ГОСТ 31610.30-1-2017 (IEC/IEEE 60079-30-1:2015). Межгосударственный стандарт. Взрывоопасные среды. Часть 30-1. Нагреватели сетевые электрические резистивные. Общие требования и требования к испытаниям

Приложение C

(обязательное)

МЕТОДЫ ПРОВЕРКИ КОНСТРУКЦИИ

РАСПРЕДЕЛЕННОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ

C.1 Введение

Определение температуры системы, в частности температуры оболочки в наиболее неблагоприятных условиях, имеет решающее значение для электронагревателей регулируемой и стабилизированной конструкции. Изготовитель должен гарантировать правильный расчет температуры системы во всем диапазоне параметров, на которые распространяется сертификация, и подтверждать свою способность правильно выполнять расчеты проведением испытаний и сравнением итоговых результатов с расчетами, выполненными при проектировании системы.

Методы расчета основаны на широко известных и принятых формулах теплопередачи, которые при необходимости корректируются для учета эмпирических данных и, как правило, включают коэффициенты безопасности.

В настоящем приложении приведены формулы и требования, которые обычно используют изготовители при проектировании электронагревательных систем.

C.2 Методы проектирования и выбора распределенных электронагревателей

Методы проектирования должны учитывать критерии выбора распределенного электронагревателя для оптимизации определения максимально возможной температуры системы в худших условиях эксплуатации согласно настоящему стандарту. Температура может быть снижена, например с помощью корректировки параметров системы, использования нескольких электронагревателей для снижения мощности на единицу длины или с помощью выбора системы регулирования температуры.

Максимальная допустимая температура для распределенных электронагревателей должна быть выше, чем максимальная возможная температура объекта (которая может быть выше нормальной рабочей температуры).

Согласно 4.5.1 максимальную температуру распределенного электронагревателя определяют методом классификации изделий и расчетом стабилизированной конструкции или регулируемой конструкции. При применении метода классификации изделий дополнительные меры по ограничению температуры не требуются, если температурный класс распределенного электронагревателя ниже температуры, указанной для данного применения. Однако меры по ограничению температуры и стабилизированная конструкция могут быть использованы при эксплуатации системы в более узком диапазоне температур технологического процесса. Требования для стабилизированной и регулируемой конструкций одинаковы и в обоих случаях предусматривают точное определение потерь тепла системы и максимальных значений температуры системы и оболочки. Для стабилизированной конструкции дополнительно требуется оценка баланса энергии в системе.

C.3 Расчет стабилизированной конструкции

В основе стабилизированной конструкции лежит принцип определения максимальной температуры объекта и поверхности электронагревателя в худших условиях эксплуатации. Это расчет условий равновесия, которые возникают, когда количество подводимого тепла равно потере тепла системой. Набор худших условий включает:

a) максимальную температуру окружающей среды, которая, как правило, принимается на уровне 40 °C, если не указано иное;

b) отсутствие воздушных потоков (неподвижный воздух);

c) использование умеренного или минимального значения коэффициента теплопроводности теплоизоляции;

d) отсутствие температурного регулирования по проекту или ввиду моделирования отказа температурного реле;

e) электронагреватель работает при напряжении, превышающем установленное рабочее напряжение на 10%;

f) предполагается, что электронагреватель работает на верхнем пределе производственного допуска или при минимальном удельном сопротивлении для последовательных распределенных электронагревателей;

g) максимальную выходную температуру объекта или максимальную температуру равновесия процесса, если она выше.

Испытания для стабилизированной конструкции определены в 5.1.13. Обычно максимальную температуру поверхности электронагревателя рассчитывают по формулам, выведенным на основе оценки эмпирических данных, или теоретическим методом, описанным ниже. В качестве альтернативы при конструировании допускается применять программы, позволяющие рассчитывать максимальную температуру поверхности на основе самых неблагоприятных параметров.

C.4 Выходная мощность последовательных распределенных электронагревателей и условия равновесия

В зависимости от назначения и типа распределенного электронагревателя может потребоваться оценка системы в условиях теплового равновесия. Типичными примерами являются системы без регулирующих устройств, системы с датчиками контроля температуры окружающей среды. На рисунке C.1 показаны примеры кривых выходной мощности для электронагревателей постоянной мощности и для электронагревателей с положительным температурным коэффициентом (ПТК) с разными характеристиками наклона кривой <1>. Линия тепловых потерь показывает условия при самой низкой температуре окружающей среды (минус 20 °C) <2>. На рисунке C.1 показано, что электронагреватель постоянной мощности будет поддерживать самую высокую температуру объекта (80 °C), но поскольку он также имеет самую высокую выходную мощность (32 Вт/м) при повышенных температурах, у него должна быть самая высокая рабочая температура. Электронагреватель ПТК с самой крутой кривой поддерживает самую низкую температуру объекта (50 °C), но также имеет самую низкую выходную мощность при T = 50 °C - (23 Вт/м) и, как следствие, самую низкую рабочую температуру.

--------------------------------

<1> Для всех трех нагревателей принято, что при плюс 10 °C они имеют одинаковую выходную мощность 32 Вт/м.

<2> На рисунке представлена определенная зависимость, для которой в качестве минимальной температуры среды принято значение минус 20 °C. Значения кривой при температурах выше минус 20 °C показывают величину потерь за счет разницы температур между трубой и окружающей средой.

ГОСТ 31610.30-1-2017 (IEC/IEEE 60079-30-1:2015). Межгосударственный стандарт. Взрывоопасные среды. Часть 30-1. Нагреватели сетевые электрические резистивные. Общие требования и требования к испытаниям

электронагреватель постоянной мощности;

ПТК-2; ПТК-1; потеря тепла

Рисунок C.1 - Условия равновесия

для поддержания температуры объекта

На рисунке C.2 приведен тот же пример, но с точки зрения оценки верхних пределов. В этом случае линия тепловых потерь сдвигается в сторону самой высокой возможной температуры окружающей среды, и точки пересечения показывают поддерживаемую температуру и относительные выходные мощности в этих условиях. Например, электронагреватель ПТК-1 в данном случае будет поддерживать более высокую температуру, чем прежде (91 °C), а уровень выходной мощности снизится (16 Вт/м), за счет наклона кривой выходной мощности. Этот же подход можно применить при оценке верхнего предела рабочих условий для стабилизированной конструкции.

электронагреватель постоянной мощности;

ПТК-2; ПТК-1; потеря тепла

Рисунок C.2 - Условия равновесия

для поддержания температуры объекта

Уровни выходной мощности разных электронагревателей изготовитель обычно указывает в документах к изделиям и/или в программе расчета. В большинстве случаев кривые выходной мощности для сетевых электронагревателей типа ПТК определяют на основе эмпирических данных, полученных с помощью испытательной аппаратуры, используемой в испытании согласно 5.1.10.

Выходную мощность последовательных распределенных электронагревателей Q, Вт/м, как правило, определяют по их электрическим параметрам по следующей формуле

(C.1)

где V - напряжение системы, В;

r_s - удельное сопротивление каждого проводника, Ом/м;

l - длина каждого проводника, м.

Сопротивление проводника r, Ом/м, зависит от температуры проводника в соответствии с формулой

(C.2)

где r - сопротивление проводника при 20 °C, Ом/м;

- коэффициент для типа материала проводника, 1/К;

- разница температур проводника в рабочем состоянии и при 20 °C (К).

Для успешной работы система резистивного нагрева должна иметь следующие характеристики:

a) выходная мощность электронагревателя(ей) должна быть больше, чем потеря тепла системой, включая соответствующий коэффициент безопасности. Этого можно достичь при установке одного сетевого электронагревателя с соответствующей выходной мощностью с его укладкой в несколько рядов или по спирали, если необходимо поддерживать выходную мощность на максимально низком уровне;

b) потенциальные отклонения напряжения или другие изменения параметров системы во времени должны быть определены и компенсированы коэффициентом безопасности;

c) верхний предел температуры системы должен быть оценен для тех способов, при применении которых точность температуры процесса очень важна или которые имеют широкий диапазон температур окружающей среды, или для систем, не обладающих возможностью регулирования или имеющих только датчики контроля температуры окружающей среды.

C.5 Расчеты потерь тепла

Для определения фактических потерь тепла для данного набора условий необходима полная спецификация изоляции, включая данные о теплопроводности изоляции при нескольких значениях средней температуры, типе климатического барьера, размере и толщине изоляции, поддерживаемой температуре в трубопроводе, температуре окружающей среды и ветре.

На основании этих параметров потери тепла трубопроводами и трубами могут быть оценены по формуле

где q - тепловые потери на единицу длины трубы, Вт/м;

T_p - температура, которую необходимо поддерживать, °C;

T_a - минимальная расчетная температура окружающей среды, °C;

D₁ - внутренний диаметр внутреннего слоя изоляции, м;

D₂ - внешний диаметр внутреннего слоя изоляции, м (внутренний диаметр внешнего слоя изоляции при его наличии);

D₃ - внешний диаметр внешнего слоя изоляции (при его наличии), м;

k₁ - коэффициент теплопроводности внутреннего слоя изоляции, измеренный при средней температуре, Вт/м·К;

k₂ - коэффициент теплопроводности внешнего слоя изоляции (при его наличии), измеренный при средней температуре, Вт/м·К;

h_i - коэффициент теплопередачи в воздушной прослойке (при ее наличии) между поверхностью трубопровода и внутренней поверхностью теплоизоляции, Вт/м²·К;

h_co - коэффициент теплопередачи в воздушной прослойке (при ее наличии) между внешней поверхностью теплоизоляции и климатическим барьером, Вт/м²·К;

h_o - коэффициент теплопередачи от поверхности климатического барьера к окружающей среде, Вт/м²·К.

Типичные значения при теплоотдаче в воздух колеблются в пределах от 5 до 50 Вт/м²·К для применения при температурах ниже 50 °C.

Более подробная информация о потерях тепла трубопроводами и трубами с примером приведена в ГОСТ 31610.30-2.

Подобным образом потери тепла резервуарами q, Вт/м², могут быть определены с помощью формулы

где b₁ - толщина внутреннего слоя изоляции, м;

b₂ - толщина внешнего слоя изоляции (при его наличии), м.

Более подробная информация о потерях тепла резервуарами приведена в ГОСТ 31610.30-2.

Для удобства выбора распределенных электронагревателей их поставщики часто предоставляют простые диаграммы и графики потерь тепла для разных значений поддерживаемой температуры и разных характеристик изоляции, обычно учитывающие коэффициент безопасности.

C.6 Коэффициент безопасности при расчете потерь тепла

При расчете потерь тепла на основе теоретических величин не учитывают факторы, связанные с установкой системы на фактическом месте эксплуатации, поэтому к рассчитанным значениям необходимо применять коэффициент безопасности. Коэффициент безопасности, учитывающий требования пользователя, диапазон которых обычно составляет от 10 до 25%, используют для компенсации допусков в распределенной электронагревательной системе.

Коэффициенты безопасности необходимо использовать в связи со следующими факторами, влияющими на потерю тепла:

a) разрушение теплоизоляции;

b) колебания напряжения питания;

c) потери напряжения в разветвлениях цепи;

d) потери напряжения в электронагревателе;

e) повышенное излучение и конвекция в высокотемпературных применениях;

f) качество монтажа теплоизоляции.

C.7 Определение максимальной температуры

C.7.1 Теоретические расчеты температуры трубопровода и оболочки. Металлические объекты

Максимально возможная температура трубопровода рассчитывается при максимальной температуре окружающей среды с постоянно подключенным под напряжение электронагревателем. Формула для расчета максимально возможной температуры трубопровода получена перегруппировкой членов формулы (C.3)

где T_pr - максимальное расчетное значение температуры трубопровода, °C;

Q_sf - выходная мощность электронагревателя. При определении температурного класса стабилизированной конструкции Q_sf - наибольшая заявленная выходная мощность, которая устанавливается при максимальных допусках на выходную мощность по данным изготовителя, Вт/м, и при 110% номинального напряжения;

T_a - максимальная заявленная расчетная температура окружающей среды, °C.

Допускается применение итерационных методов для расчета формулы (C.5), чтобы получить T_pr, поскольку теплопроводность изоляции и выходная мощность электронагревателя могут зависеть от температуры трубопровода.

Температура оболочки электронагревателя T_sh, °C, может быть рассчитана по формулам (C.6) или (C.7), если T_pm превышает T_pr:

(C.6)

или

(C.7)

где Q_sf - линейная мощность распределенного электронагревателя, Вт/м;

U - общий коэффициент теплопередачи, Вт/м²·К, который является эмпирически определяемым значением;

C - периметр поперечного сечения электронагревателя, м;

T_pr - максимальное расчетное значение температуры трубопровода, °C;

T_pm - максимальное заявленное значение температуры процесса, °C.

Общие коэффициенты теплопередачи различны для разных типов электронагревателей, методов установки и конфигураций системы. Они отражают комбинацию теплопередачи за счет теплопроводности, конвективного теплообмена и теплопередачи излучением. Значение U может изменяться от 12 для цилиндрического нагревательного кабеля в воздухе (в основном конвективный теплообмен) до 170 или более для нагревателя, применяемого вместе со вспомогательными средствами теплопередачи (в основном за счет теплопроводности). По требованию заказчика изготовитель электронагревателя должен указать коэффициент U для конкретного применения или сообщить вычисленные или экспериментально установленные значения температуры оболочки.

Выходная мощность Q_sf выбранного распределенного электронагревателя должна обеспечивать устойчивость конструкции, и T_sh не должна превышать температурный класс.

C.7.2 Теоретические расчеты температуры резервуара и оболочки. Металлические резервуары

Подобным образом для резервуаров рассчитывают максимально возможную температуру при максимальной температуре окружающей среды с постоянно подключенным под напряжение электронагревателем. Формула для расчета максимально возможной температуры резервуара T_wr, °C, получена перегруппировкой членов формулы

где Q_sf - выходная мощность электронагревателя. При определении температурного класса стабилизированной конструкции Q_sf - это наибольшая заявленная выходная мощность при максимальных допусках для выходной мощности по данным изготовителя, Вт/м², и при 110% номинального напряжения;

T_a - максимальная заявленная расчетная температура окружающей среды, °C.

Допускается применение итерационных методов для расчетов по формуле (C.8) для того, чтобы получить T_wm, поскольку теплопроводность изоляции и выходная мощность электронагревателя могут зависеть от температуры резервуара.

Температура оболочки нагревательного мата или нагревательной панели может быть рассчитана по формулам (C.9) или (C.10), если T_wm превышает T_wr:

(C.9)

или

(C.10)

где Q_sf - удельная мощность нагревательного мата или нагревательной панели, Вт/м²;

T_sh - значение температуры оболочки электронагревателя, °C;

U - общий коэффициент теплопередачи, Вт/м²·К, который является эмпирически определяемым значением;

T_wr - максимальное расчетное значение температуры резервуара, °C;

T_wm - максимальное заявленное значение температуры процесса, °C.

Выходная мощность Q_sf электронагревателя, выбранного с учетом сочетания теплопотерь q и теплопередачи от электронагревателя, должна обеспечивать устойчивость конструкции и гарантировать, что T_sh не превысит температурный класс или любые другие ограничения максимальной температуры, перечисленные выше.

C.7.3 Температура оболочки для металлических объектов при применении ограничителя температуры оболочки распределенного электронагревателя или искусственного горячего пятна

Когда датчик ограничителя температуры установлен непосредственно на распределенном электронагревателе, температуру оболочки рассчитывают по формуле

(C.11)

где T_L - уставка ограничителя температуры;

- эмпирически определенная разница между температурой датчика и фактической максимальной температурой оболочки. зависит от переменных, таких как форма и масса распределенного электронагревателя и датчика, выходная мощность распределенного электронагревателя, коэффициент теплопередачи и гистерезис системы управления.

C.7.4 Теоретические расчеты температуры оболочки. Неметаллические объекты

Для неметаллических объектов необходимо учитывать термостойкость стенок объекта, так как неметаллический материал является плохим проводником тепла. Эти материалы могут иметь коэффициент теплопроводности k, равный 1/200 по отношению к теплопроводности стали, в связи с чем может возникнуть значительная разница температур с внешней и внутренней сторон стенки трубопровода или резервуара, в зависимости от удельной мощности электронагревателя. Такое превышение нормальной температуры (по сравнению с обогревом металлических трубопроводов или резервуаров) может иметь два неблагоприятных последствия:

a) превышение максимально допустимой температуры для неметаллического объекта;

b) превышение максимально допустимой температуры электронагревателя.

Температуру внешней оболочки электронагревателя в нормальных рабочих условиях можно рассчитать по формулам (C.6), (C.7), (C.9) или (C.10). Однако при вычислении U следует учитывать термическое сопротивление стенки объекта. Общий коэффициент теплопередачи для пластикового объекта U_p, Вт/м·К, вычисляют по формуле

(C.12)

где U_m - общий коэффициент теплопередачи для металлического объекта, Вт/м²;

L - толщина стенок объекта, м;

k_p - коэффициент теплопроводности материала стенок объекта, Вт/м·К.

Ввиду дополнительного термического сопротивления неметаллического материала возникает разница температур между внешней и внутренней сторонами стенки объекта, то есть температура внешней стенки объекта и температура жидкости не одинаковы, в отличие от металлического объекта. Поэтому необходимо учитывать температуру жидкости.

Для неметаллического трубопровода значение температуры оболочки электронагревателя T_sh, °C, вычисляют по формуле

где Q_sf - выходная мощность электронагревателя. При определении температурного класса стабилизированной конструкции Q_sf - это наибольшая заявленная выходная мощность при максимальных допусках для выходной мощности по данным изготовителя, Вт/м, и при 110% номинального напряжения;

T_f - температура жидкости, °C.

Подобным образом для неметаллических резервуаров уравнение имеет вид

T_f - температура жидкости, °C.

Формулы (C.13) и (C.14) - умеренное упрощение сложной задачи, включающей критерии, выходящие за пределы области настоящего стандарта. Изготовители резистивных распределенных электронагревателей должны предоставлять данные о температуре оболочки для конкретных применений.

Выходная мощность выбранного электронагревателя должна обеспечивать устойчивость конструкции, и T_sh - соответствовать температурному классу или любым другим ограничениям максимальной температуры.

C.7.5 Температура оболочки для неметаллических объектов при применении ограничителя температуры оболочки распределенного электронагревателя или искусственного горячего пятна

Когда датчик ограничителя температуры установлен непосредственно на распределенном электронагревателе, температуру оболочки рассчитывают по формуле (C.11).