碳纤维发热线温升特性研究

2019-07-18 08:54张永超赵录怀

工业加热 2019年3期

张永超，赵录怀，徐微

（1.西安交通大学城市学院，陕西西安710018；2.西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049）

碳纤维是国民经济与国防军工的重要战略物资，属于技术密集型关键材料，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐普及。在当今世界高速工业化的大背景下，碳纤维用途正趋向多样化[1]。碳纤维发热线由碳纤维编绕而成，发热线具有强度高、质量轻、耐热性好、热膨胀系数小、电热转换效率高、功耗低、使用寿命长，并且具有安全性能好、绿色环保、能够耐2 000 ℃高温等特点，且具有良好的导电性能[2-4]。在使用过程中电磁辐射波为零，不易断裂、氧化、脱落，且更换方便[5]。21世纪，碳纤维发热体替代金属发热体将成为一种必然的趋势[6-8]。

综合现有参考文献，仅有少量对碳纤维发热线的发热特性进行研究。本文对常用的两种规格、不同长度碳纤维发热线进行了温升试验，研究了温度、电流、电压和温升时间的变化规律，其研究成果将为碳纤维的应用提供工程参考。

1 试验设计

本文主要研究常用的两种规格发热线在空气中工作时的温度、电流、电压和温升时间的变化规律，为此，设计了两类试验。

（1）在额定电压220 V下，测量其温度、电流、电压和温升时间的变化规律。

（2）在200、220、240 V 电压下，测量其温度和温升时间的变化规律。

2 试验过程及数据分析

2.1 试验材料及仪器

3K（3 000 根）的铁氟龙（碳纤维发热线的包皮）碳纤维发热线，长度分别是4、5、6 m；6K的硅胶（碳纤维发热线的包皮）碳纤维发热线，长度分别是6、7、8 m；三相交流调压器其型号为TDGC2-3KVA；福禄克（FLUKE）F62MAX 红外测温仪，测量温度范围-30～5 000 ℃，万用表型号为FY890D。

2.2 试验数据及分析

（1）额定电压220 V 下其最高温度、电阻、功率和温升时间。在环境温度为23.1 ℃的空气中给3K 型4 m发热线通电，利用F62MAX测量发热线的表面温度，每0.5 min 计录1 次温度计数据，温度达到稳态时记录万用表电流，通电10 min 后断电，得到第一组数据。进行下次试验时，丝束至少断电1 h 待完全冷却后进行，重复第一次试验10 次，得到10 组200 个数据，剔除粗大误差后求平均值，其他发热线与3K-4 m发热线试验方法相同。发热线的试验结果如表1所示，总功率按照U2/R计算，温升时间为温度从通电到稳态值的90%所用的时间。

由表1 可知，对于同一型号的发热线，长度和电阻、温升时间成正比，和最高温度、功率成反比。

表1 220 V电压发热线试验结果

（2）测量碳纤维发热线最高温度时的电流。温度达到稳态时记录万用表电流数据，测量10 次，剔除粗大误差，求其平均值。通过实验数据发现，同一规格不同长度碳纤维发热线电流的变化小于0.01 A。因此，本文只列3K-4 m和6K-6 m伏安特性试验数据拟合曲线如图1所示，发热线长度和电流的关系式如表2所示，x代表碳纤维发热线供电电压，y代表碳纤维发热线最高温度时的电流。由表2 和图1 可知，碳纤维发热线最高温度时的伏安特性近似呈线性分布。

图1 3K-4 m、6K-6 m最高温度时的伏安特性曲线

表2 3K-4 m、6K-6 m最高温度时的伏安特性关系

（3）测量碳纤维发热线在不同电压下工作，时间和温度变化规律。在环境温度为23.1 ℃的空气中给发热线通电，分别在200，220，240V 下工作，测量3K-4 m、3K-5 m、3K-6 m，6K-6 m、6K-7 m、6K-8 m时间和表面温度变化规律。利用F62MAX 测量某一个发热线的表面温度，每0.5 min计录1次温度计数据，通电10 min后断电，得到第一组数据。进行下组试验时，丝束至少断电1 h完全冷却后进行，重复上一组试验10次，得到某一个碳纤维发热线10 组共200 个数据，剔除粗大误差后求平均值，其他发热线也采用相同的试验方法。数据拟合曲线如图2 碳纤维发热线电压、温度与时间变化规律，同时得到各碳纤维发热线电压、温度与时间关系如表3所示。

表3 铁氟龙碳钎维发热线3K-4 m不同电压下温升与通电时间关系

由MATLAB 拟合函数可知拟合的可信度为95%，具有较高的精度。在实际工作中，可以根据升温需要，计算通电时间，以便于电脑自动控制，也有利于节约能源，降低成本。表中的x代表通电时间，y代表升高温度。

图2 碳纤维发热线电压、温度与时间变化规律

3 结语

（1）同一型号的碳纤维发热线，长度和最高温度、功率成反比，和电阻、温升时间成正比。

（2）得到了碳纤维发热线温度、电流、电压、温升时间的变化规律，其研究成果将为碳纤维的应用提供工程参考。