陶瓷和金属正温度系数电加热器功率衰减特性研究

盛健，张华，黄加连，吴兆林，倪彬

（1-上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2-上海华族实业有限公司，上海 201404）

0 引言

空气源热泵空调是一种以室外空气为低温热源，以高品位能源为驱动，从低温热源吸取热量，连同消耗的高品位能源，提升成较高品位的热能，用于生产生活的制冷（热泵）装置，具有高效、节能、环保等优点，因而广泛应用。我国房间空调器2013年生产14,332.9万台，同比增长11.6%[1]；2014年生产15,716.9万台，同比增长11.5%[2]；2015年生产15,649.8万台，与2014年基本持平[3]；2016年生产16,049.3万台，同比增长4.5%[4]。然而在低温环境下，空气源热泵制热效率和制热量均有大幅衰减，为保障供热量，一般采用辅助电加热器进行补偿。此外，恒温恒湿空调系统的出风口末端一般也通过辅助电加热补偿来精确调控出风温度[5-7]。空调辅助电加热器属于中低温加热器，主要有普通电热管、陶瓷正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）热敏电阻加热器和金属PTC热敏电阻加热器[8-9]。

管状电热元件，以金属管为外壳、合金电热丝作发热体，在两者间充以密实的氧化镁粉或类似绝缘物作为绝缘介质、并通过引出棒接至电源的一种用于加热的元件[10]。因结构简单，制作技术难度低，日常使用方便，一直沿用至今。但随着科技进步，电热管面临各种新兴电阻加热产品的挑战，如PTC加热器，稀土厚膜电路电热元件，氮化硅陶瓷电热元件，半导体发热元件等，或有更优的温度控制特性，或有更短的升温与降温时间，或有更好的电绝缘性能及更长的使用寿命[11]等优势。PTC效应是指当电加热器超过一定温度（居里温度）时，其电阻值随着温度的升高呈阶跃性增高[12]。

常用的PTC热敏电阻加热器有陶瓷PTC电加热器和金属PTC电加热器。陶瓷PTC加热器将陶瓷PTC功率片和陶瓷无功片交叉排列，并用耐高温树脂粘接在一起，以铝管为外壳，并胀接铝制波纹翅片以强化换热。金属PTC电加热器采用镍铁合金丝（具有较大正温度系数）为发热体，以邦迪管和铝管为外壳，间隙填充氧化镁粉末，两端引出接线棒，铝管外胀接铝制肋片来强化换热[13-15]。

在陶瓷和金属PTC电加热器的广泛使用中，特别是长期使用时的发热功率衰减是最大的技术缺点，因此研究其功率衰减特性，对辅助电加热器的设计、应用有重要意义。

1 试验方法

1.1 测试PTC电加热器

测试用陶瓷PTC和金属PTC电加热器的型号分别为DF MZFR00206-MD-DF220V850W和HUAZU KSFR-220/900W(3A)，从成品中各随机抽取5只作为测试样品，所测数据分别取平均值。

1.2 测试工况

PTC电加热器的功率与换热条件相关，当换热条件较好时，PTC电加热器温度较低，故电阻值较低，电功率较大。在测试其长期使用过程中功率衰减时，必须保持相同换热条件，试验中保持环境室温20 ℃、相对湿度65%。

PTC电加热器长期使用功率衰减的测试方法，并没有相关标准，因此行业中一般按照两种测试方法。1）名义工况下，测试PTC电加热器在多次通断电后的功率衰减。两种电加热器在风速1.5 m/s气流下，均启动运行15 min，达到稳态制热，再断电冷却5 min至室温，作为一次启停实验，各进行5,000次启停试验。试验装置如图1和2所示。2）干烧工况下，测试PTC电加热器在干烧一段时间后的功率衰减。两种电加热器在静止无风环境，均通电加热运行，干烧15天。试验装置如图3和4。

两种电加热器的电压及电流参数测量采用艾诺AN7931X三相电参数综合测量仪，电压及电流测量精度±（0.2%×量程+0.3%×显示值），功率测量精度±1%，数据计算周期0.9s。温度及相对湿度测量采用VAISALA HMT338温湿度变送器，温度精度为±0.2 ℃，相对湿度精度为±(1.0+0.008×读数)%。数据采集与保存采用安捷伦34970A，测量精度均达到国标[16-17]规定的要求。

图1 名义工况下通断电测试PTC电加热器功率衰减原理图

图2 名义工况下PTC电加热器安装位置及测温点布置图

图3 干烧工况测试PTC电加热器功率衰减原理图

图4 干烧工况下PTC电加热器测温点布置图

2 实验结果及分析

2.1 名义工况PTC电加热器功率衰减

图5可见，金属PTC电加热器稳态功率从960 W逐渐下降至约930 W，下降3.13%。前4,000次下降速率基本相同，从960 W降至932 W；之后功率下降较慢。如图6所示，电加热管外壁面稳态温度从平均175 ℃左右逐渐下降至平均156 ℃，由于功率下降，而换热条件不变，因此稳态表面温度下降19 ℃。

图5 名义工况金属PTC电加热器功率

图6 名义工况金属PTC电加热器壁面温度

图7可见，陶瓷PTC电加热器经启停5,000次试验后，稳态功率从平均750 W逐渐下降至平均705 W左右，总衰减率为6.00%。前200次功率下降速率最快，之后下降速率逐渐减慢。如图8，电加热管外壁面稳态温度从平均141 ℃逐渐下降至平均137 ℃，由于功率下降，而换热条件不变，因此稳态表面温度下降约4℃。

2.2 干烧工况PTC电加热器功率衰减

如图9所示，干烧时，额定功率900 W的金属PTC电加热器实际加热功率为612.5 W左右，之后缓慢下降。至21,600 min（15天）时，加热功率下降至600 W左右，干烧后，电加热功率衰减约2.04%。

如图10所示，金属PTC电加热器外壁面温度初始在600 ℃左右波动，约18,000 min（12.5天）后壁面温度开始下降，至21,600 min（15天）壁面温度振荡下降至580 ℃，稳态表面温度下降约20 ℃。

如图11所示，干烧工况下，额定功率850 W的陶瓷PTC电加热器初始功率约为185 W；前期衰减较快，至约6,000 min（4.2天），电加热功率衰减至约171 W；之后衰减较慢，至21,600 min（15天）时，下降至170 W左右，干烧后，电加热功率衰减约8.11%。

如图12所示，干烧工况下，陶瓷PTC电加热器壁面温度初始在244 ℃左右波动，之后缓慢下降；到21,600 min（15天）时，下降至241 ℃左右波动，表面温度下降3℃。

图7 名义工况陶瓷PTC电加热器功率

图8 名义工况陶瓷PTC电加热器壁面温度

图9 干烧工况金属PTC电加热器功率

图10 干烧工况金属PTC电加热器壁面温度

图11 干烧工况陶瓷PTC电加热器功率

图12 干烧工况陶瓷PTC电加热器壁面温度

3 结论

1）金属PTC电加热器额定功率900 W，名义工况下，初始功率960 W，表面温度175 ℃；通断电运行5,000次后，稳态功率930 W，表面温度156 ℃，功率衰减3.13%，表面温度下降19℃。干烧工况下，初始功率612.5 W，表面温度600 ℃；干烧15天后，稳态功率600 W，表面温度580 ℃，功率衰减2.04%，表面温度下降20℃。

2）陶瓷PTC电加热器额定功率850 W，名义工况下，初始功率750 W，表面温度141 ℃；通断电运行5,000次后，稳态功率705 W，表面温度137 ℃，功率衰减6.00%，表面温度下降4℃。干烧工况下，初始功率185 W，表面温度244 ℃；干烧15天后，稳态功率171 W，表面温度241 ℃，功率衰减8.11%，表面温度下降3 ℃。

3）陶瓷和金属PTC电加热器功率前期衰减较快、后期衰减较慢。

4）名义工况和干烧工况下，金属PTC的衰减率分别为3.13%和2.04%，陶瓷PTC的衰减率分别为6.00%和8.11%。

5）在空调辅助电加热器进行设计选型时，均需考虑金属和陶瓷PTC辅助电加热器的功率衰减而留有裕量，根据功率衰减特性对设计裕量进行选择，金属PTC应选5%，陶瓷PTC应选10%。

6）干烧时，金属PTC表面温度达600 ℃左右，易引起安全事故。因此，必须随电加热器装有熔断器或温控器，以便当空调器万一发生风机故障，发生干烧时断电。

[1]中国人民共和国工业和信息化部. 2013年1—12月家用电器行业运行情况[EB/OL]. [2014-02-17].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n1129413 2/n12858432/n12858703/15882891.html.

[2]中国人民共和国工业和信息化部. 2014年1—12月家用电器行业运行情况[EB/OL]. [2015-02-11].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n1129413 2/n12858432/n12858703/16451184.html.

[3]中国人民共和国工业和信息化部. 2015年1—12月家用电器行业运行情况[EB/OL]. [2016-02-02].http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n 3057601/n3057608/c4629917/content.html.

[4]中国人民共和国工业和信息化部. 2016年1—12月家用电器行业运行情况[EB/OL]. [2017-02-15].http://www.miit.gov.cn/n1146312/n1146904/n1648366/n 1648371/c5487535/content.html.

[5]盛健, 张华, 倪彬, 等. 三种空调辅助电加热技术比较[J]. 建筑热能通风空调, 2016, 35(5): 64-67.

[6]李素花, 代宝民, 马一太. 空气源热泵的发展及现状分析[J]. 制冷技术, 2014, 34(1): 42-48.

[7]孙玉, 沈兆江, 张恒. 汽车空调暖风系统性能优化与效果分析[J]. 制冷技术, 2014, 34(4): 13-17.

[8]王晓洪, 翟晓强. 空气源热泵空调系统全年性能实验研究[J]. 制冷技术, 2016, 36(5): 1-7.

[9]张守信, 张聪, 张华, 等. 换热器结构布置对分体式空调室内机性能的影响[J]. 制冷技术, 2014, 34(5): 17-21.

[10]JB/T 4088-2012. 日用管状电热元件[S]. 北京: 机械工业出版社, 2012.

[11]杜进. 三相空调机组PTC电加热器的应用研究[J]. 制冷与空调, 2015, 15(8): 51-54.

[12]GB/T 7153-2002. 直热式阶跃型正温度系数热敏电阻器第1部分: 总规范[S]. 北京: 中国标准出版社, 2002.

[13]林创辉, 欧阳惕, 陈华, 等. PTC电加热器在恒温恒湿空调机上的应用研究[J]. 洁净与空调技术, 2014(4):6-10.

[14]李沛珂, 刘东, 王如竹, 等. 小温差风机盘管在空气源热泵系统中的应用[J]. 制冷技术, 2017, 37(3): 43-48.

[15]何晖. PTC电加热在空调器上的应用[J]. 河南机电高等专科学校学报, 2011, 18(1): 9-11.

[16]GB/T 17758-2010. 单元式空气调节机[S]. 北京: 中国标准出版社, 2010.

[17]GB/T 7725-2004. 房间空气调节器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2004.