъявляют такие же требования, как и к силовым кабелям для питания насосов, но напряжение питания в нагревательном кабеле обычно не более 380-500 В.
На рис.   показана типичная конструкция резистивного трехжильного нагревательного кабеля  с питанием от трехфазной сети переменного тока. Жилы 1 изготовляют из меди или стали. Наиболее подходящими материалами для изоляции и оболочки являются сополимеры пропилена с этиленом (СПЭ) и силаносшиваемый полиэтилен высокой плотности. Максимальная температура жил 120 °С. Такие кабели изготовляет ОАО «Камкабель» по ТУ 16.К09- 119-2000. Основные конструктивные данные и эксплуатационные параметры кабелей представлены в табл.
Сечение медных или стальных жил 5,5 мм². Кабель имеет броню из стальных профилированных лент.
В скважинах с электронасосами в подъемную трубу опускают самонесущий кабель, который имеет медную жилу, изоляцию и броню из двух повивов стальной проволоки. Два повива со специально рассчитанными шагами скрутки предотвращают вращение кабеля вокруг оси под действием собственной тяжести. Кабель и броня замкнуты на дальнем конце. Тепловыделение происходит, в основном, в стальной броне кабеля.

Конструктивные размеры кабелей

Резисторный трехжильный нагревательный кабель:
1 — токопроводящая жила; 2 — электрическая изоляция; 3 — броня из стальных профилированных лент; 4 — электрическая поясиая фазная изоляция; 5 — поясная кабельная общефазная изоляция; 6 — общий шланг
Нагревание нефти в скважине предотвращает отложение асфальтопарафиновых материалов на внутренних стенках подъемной трубы, при этом температура нефти по всей глубине скважины должна быть не ниже 22 °С. Мощность тепловыделения в кабеле составляет 35...50 Вт/м в начале эксплуатации скважины и снижается до 15...20 Вт/м через год эксплуатации вследствие прогревания грунта вокруг скважины. Длина кабеля составляет 700... 1000 м.

Основные эксплуатационные параметры нагревательных кабелей

Нагревательный кабель с магнезиальной изоляцией имеет медную жилу, минеральную изоляцию, поверх которой нанесена оболочка из нержавеющей стали. Такой кабель можно нагревать до нескольких сотен градусов Цельсия для прогрева грунта на требуемой глубине для технологических целей. Он может иметь длину, например, 300 м.
Нагревательный гибкий кабель с гофрированной стальной оболочкой может быть введен на требуемом участке трубопровода.
Следует отметить, что нагревательные кабели надежно и эффективно решают задачи нагревания протяженных объектов и находят применение в различных областях техники.
В качестве нагревательных кабелей применяют кабели марок КНМСС, КНМСН, КНМСН-Х.