相變發熱系統的設計與制作

魏建強

（西安外事學院，西安，710077）

0 引言

在我國公路建設網中，瀝青路面由于具有表面平整無接縫，施工速度快，行車舒適度高等優點被廣泛使用。大量的調查和研究證明，路面狀況的好壞是影響道路交通運輸的重要因素，在冬季路面常因為雨雪結冰使路面摩察系數下降，從而使行車安全和交通運輸能力大大降低。甚至造成道路臨時關閉，給客貨運輸帶來不便，同時也帶來巨大的經濟損失由此可見，研究瀝青路面的融雪化冰問題對保證行車安全和道路通暢具有非常重要的意義。

1 本文研究的思路

針對現在所使用的氯化鹽類融雪劑的缺點和現階段融雪化冰的研究現狀，利用相變材料（phase change materials，PCM）的儲能性能和對熱量的緩沖作用，將相變材料和發熱體相結合，設計用于融雪化冰的發熱系統；這樣既起到融雪化冰的效果，又不會由于發熱量太高對瀝青混凝土路面產生破壞，從而設計出用于瀝青路面融雪化冰的相變發熱系統。

2 相變發熱系統的設計與制作

2.1 相變發熱材料的篩選

目前雖然PCM 廣泛應用于各個領域，但并不是所有可以發生相變的物質都可以用作熱能貯存和溫度控制，不同的應用領域對相變材料有不同的要求。

本文中相變材料在相變發熱系統中起到的作用有兩個，一是起到熱量緩沖和過熱保護作用，防止熱源周圍溫度上升過快、過高，使瀝青混凝土的力學性能和耐久性受到影響；二是起到節約能源的作用，利用相變材料的儲能特性，保存一部分熱量，在熱源斷電后溫度下降的過程中，當溫度低于相變點時，保存的熱量釋放出來，起到融雪化冰和延緩溫度下降的作用。

參考瀝青混合料的不利檢測溫度是60℃（60℃就會出現車轍、泛油等病害），選取熔點小于60℃的相變材料。

根據相變材料的篩選原則，初步選取YZS、TPSL 這兩種材料進行進一步的優選測試。

2.2 相變材料的性能測試

圖1.1 YZS（工業用）DSC 曲線圖

圖1.2 TPSL(工 業用)DSC 曲 線圖

圖1.1～圖1.2 是2 種材料經DSC 測試后得到的熱重圖。圖上得到的曲線即DSC 曲線，由此曲線可以直觀地得到相變材料的相變點，并且可以通過計算得到其相變潛熱。

圖1.1YZS（工業用）的測試曲線很不錯，測試的相變溫度為51.433℃，相變潛熱為147.374J/g。出現第二個峰值是由于測試的樣品為工業用YZS，里面含有雜質造成的。第二次出現的相變點為70.693℃，相變潛熱的為56.565 J/g。

圖1.2 的TPSL 在升溫過程中出現了兩次峰值，一個在46.8℃，一個在61.2℃。出現這種情況的原因是46.8℃的那次相變為固－固相變，61.2℃的相變固－液相變，且是最主要的相變，相變潛熱為148.012 J/g。

YZS分析純、工業用YZS和TPSL兩種相變材料經過DSC法測試，結合相變點和相變潛熱。工業用YZS 的相變點和相變潛熱最符合實際應用的條件，所以選取工業用YZS 作為相變發熱系統所用的相變材料。

2.3 發熱材料的選擇

本文需要的發熱材料不僅對功率有嚴格的要求，對耐久性、變形性能、可裁剪性也提出要求。對市場上可能用于本課題的發熱材料進行研究分析對比：具體性能特點見表1.2

根據表1.2 可知，恒功率電伴熱帶的性能完全滿足本課題的要求，所以選用恒功率電伴熱帶為發熱系統的熱源。

2.4 相變發熱系統的設計與制作

2.4.1 發熱功率的確定

發熱功率越大，單位時間內相變發熱系統產生的熱量就越多，瀝青混凝土路面溫度上升的速度越快，但采用較大的鋪裝功率將大幅增加相變發熱體統的造價，且有可能造成能源的浪費。鋪裝功率過小，預熱時間過長或不能達到融雪化冰的要求，不能使雪及時融化。所以應考慮在保證融雪化冰的前提下，盡量減小鋪裝功率，以便節約能源。具體采用的鋪裝功率的大小應根據相變發熱系統所在瀝青混凝土的厚度、密度、比熱、導熱系數的大小，環境溫度、風速、融雪溫度及預熱時間的要求等因素綜合考慮。

武海琴、李炎鋒等人通過對發熱電纜融雪化冰的研究表明:采用發熱電纜融雪化冰系統,鋪裝功率為250～350 W/m2 時,可以滿足一般氣象條件下的實時融雪要求。本課題根據發熱帶功率和融雪化冰的要求，確定發熱功率為320 W/m2。制作長度為80 cm的鋼管，選用功率為40W/m 的發熱帶，則鋼管間距為10 cm。

2.4.2 相伴發熱系統的設計

以相變發熱系統放出的熱量可以融化1 h 的中雪（極大值，55.4 kJ/h）來計算。如果滿足要求，則可以確定鋼管的直徑，同時也就確定相變材料的用量。根據相變材料的密度和鋼管的間距計算得知，當鋼管直徑達到18mm 時，相變材料放出的熱量可以滿足設計要求，所以鋼管的直徑選取18mm。

根據設計的相變發熱系統和確定的發熱功率，制作了50cm×100cm 的相變發熱系統如下圖所示。

3 結束語

本文設計的相變發熱系統通過相變吸熱產生的能量緩沖作用，成為發熱體中的溫控介質，可以改變、調控相變發熱系統的溫度場分部，提高了材料體系的蓄熱能力和熱惰性。為瀝青路面的融雪化冰研究提供了一定的方法和依據。

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