幾種養(yǎng)蠶加熱裝置升溫試驗(yàn)初報(bào)

青學(xué)剛 李文學(xué) 陳寶瑞 張友洪 劉剛 何建梅肖文福 張劍飛 朱德高

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所，四川 南充 637000；2.宜賓市蠶業(yè)管理站，四川 宜賓 615400； 3.富順縣蠶桑中心，四川 富順 643200)

養(yǎng)蠶過(guò)程中環(huán)境升溫加熱是家蠶健康養(yǎng)殖的需要，特別是蠶種催青、小蠶共育、大蠶上蔟階段尤為重要。現(xiàn)行的加熱裝置有地火龍、加熱爐、電熱線、油汀、暖氣片、空調(diào)等，它們有的費(fèi)用低、但污染大，有的污染小、能量轉(zhuǎn)化率低，篩選一種轉(zhuǎn)換率高、污染小、安裝方便的加熱裝置顯得非常必要[1]。

本研究采用篩選的碳纖維加熱板和石墨烯加熱膜與相同功率的電熱線升溫架[2](電壓220V、功率800W)進(jìn)行對(duì)比升溫加熱試驗(yàn)，模擬蠶房升溫環(huán)境，探討?zhàn)B蠶環(huán)境加熱的效果。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 碳纖維加熱板 220V，800W，長(zhǎng)×寬×高：880cm×780cm×44cm(四川省南充市桃園生物化學(xué)研究開(kāi)發(fā)有限公司提供)。

1.1.2 石墨烯加熱膜 220V，800W，長(zhǎng)×寬×高：880cm×780cm×2cm(四川省南充市桃園生物化學(xué)研究開(kāi)發(fā)有限公司提供)。

1.1.3 電熱線升溫架 型號(hào)：7032 220V，800W，(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所提供)。

1.2 試驗(yàn)方法

將三種加熱裝置分別平放在地面，通電加熱后，每隔3min記錄離加熱裝置50cm、100cm、150cm高度溫度，繪制時(shí)間溫度曲線。

將三種加熱裝置同時(shí)平放在同一個(gè)密閉養(yǎng)蠶房間，通電加熱后，每隔3min記錄離三種加熱裝置50cm高度溫度，繪制時(shí)間溫度曲線。

1.3 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所綜合大樓一樓107室，長(zhǎng)×寬=5760mm×4310mm，面積24.83m2，該室具有環(huán)境智能控制系統(tǒng)，具有同時(shí)監(jiān)測(cè)并自動(dòng)記錄3個(gè)位點(diǎn)的溫度和濕度數(shù)據(jù)的功能。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳纖維加熱板升溫效果

從碳纖維加熱板不同距離升溫效果來(lái)看，距離50cm與100cm、150cm的溫差較大，100cm、150cm的溫度接近，在60min溫度穩(wěn)定后溫差達(dá)到6℃左右，見(jiàn)圖1。

2.2 石墨烯加熱膜升溫效果

石墨烯加熱膜的升溫規(guī)律與碳纖維加熱板比較一致：距離50cm與100cm、150cm的溫差較大，100cm、150cm的溫度接近，在60min溫度穩(wěn)定后溫差達(dá)到6℃左右，見(jiàn)圖2。

2.3 電熱線升溫架升溫效果

距離50cm與100cm、150cm，采用電熱線升溫架升溫，溫差一般，100cm、150cm的溫度接近，在60min溫度穩(wěn)定后溫差達(dá)到2℃左右，見(jiàn)圖3。

圖1 碳纖維加熱板不同時(shí)間150cm、100cm、50cm距離的溫度曲線

圖2 石墨烯加熱膜不同時(shí)間150cm、100cm、50cm距離的溫度曲線

2.4 三種加熱裝置升溫效果比較

三種加熱裝置不同時(shí)間情況下的溫度結(jié)果，碳纖維加熱板與石墨烯加熱膜加熱的溫度非常接近，基本沒(méi)有差別，而碳纖維加熱板高于電熱線升溫架溫度1℃，高4.2%，說(shuō)明碳纖維加熱板與石墨烯加熱膜的熱效率高于電熱線升溫架，同時(shí)，三種加熱裝置加熱到穩(wěn)定溫度的速度差距不大，見(jiàn)圖4。

圖3 電熱線升溫架不同時(shí)間150cm、100cm、50cm距離的溫度曲線

圖4 不同時(shí)間三種加熱裝置100cm的溫度曲線

2.5 三種加熱裝置成本比較

碳纖維加熱板與石墨烯加熱膜成本差不多，比值為+4，而電熱線升溫架成本遠(yuǎn)低于前兩種，比值達(dá)到-47，為碳纖維加熱板的57%，接近一半，見(jiàn)表1：

表1 三種加熱裝置成本比較表

3 討論

3.1 材料特性比較

試驗(yàn)的柔性線狀碳纖維電熱板是一種現(xiàn)在流行加熱裝置，在交變電場(chǎng)的作用下，發(fā)熱體中碳原子之間產(chǎn)生分子運(yùn)動(dòng)并發(fā)生劇烈的摩擦和撞擊，產(chǎn)生的熱能以遠(yuǎn)紅外輻射和對(duì)流的形式對(duì)外傳遞，其電能與熱能的轉(zhuǎn)換率高達(dá)98%以上。根據(jù)檢測(cè)，柔性線狀碳纖維電熱元件節(jié)電效果比金屬電熱元件節(jié)電高達(dá)30%。在節(jié)電的前提下柔性線狀碳纖維電熱元件升溫快，通電加熱5～30min就可以達(dá)到設(shè)定的溫度[3]。

試驗(yàn)的石墨烯加熱膜是現(xiàn)在國(guó)際最先進(jìn)的一種加熱材料，它采用二維原子晶體-石墨烯來(lái)發(fā)熱。石墨烯是一層密集的、包裹在蜂巢晶體點(diǎn)陣上的碳原子，厚度僅有0.34nm。具有許多的特性，比如高的機(jī)械強(qiáng)度(楊氏模量高達(dá)1TPa)、良好的導(dǎo)電(電阻率僅106Ω/cm)、導(dǎo)熱性(導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K)、高飽和電流密度(可承受1～2 億A/cm2的電流度)及大的比表面積(理論高達(dá)2630m2/g)。由石墨烯制成的加熱膜具有加熱快、散熱快，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。而且石墨烯作為發(fā)熱材料，沒(méi)有風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流，也不需要對(duì)大熱容量的導(dǎo)熱油進(jìn)行預(yù)熱，電熱轉(zhuǎn)化效率接近100%，升溫速度快，可以做到即開(kāi)即熱，省去了預(yù)熱過(guò)程浪費(fèi)的能量。同時(shí)，石墨烯加熱膜是以遠(yuǎn)紅外線低溫輻射(87%以上)為主要能量傳遞方式，這種輻射是8 到15 微米的遠(yuǎn)紅外線，在低溫輻射條件下，室內(nèi)無(wú)冷點(diǎn)和熱點(diǎn)，溫度均衡，保濕[4]。

試驗(yàn)的電熱線升溫架電熱升溫架由耐高溫阻燃發(fā)熱導(dǎo)線經(jīng)過(guò)絕緣耐溫瓷珠、瓷接頭在固定架上按照W形繞制而成，耐高溫阻燃發(fā)熱導(dǎo)線采用進(jìn)口耐高溫塑料繞包而成，耐溫可達(dá)200℃，線芯為7035型，具有較強(qiáng)的彎曲性，溫度可達(dá)250℃。

3.2 效果比較

碳纖維加熱板、石墨烯電熱板、電熱線升溫架三種加熱裝置升溫速度相差不大，最高溫度相比，碳纖維加熱板≈石墨烯電熱板，高于電熱線升溫架，這與石墨材料的高發(fā)熱性一致。

3.3 成本比較

目前從單位面積成本來(lái)看，碳纖維加熱板與石墨烯電熱板相當(dāng)，高于電熱線升溫架。在新型材料大量應(yīng)用推廣后，碳纖維加熱板和石墨烯電熱板成本應(yīng)該會(huì)降低，利于該新型加熱裝置在養(yǎng)蠶行業(yè)的應(yīng)用推廣。