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【學(xué)術(shù)精選】國內(nèi)外加熱電纜的發(fā)展現(xiàn)狀分析

來源: 作者: 時間:2023-09-12
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導(dǎo)讀



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(jié)能高效、機(jī)械強(qiáng)度高、物理和化學(xué)性能穩(wěn)定、事故發(fā)生率低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)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(fā)熱源、導(dǎo)熱絕緣、護(hù)套等部分組成,以電線電纜為載體,將電能轉(zhuǎn)化為熱能。


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精讀
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加熱電纜的分類

按照發(fā)熱元件不同,可將加熱電纜分為非線性發(fā)熱元件加熱電纜和線性發(fā)熱元件加熱電纜。非線性發(fā)熱元件加熱電纜的核心材料一般為具備正溫度系數(shù)(PTC)效應(yīng)的半導(dǎo)電材料,如自調(diào)節(jié)/自限溫加熱電纜。線性發(fā)熱元件通常采用金屬材料或碳纖維材料作為核心發(fā)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(fā)熱元件加熱電纜


自調(diào)節(jié)/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(yīng)的可交聯(lián)導(dǎo)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(diào)節(jié)加熱電纜。


圖1 自調(diào)節(jié)加熱電纜結(jié)構(gòu)示意圖


自調(diào)節(jié)加熱電纜可根 據(jù)其表面溫度實(shí)時變化調(diào)節(jié)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(diào)控設(shè)備,能夠節(jié)省敷設(shè)成本和安裝成本,具有使用方便、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),是冬季防凍和低溫采暖的理想產(chǎn)品。


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線性發(fā)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(lián)電伴熱帶、并聯(lián)電伴熱帶和礦物絕緣(MI)加熱電纜。串聯(lián)/并聯(lián)電伴熱帶的發(fā)熱部件主要是由高阻合金材料(如銅、鎳、鉻、鋁、鐵等)構(gòu)成,母線是兩根平行的絕緣銅線,其與內(nèi)絕緣層上纏繞的合金發(fā)熱絲和母線連接形成連續(xù)且等距的并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)。


圖2 恒功率加熱電纜結(jié)構(gòu)示意圖


當(dāng)接通電源后,母線上并聯(lián)的連續(xù)等距電阻將電能轉(zhuǎn)化為熱能,從而形成一條輸出功率穩(wěn)定且溫度精確、恒定可控的加熱電纜,但該類電纜的生產(chǎn)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(fā)熱導(dǎo)體、礦物粉末(通常為氧化鎂粉)絕緣層和金屬護(hù)套(不銹鋼護(hù)套、銅護(hù)套、銅鎳合金護(hù)套等)組成。


圖3 MI加熱電纜結(jié)構(gòu)示意圖


MI加熱電纜具備更加優(yōu)異的耐高溫性能,是一種環(huán)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(tǒng)可應(yīng)用在道路、停車場、室外樓梯等戶外設(shè)施中,能夠大大降低由自然災(zāi)害引起的事故發(fā)生率,保障人們的生產(chǎn)生活安全。另可根據(jù)防腐蝕、防機(jī)械損傷等需求,在金屬護(hù)套外周擠包一層高密度聚乙烯(HDPE)或阻燃HDPE塑料外護(hù)套,制備出性能更加優(yōu)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(fā)熱導(dǎo)體、絕緣層和外護(hù)套組成,絕緣層材料為聚四氟乙烯(PTFE),外護(hù)套采用環(huán)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生熱能,通過熱傳導(dǎo)的傳熱方式將附近介質(zhì)加熱,再由熱對流向外傳導(dǎo)熱量,以達(dá)到采暖的目的。碳纖維加熱電纜的發(fā)熱效率較高,電熱效率可達(dá)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(yōu)點(diǎn)。

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加熱電纜的發(fā)展現(xiàn)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(hù)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(jī)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(chǎn)所用的主要原材料,在生產(chǎn)成本中占比較大,該部分材料的價(jià)格波動將直接影響加熱電纜的生產(chǎn)成本及銷售價(jià)格。


金屬外護(hù)套常用不銹鋼或銅等材料,可通過穩(wěn)定化處理,提升外護(hù)套的耐酸堿腐蝕性能;非金屬外護(hù)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(jù)具體功能對材料進(jìn)行物理性能或化學(xué)性能改性;絕緣材料具備性能優(yōu)異、質(zhì)量輕、易運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),常見有PVC、乙丙橡膠(硫化)(EPR)、交聯(lián)聚乙烯(XLPE)和乙烯/乙酸乙烯(交聯(lián))(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(jìn)展


目前,國外加熱電纜的研發(fā)水平、生產(chǎn)技術(shù)水平和配套服務(wù)能力較為領(lǐng)先,對新型加熱電纜和基于加熱電纜構(gòu)建的供熱系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究,推動該行業(yè)向著更加成熟的方向前進(jìn)。


我國雖然擁有相對成熟的加熱電纜生產(chǎn)技術(shù)和工藝,但高性能原材料依賴進(jìn)口,同時缺乏產(chǎn)品定制、產(chǎn)品迭代和配套服務(wù)能力,在市場越來越趨向于成本導(dǎo)向和服務(wù)導(dǎo)向的競爭中難以適應(yīng),企業(yè)需要不斷提升自身的綜合實(shí)力,拓展和增強(qiáng)加熱電纜的應(yīng)用范圍及系統(tǒng)配套能力。


表1 國內(nèi)加熱電纜授權(quán)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(fā)方向主要集中于功能迭代及應(yīng)用范圍的拓展,同時,也對加熱電纜的供暖系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等進(jìn)行了研究設(shè)計(jì),進(jìn)一步提升了加熱電纜系統(tǒng)的配套能力。


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加熱電纜市場現(xiàn)狀


目前,加熱電纜多用于電發(fā)熱取暖,歐美等發(fā)達(dá)國家(如挪威、法國、瑞典等)電發(fā)熱取暖技術(shù)起步較早、技術(shù)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(fā)熱取暖市場,雖在東北、西北、華北、中部和華東地區(qū)(有相當(dāng)一部分的城鎮(zhèn)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(xiāng)等工作。2017年5月,財(cái)政部、住建部、環(huán)保部、國家能源局積極聯(lián)合啟動了北方地區(qū)冬季清潔取暖試點(diǎn)工作,但受限于群眾認(rèn)可度低以及其他一系列的問題,導(dǎo)致我國電取暖技術(shù)的市場推廣阻力大,普及率并不高。


表2 電伴熱系統(tǒng)常見的應(yīng)用場景


2016-2020年,全球加熱電纜的產(chǎn)量持續(xù)增長,但其增長率卻呈下降趨勢,這表明電伴熱行業(yè)進(jìn)入微利成熟期,成本導(dǎo)向及產(chǎn)品導(dǎo)向需更進(jìn)一步向著配套服務(wù)導(dǎo)向發(fā)展。


歐美等發(fā)達(dá)國家在發(fā)熱電纜產(chǎn)業(yè)深耕多年,激烈的市場競爭使得資金和技術(shù)更為集中,具備成熟的研發(fā)技術(shù)和完善的伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,出現(xiàn)了許多加熱電纜核心廠商。


如Danfoss公司的氣候方案事業(yè)部供熱業(yè)務(wù)中,提供了地暖、融冰化雪和智慧供暖等業(yè)務(wù),不僅具有完整的供暖系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)一步提升使用體驗(yàn);NVent Raychem公司致力于工業(yè)、商業(yè)和民用住宅用電伴熱產(chǎn)品的研制和系統(tǒng)的設(shè)計(jì),為管道防凍、工藝管道伴熱、儲罐伴熱、船舶防凍和凍脹防護(hù)等市場提供了一系列較為完善的解決方案,在實(shí)際應(yīng)用中為海上鉆探、破冰船的正常運(yùn)行、工業(yè)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定、住戶舒適的居住環(huán)境等保駕護(hù)航;Thermon公司不僅在工藝管道伴熱、防凍保護(hù)和融冰化雪等方面具備完整的流程保證,還可進(jìn)行煙氣自動監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)的定制化服務(wù)。


而我國經(jīng)過幾十年的發(fā)展,電伴熱行業(yè)的競爭日趨激烈,產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度不斷減緩。究其原因,是我國加熱電纜的研發(fā)技術(shù)革新速度及服務(wù)配套能力與歐美等發(fā)達(dá)國家仍有一定的差距。


不過,隨著生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)能力的不斷進(jìn)步,我國也有相當(dāng)一部分的企業(yè)具備了制造高技術(shù)含量產(chǎn)品的能力,如國內(nèi)某電氣集團(tuán)有限公司專注于管道、儲罐和建筑中的電伴熱項(xiàng)目,現(xiàn)有產(chǎn)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(nèi)某線纜集團(tuán)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(chǎn)品的使用壽命。

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加熱電纜相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比

在國際范圍內(nèi),國際電工委員會(IEC)、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CSA)、電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)等組織或參與加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)的制定與修訂工作。現(xiàn)將國內(nèi)外現(xiàn)行的加熱電纜(系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)按照不同的適用范圍進(jìn)行分類并對比,結(jié)果見表3。


表3 現(xiàn)行有關(guān)加熱電纜的標(biāo)準(zhǔn)適用范圍對比


由表3可以看出,我國加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了常規(guī)地點(diǎn)和危險(xiǎn)地點(diǎn),但仍存在不足之處,如商業(yè)用加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)與國外的標(biāo)準(zhǔn)相比略為薄弱。而歐美等發(fā)達(dá)國家制定的加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)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(chǎn)工藝、檢測方法、性能指標(biāo)等要求的變化,緊跟生產(chǎn)或檢測等技術(shù)的進(jìn)步,及時地對過時標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行升級,更新后的加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)將保持與時俱進(jìn)的規(guī)范指導(dǎo)功能。


我國加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)的制定經(jīng)驗(yàn)不足、加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)修訂較為滯后,其中部分加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)的制定大多是參考國外加熱電纜標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而修改制定出符合我國國情的標(biāo)準(zhǔn),如生活設(shè)施加熱和防結(jié)冰用加熱電纜基本等同參照標(biāo)準(zhǔn)IEC 60800:1992,與之對應(yīng)的現(xiàn)行加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 20841-2007《額定電壓300/500V生活設(shè)施加熱和防結(jié)冰用加熱電纜》。


我國在加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)中的制定工作,需盡快吸取發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),深入結(jié)合我國加熱電纜生產(chǎn)的現(xiàn)狀,不斷地對加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善,最終具備獨(dú)立制定加熱電纜標(biāo)準(zhǔn)的能力。



隨著“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的推進(jìn),加熱電纜作為一種安全、低碳的采暖方式,將具有更大的發(fā)展空間。但目前客戶對加熱電纜硬件、軟件及服務(wù)支持的滿意度仍有待提高,國內(nèi)的電伴熱系統(tǒng)在功能使用、性能穩(wěn)定、信息交互上相比于國外產(chǎn)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(jié)合能效評估、供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、在線溫度監(jiān)控、智能控制系統(tǒng)等方向深入展開。



《電線電纜》1958年由國家新聞出版署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊,上海市國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會主管,上海電纜研究所有限公司主辦,是電線電纜行業(yè)應(yīng)用類學(xué)術(shù)刊物。主要欄目有綜述、線纜產(chǎn)品、線纜材料、測試技術(shù)、敷設(shè)運(yùn)行、工藝設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)交流等,報(bào)道國內(nèi)外電線電纜行業(yè)的新理論、新方法、新技術(shù)、新成果,歡迎來稿!

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來源 | 上纜所傳媒


編輯 | 常   佳

審核 | 何曉芳


【聲明】本文為原創(chuàng)內(nèi)容,版權(quán)歸“上纜所傳媒”所有,未經(jīng)授權(quán)請勿轉(zhuǎn)載。







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