トレース加熱

電気ヒートトレーシング、ヒートテープ、または表面加熱は、ヒートトレーシングケーブルを使用してパイプや容器の温度を維持または上昇させるシステムです。トレース加熱は、パイプの長さに沿って物理的に接触する電気加熱要素の形をとります。パイプは通常、パイプからの熱損失を抑えるために断熱材で覆われています。要素によって生成された熱がパイプの温度を維持します。トレース加熱は、パイプを凍結から保護したり、温水システムで一定の流量温度を維持したり、周囲温度で凝固する物質を輸送する必要がある配管のプロセス温度を維持したりするために使用できます。電気トレース加熱ケーブルは、蒸気が利用できない、または不要な場合に蒸気トレース加熱の代替手段です。^[2]

電気トレース加熱は1930年代に始まりましたが、当初は専用の機器はありませんでした。鉱物絶縁ケーブルは高電流密度で動作して熱を発生させ、制御装置は他の用途から採用されました。^[3]鉱物絶縁抵抗加熱ケーブルは1950年代に導入され、現場で長さを切断できる並列型加熱ケーブルが利用可能になりました。自己制限熱可塑性ケーブルは1971年に販売されました。^[4]

トレース加熱システムの制御システムは、1970年代の毛細管充填バルブサーモスタットと接触器から、1990年代の集中制御と監視を必要とする大規模システムにおけるネットワーク化されたコンピュータ制御へと発展しました。^[5]

ある論文では、2000年から2010年の間にトレースヒーティングが100メガワットの接続負荷を占め、トレースヒーティングと断熱材がアルバータ州のオイルサンドに最大7億カナダドルの資本投資を占めると予測されています。^[6]

電気トレース加熱システムの設計と設置に適用される国際規格には、IEEE規格515および622、英国規格BS 6351、IEC規格60208などがある^。[5]

最も一般的なパイプトレース加熱アプリケーションは次のとおりです。^{[引用が必要]}

• 凍結防止
• 温度維持
• 車道の雪解け

トレース加熱ケーブルのその他の用途としては、以下のものがある。^[要出典]

• スロープと階段の雪/氷対策
• 溝と屋根の雪/氷対策
• 床暖房
• ドア/フレームインターフェースの氷保護
• 窓の曇り止め
• 結露防止
• 池の凍結防止
• 土壌温暖化
• キャビテーションの防止
• 窓の結露を軽減する

パイプや容器の温度が周囲温度より高い場合、熱損失が発生します。断熱材は熱損失率を低下させますが、完全になくすことはできません。トレース加熱は、熱損失と供給熱のバランスをとることで、温度を氷点より上に維持します。通常、サーモスタットは、設定温度値 (通常は 3 °C ～ 5 °C で、「設定点」と呼ばれることが多い) を下回る温度が測定されると通電します。サーモスタットは、別の設定温度値 (通常は設定点値より 2 °C 高い温度) を超える温度が測定されるとトレース加熱を遮断します。

冬季に氷を溶かすために屋根や雨どいにヒート トレース ケーブルを設置します。ケーブルを雨どいに使用すると、雨どいに氷や雪がたまらないようにする目的ではなく、溶けた水が屋根から排水口や排水管に流れ落ちるための自由な経路を提供する目的のみで使用されます。

温水サービス配管もトレースできるため、出口で温水を供給するための循環システムは必要ありません。トレース加熱と動作周囲温度に適した断熱材を​​組み合わせることで、トレース加熱からの熱出力とパイプからの熱損失が一致する熱バランスが維持されます。自己制限型または調節型の加熱テープが開発されており、この用途で非常に効果的です。

同様の原理は、タールや溶融硫黄など、低温で凝固する可能性のある流体を運ぶプロセス配管にも適用できます。ヒット温度トレース加熱要素は、パイプの詰まりを防ぐことができます。

トレース加熱の産業用途は、化学産業、石油精製所、原子力発電所、食品工場など多岐にわたります。たとえば、ワックスは 70 °C 未満で固まり始める物質で、通常は周囲の空気の温度よりはるかに高くなります。したがって、パイプとその中の物質が冷えるのを防ぐために、パイプラインには外部熱源を用意する必要があります。トレース加熱は蒸気でも行えますが、蒸気源が必要で、設置や操作が面倒な場合があります。

実験室では、材料科学の分野で研究する研究者は、トレース加熱を使用してサンプルを等方的に加熱します。研究者は、伝達される熱エネルギーを制御するために、トレース加熱をバリアクと組み合わせて使用​​する場合があります。これは、物体をゆっくりと加熱して、熱膨張などの熱力学的特性を測定する効果的な手段です。

粘度の高い流体を加熱すると粘度が下がるため、パイプ内で発生する損失が減ります。そのため、正味の正味の吸引ヘッド（圧力差）を上げることができ、ポンプ駆動時にキャビテーションが発生する可能性が低くなります。ただし、流体の蒸気圧を上げすぎると、利用可能なヘッドに強い副作用が生じ、メリットが上回ってしまう可能性があるため、注意が必要です。 ^[7]

直列加熱ケーブルは、高抵抗のワイヤで構成され、絶縁され、多くの場合、保護ジャケットで覆われています。特定の電圧で電力が供給され、ワイヤの抵抗熱によって熱が発生します。このタイプのヒーターの欠点は、交差すると過熱して焼損する可能性があること、特定の長さで提供され、現場で短くできないこと、また、ラインのどこかで破損するとケーブル全体が故障することです。利点は、通常安価であること (プラスチック スタイルのヒーターの場合)、または、ミネラル絶縁加熱ケーブルと同様に、非常に高い温度にさらすことができることです。ミネラル絶縁加熱ケーブルは、プロセス ラインで高温を維持したり、高温蒸気ラインなど、非常に高温になる可能性のあるラインで低温を維持したりするのに適しています。

^[2]

通常、直列要素は、長いパイプラインのプロセス加熱、たとえば長い石油パイプラインや石油精製所の荷役パイプの岸壁側に使用されます。

定電力ケーブルは複数の定電力ゾーンで構成され、2本の絶縁された平行バス線の周りに細い加熱素子を巻き付け、導体の交互の側で絶縁体に切り込みを入れることで作られます。次に、加熱素子は通常、露出した導体線にはんだ付けされ、小さな加熱回路を形成します。これは、ケーブルの長さに沿って繰り返されます。次に、バス線を接地編組から分離する内部ジャケットがあります。商用および産業用ケーブルでは、ゴムまたはテフロン製の追加の外部ジャケットが適用されます。^[2]

直列エレメントに対するこのシステムの利点は、1 つの小さなエレメントが故障してもシステムの残りの部分は動作し続けることです。その一方で、ケーブルの損傷部分 (通常 3 フィートのスパン) は冷たいままになり、その部分が凍結する可能性があります。また、このケーブルは並列回路のため現場で必要な長さに切断できますが、回路がケーブルの最後のゾーンまでしか通っていないため、現場で取り付ける場合は通常、配管の端を少し超えて取り付ける必要があります。定ワット数ケーブルまたはヒート トレーシング ケーブルを取り付けるときは、ケーブルが重なったり接触したりしないようにすることが重要です。過熱して焼損する可能性があるためです。定ワット数ケーブルは、ケーブルの出力を制御するサーモスタットと共に常に取り付けられるため、非常に信頼性の高い加熱源になります。

このケーブルの欠点は、ほとんどの定電力ケーブルはバス ワイヤへのはんだ付け接続ではなく、押し込みタイプの接点を備えているため、ケーブルの操作や取り付けによって接続が緩み、回路が冷えやすくなることです。

自己制御型ヒート トレース テープは、温度に応じて抵抗が変化するケーブルです。ケーブルの設定温度より低い温度では抵抗が低く、ケーブルの設定温度より高い温度では抵抗が高くなります。ケーブルの温度が設定温度に達すると、抵抗が最高点に達し、それ以上の熱は供給されなくなります。

これらのケーブルは、電気を運ぶものの、それほど大きな熱を発生しない 2 本の平行バス ワイヤを使用します。これらは半導体ポリマーで覆われています。このポリマーには炭素が充填されており、ポリマー要素が加熱されると、流れる電流が少なくなるため、ケーブルは本質的に省電力であり、システムで必要な場所とタイミングでのみ熱と電力を供給します。ケーブルは製造されてから照射され、炭素含有量と投与量の両方を変えることで、異なる出力特性を持つさまざまなテープを製造できます。このケーブルの利点は、現場で長さに合わせて切断できることです。一定ワット数のケーブルよりも頑丈で信頼性がはるかに高く、それ自体が過熱することはないため交差させることができますが、この方法でテープを取り付けるのは好ましくありません。自己制御型および一定ワット数の加熱ケーブルには特定の最大露出温度があり、高温にさらされるとテープが修復できないほど損傷する可能性があります。また、自己制限型テープは、誘導モーターと同様にコールド スタート時に高い突入電流の影響を受けるため、定格の高い接触器が必要です。

トレース ヒート ケーブルは、単相または (グループで) 三相電源に接続できます。電力は、コンタクタまたはソリッド ステート コントローラによって制御されます。自己制御ケーブルの場合、システムが冷えた状態から起動すると、電源は大きなウォームアップ電流を供給する必要があります。正確な温度維持が必要な場合は、コンタクタまたはコントローラにサーモスタットを含めることができます。また、穏やかな天候の場合は凍結防止システムを停止するだけの場合もあります。

電気ヒート トレース システムには、人員と機器の保護のために漏電 (接地故障またはRCD ) デバイスが必要になる場合があります。システム設計では、不要なトリップを防ぐために漏れ電流を最小限に抑える必要があります。これにより、個々の加熱回路の長さが制限される場合があります。

3 相システムは、ラインのどこかにあるサーモスタットによって制御される 3 相モーターの「直接オンライン」スターターに似た接触器を介して給電されます。これにより、温度が一定に保たれ、ラインが過熱または過熱状態にならないことが保証されます。

加熱がオフになったためにラインが凍結した場合、トレース加熱を使用して解凍するのに時間がかかることがあります。この解凍は、3 相システムで「オートトランス」を使用してより高い電圧 (したがってより高い電流) を与え、トレース加熱要素を少し熱くすることで行われます。ブースト システムは通常タイマーで動作し、一定時間後に「通常」に戻ります。

• 住宅用ヒートテープ安全性に関する CPSC 通知 (米国)