相变发热系统的设计与制作

魏建强

（西安外事学院，西安，710077）

0 引言

在我国公路建设网中，沥青路面由于具有表面平整无接缝，施工速度快，行车舒适度高等优点被广泛使用。大量的调查和研究证明，路面状况的好坏是影响道路交通运输的重要因素，在冬季路面常因为雨雪结冰使路面摩察系数下降，从而使行车安全和交通运输能力大大降低。甚至造成道路临时关闭，给客货运输带来不便，同时也带来巨大的经济损失由此可见，研究沥青路面的融雪化冰问题对保证行车安全和道路通畅具有非常重要的意义。

1 本文研究的思路

针对现在所使用的氯化盐类融雪剂的缺点和现阶段融雪化冰的研究现状，利用相变材料（phase change materials，PCM）的储能性能和对热量的缓冲作用，将相变材料和发热体相结合，设计用于融雪化冰的发热系统；这样既起到融雪化冰的效果，又不会由于发热量太高对沥青混凝土路面产生破坏，从而设计出用于沥青路面融雪化冰的相变发热系统。

2 相变发热系统的设计与制作

2.1 相变发热材料的筛选

目前虽然PCM 广泛应用于各个领域，但并不是所有可以发生相变的物质都可以用作热能贮存和温度控制，不同的应用领域对相变材料有不同的要求。

本文中相变材料在相变发热系统中起到的作用有两个，一是起到热量缓冲和过热保护作用，防止热源周围温度上升过快、过高，使沥青混凝土的力学性能和耐久性受到影响；二是起到节约能源的作用，利用相变材料的储能特性，保存一部分热量，在热源断电后温度下降的过程中，当温度低于相变点时，保存的热量释放出来，起到融雪化冰和延缓温度下降的作用。

参考沥青混合料的不利检测温度是60℃（60℃就会出现车辙、泛油等病害），选取熔点小于60℃的相变材料。

根据相变材料的筛选原则，初步选取YZS、TPSL 这两种材料进行进一步的优选测试。

2.2 相变材料的性能测试

图1.1 YZS（工业用）DSC 曲线图

图1.2 TPSL(工 业用)DSC 曲 线图

图1.1～图1.2 是2 种材料经DSC 测试后得到的热重图。图上得到的曲线即DSC 曲线，由此曲线可以直观地得到相变材料的相变点，并且可以通过计算得到其相变潜热。

图1.1YZS（工业用）的测试曲线很不错，测试的相变温度为51.433℃，相变潜热为147.374J/g。出现第二个峰值是由于测试的样品为工业用YZS，里面含有杂质造成的。第二次出现的相变点为70.693℃，相变潜热的为56.565 J/g。

图1.2 的TPSL 在升温过程中出现了两次峰值，一个在46.8℃，一个在61.2℃。出现这种情况的原因是46.8℃的那次相变为固－固相变，61.2℃的相变固－液相变，且是最主要的相变，相变潜热为148.012 J/g。

YZS分析纯、工业用YZS和TPSL两种相变材料经过DSC法测试，结合相变点和相变潜热。工业用YZS 的相变点和相变潜热最符合实际应用的条件，所以选取工业用YZS 作为相变发热系统所用的相变材料。

2.3 发热材料的选择

本文需要的发热材料不仅对功率有严格的要求，对耐久性、变形性能、可裁剪性也提出要求。对市场上可能用于本课题的发热材料进行研究分析对比：具体性能特点见表1.2

根据表1.2 可知，恒功率电伴热带的性能完全满足本课题的要求，所以选用恒功率电伴热带为发热系统的热源。

2.4 相变发热系统的设计与制作

2.4.1 发热功率的确定

发热功率越大，单位时间内相变发热系统产生的热量就越多，沥青混凝土路面温度上升的速度越快，但采用较大的铺装功率将大幅增加相变发热体统的造价，且有可能造成能源的浪费。铺装功率过小，预热时间过长或不能达到融雪化冰的要求，不能使雪及时融化。所以应考虑在保证融雪化冰的前提下，尽量减小铺装功率，以便节约能源。具体采用的铺装功率的大小应根据相变发热系统所在沥青混凝土的厚度、密度、比热、导热系数的大小，环境温度、风速、融雪温度及预热时间的要求等因素综合考虑。

武海琴、李炎锋等人通过对发热电缆融雪化冰的研究表明:采用发热电缆融雪化冰系统,铺装功率为250～350 W/m2 时,可以满足一般气象条件下的实时融雪要求。本课题根据发热带功率和融雪化冰的要求，确定发热功率为320 W/m2。制作长度为80 cm的钢管，选用功率为40W/m 的发热带，则钢管间距为10 cm。

2.4.2 相伴发热系统的设计

以相变发热系统放出的热量可以融化1 h 的中雪（极大值，55.4 kJ/h）来计算。如果满足要求，则可以确定钢管的直径，同时也就确定相变材料的用量。根据相变材料的密度和钢管的间距计算得知，当钢管直径达到18mm 时，相变材料放出的热量可以满足设计要求，所以钢管的直径选取18mm。

根据设计的相变发热系统和确定的发热功率，制作了50cm×100cm 的相变发热系统如下图所示。

3 结束语

本文设计的相变发热系统通过相变吸热产生的能量缓冲作用，成为发热体中的温控介质，可以改变、调控相变发热系统的温度场分部，提高了材料体系的蓄热能力和热惰性。为沥青路面的融雪化冰研究提供了一定的方法和依据。

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