相變儲(chǔ)能路面發(fā)熱融雪材料體系的試驗(yàn)研究*

霍曼琳 馬保國(guó) 魏建強(qiáng) 張 昉 陳鵬柱

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽材料工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070) (蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院2) 蘭州 730070)

道路的交通運(yùn)力相當(dāng)程度上取決于路面狀況的好壞.交通路面的附著力不夠,是運(yùn)動(dòng)車輛產(chǎn)生車輪側(cè)滑或剎車距離延長(zhǎng)的根本原因[1];惡劣氣候條件(如極端雨雪天氣等)對(duì)車輛行駛的動(dòng)力性及安全性極為不利.撒固體食鹽(或鹽水)是國(guó)內(nèi)外道路融雪化冰的主要手段,然而也同時(shí)帶來(lái)嚴(yán)重的腐蝕破壞和環(huán)境污染[2];熱融化法中的通電加熱形式,如發(fā)熱電纜融雪化冰系統(tǒng)無(wú)污染、熱穩(wěn)定性好、控制方便[3],但在面層材料中產(chǎn)生較大的溫度梯度和溫度反復(fù)突變,使路面易開(kāi)裂老化,工作能耗大.針對(duì)加熱融雪方式必然存在的熱應(yīng)力及其損害,本文提出相變儲(chǔ)能路面發(fā)熱融雪材料體系的設(shè)計(jì)方法,并在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上討論相變材料(phase change materials,PCM)的溫控作用機(jī)理和效能,為交通關(guān)鍵路段無(wú)損防凍抗滑智能材料體系研究的深入進(jìn)行提供技術(shù)支撐和實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 相變儲(chǔ)能路面發(fā)熱融雪材料體系的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)途徑

1.1 采用熱融化法,選擇安全、理想、工程適用的發(fā)熱體熱源

本研究所用熱源要求具有足夠的發(fā)熱功率;良好的耐久性;最好為可隨意彎曲或變形的線狀體;長(zhǎng)度要能任意裁剪而使用方便靈活.經(jīng)比較得知:發(fā)熱電纜功率大,但不可裁剪,長(zhǎng)度均為定值或需向廠家定制;自控溫電伴熱帶長(zhǎng)度可裁剪,但自控溫的限制使發(fā)熱量難以滿足融雪要求.恒功率電伴熱帶發(fā)熱功率恒定、選擇余地大,柔韌、方便敷設(shè),發(fā)熱量、耐久性(50 a)、可裁剪性等均滿足要求,可選作發(fā)熱體熱源.

1.2 引入相變材料,調(diào)控發(fā)熱體溫度場(chǎng)分布

具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)(相,固-液,固-固和氣-液)的能力的物質(zhì)即為相變材料.伴隨相變過(guò)程吸收或釋放的能量,稱為相變潛熱.以固-液相變?yōu)槔?在加熱到熔化溫度時(shí),就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變,熔化的過(guò)程中,相變材料吸收并儲(chǔ)存大量的潛熱;當(dāng)PCM冷卻時(shí),儲(chǔ)存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去,進(jìn)行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變.利用材料的相變潛熱可以實(shí)現(xiàn)能量的貯存和時(shí)空位置間的轉(zhuǎn)換,還可以控制體系的溫度[4].

相變材料相變時(shí)的能量緩釋作用,使其可作為溫控介質(zhì),用以改變、調(diào)控發(fā)熱融雪材料體系的溫度場(chǎng)分布.已有研究采用PCM 來(lái)避免或延緩一些橋面或者路面混凝土的凍融循環(huán)破壞[5].相變材料選擇應(yīng)遵循以下原則:較高的儲(chǔ)熱能力、合適的相變溫度、吸(放)熱時(shí)溫度變化盡可能小、生態(tài)友好、無(wú)毒、100%的可循環(huán)、使用壽命長(zhǎng)、在相變過(guò)程中性能穩(wěn)定,易于操作.固-液相變材料在較小溫度范圍內(nèi)發(fā)生相變,潛熱較大而體積變化相對(duì)較小,目前應(yīng)用最為廣泛.

1.3 封裝材料或容器要保證組成材料間的匹配相容

封裝材料是對(duì)PCM而言的,屬于材料體系組成材料之一,設(shè)計(jì)與制備時(shí)要考慮與各材料間的相容性問(wèn)題.封裝材料應(yīng)密封良好,保持PCM與熱源材料的性質(zhì)穩(wěn)定,耐熱、不影響熱量的傳遞;應(yīng)對(duì)熱源有防護(hù)作用,避免雨雪水滲漏而造成安全性下降;應(yīng)具有一定的強(qiáng)度,可以經(jīng)受各種環(huán)境下的安裝使用;應(yīng)與路面材料相互牢固結(jié)合,且不降低路面的路用性能等.在熱、荷載、化學(xué)物質(zhì)綜合作用下,封裝材料不得被侵蝕、損傷、變形或開(kāi)裂.金屬和塑料是最常見(jiàn)的PCM 容器.但金屬怕腐蝕,塑料怕降性.

2 相變儲(chǔ)能路面發(fā)熱融雪材料體系的設(shè)計(jì)與制備

2.1 組成材料

1)磨耗層 SMA瀝青混合料.其不利檢測(cè)溫度為60℃.

2)熱源 RDP2(Q)-J4-40恒功率并聯(lián)式電伴熱帶,興化德圣電熱電器儀表廠生產(chǎn).

3)PCM 相變點(diǎn)低于60℃的有機(jī)物質(zhì).此類材料蓄熱密度較大,熱學(xué)性能穩(wěn)定,但導(dǎo)熱系數(shù)較小;腐蝕性較小;對(duì)容器密封性要求不高,只需保證PCM不泄漏即可.采用直接接觸式集總封裝方法[6].

4)封裝材料 以管狀較為適宜.材質(zhì)、管徑和壁厚根據(jù)PCM設(shè)計(jì)裝填量、瀝青混凝土覆面層厚度及其傳熱能力和速率、發(fā)熱體的鋪裝工藝、路面路用性能以及成本等選定.

5)密封材料 LG-31高分子液體膠,湖北回天膠業(yè)股份有限公司生產(chǎn);生料帶.

2.2 PCM用量和封裝材料管徑的初步確定

根據(jù)不同降雪等級(jí)對(duì)發(fā)熱材料體系融雪熱量的需求,可以初步確定PCM 的用量,進(jìn)而可以計(jì)算出封裝材料的管徑.計(jì)算中假設(shè)發(fā)熱材料體系放出的熱量完全用于融雪化冰,即熱量在傳遞過(guò)程中無(wú)損失,也未與外界環(huán)境發(fā)生熱交換;還要扣除熱源所占體積.計(jì)算涉及參數(shù)有PCM的相變潛熱、密度、比熱容和封裝材料的密度、比熱容等.

2.3 相變儲(chǔ)能路面發(fā)熱融雪材料體系試件制備

試驗(yàn)中認(rèn)為雨雪結(jié)冰溫度為0℃,選擇低溫環(huán)境模擬溫度為-5℃,控制融雪溫度在3℃[7].不同降雪等級(jí)相應(yīng)的融雪所需熱量計(jì)算值列于表1.

表1 不同降雪等級(jí)融雪所需熱量計(jì)算值(-5℃條件下)

以中雪(極大值)1 h降雪量為試驗(yàn)依據(jù),其融雪所需熱量為55.4 k J/h.選定試驗(yàn)發(fā)熱功率為320 W/m2.由計(jì)算得到封裝管的內(nèi)徑尺寸.試驗(yàn)中,管內(nèi)填裝PCM 質(zhì)量413.6 g,發(fā)熱體在理想狀態(tài)下可儲(chǔ)存最大能量為135.6 kJ.考慮熱量在傳遞過(guò)程和熱交換時(shí)的損失,認(rèn)為發(fā)熱體釋放的熱量能夠滿足融雪需求.

相變儲(chǔ)能發(fā)熱體設(shè)計(jì)形式如圖1所示.圖中:4.1即4號(hào)傳感器,試件表面1 cm以下;2.0即2號(hào)傳感器,位于試件表面.為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠,試件除上表面裸露在空氣中外,其余各表面均鋪貼聚苯乙烯泡沫塑料保溫層(40 mm).

圖1 相變儲(chǔ)能發(fā)熱體設(shè)計(jì)示意以及溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

3 發(fā)熱體表面溫度變化態(tài)勢(shì)測(cè)試

試驗(yàn)中,發(fā)熱體設(shè)計(jì)有3種不同的結(jié)構(gòu):FC(熱源)、FCT(封裝材料 +熱源)、XFCT(封裝材料+PCM+熱源),用來(lái)比對(duì)PCM 及其封裝材料對(duì)熱源溫度傳遞與調(diào)控的作用和影響.根據(jù)發(fā)熱體表面溫度變化態(tài)勢(shì),可以分析評(píng)價(jià)PCM的溫控作用機(jī)理和效能.

3.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

1)多功能環(huán)境模擬系統(tǒng)型號(hào)DGNHJ-20,武漢金亞泰儀器設(shè)備公司生產(chǎn).能進(jìn)行環(huán)境溫度(-30～80 ℃)、濕度(RH 0%～100%)的調(diào)控模擬.

2)溫度傳感器鉑電阻(Pt100)型.

3)電子秤最大稱量15 kg,精度1 g,上海大和衡器有限公司生產(chǎn).

4)碎冰機(jī)型號(hào)BD-A109,上海冰都電器有限公司生產(chǎn).

3.2 不同環(huán)境條件下發(fā)熱體表面溫度曲線

溫度測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)或多功能環(huán)境模擬系統(tǒng)中進(jìn)行.將鉑電阻(Pt100)溫度傳感器固定在發(fā)熱體表面上.在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定時(shí),為消除室內(nèi)空氣流動(dòng)對(duì)測(cè)試的影響,置發(fā)熱體于專門(mén)為其制作的水泥砂漿保溫容器內(nèi).不同環(huán)境條件下發(fā)熱體表面溫度曲線見(jiàn)圖2.

3.3 試驗(yàn)結(jié)論與分析

由圖2可見(jiàn):

1)不同結(jié)構(gòu)的發(fā)熱體,其表面溫度變化態(tài)勢(shì)相似.發(fā)熱體與環(huán)境進(jìn)行熱交換,歷經(jīng)通電加熱快速溫升、緩慢溫升達(dá)到最高點(diǎn)、斷電急劇溫降等幾個(gè)階段.

2)在快速溫升階段,升溫速率以FC最快,FCT次之,XFCT最慢;而斷電后的降溫速率亦有同樣規(guī)律.如常溫封閉有熱交換情況下,XFCT在56 min時(shí)才達(dá)到FC在32 min時(shí)達(dá)到的相同的溫度.這是因?yàn)镕C直接與環(huán)境進(jìn)行熱交換,熱傳遞迅速,導(dǎo)致表面溫度突變;FCT中空氣介質(zhì)的存在使得傳熱受阻,溫度變化幅度稍緩;而XFCT中的PCM相變吸(放)熱,起著能量釋放緩慢的作用.也因此,常溫?zé)o熱交換時(shí)發(fā)熱體表面溫度最高,常溫有熱交換時(shí)稍低,負(fù)溫下的最低.

3)在緩慢溫升階段,XFCT的最高溫度值最大,但升溫速率仍最慢.當(dāng)常溫?zé)o熱交換時(shí),XFCT在 156 min時(shí)溫升開(kāi)始變緩,最高溫度為84.3℃,從 80 ℃到 84.3℃用時(shí) 157 min,而FCT在 88 min時(shí)溫升開(kāi)始變緩,最高溫度為81.1℃,從77℃到81.1℃用時(shí)102 min;常溫有熱交換時(shí),加熱56min后,XFCT的溫度開(kāi)始高于FC和FCT,直到180 min時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)70℃,FC和FCT卻早在50 min左右就溫度基本持平在約60℃;-5℃條件下XFCT的最高溫度達(dá)到26.8℃,高于FCT的19.0℃和FC的20.9℃.產(chǎn)生如此溫變態(tài)勢(shì)的原因在于相變儲(chǔ)能發(fā)熱體有較高的的儲(chǔ)熱能力和熱惰性,以及發(fā)熱體中各組成 材 料 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 不 同 (λ封裝材料=80 W/(m? ℃),λPCM＜1 W/(m? ℃)).

圖2 不同環(huán)境條件下發(fā)熱體表面溫度曲線

熱惰性是指物體在受熱時(shí)其溫度變化的滯后性.熱惰性小的物體受熱后溫度很快上升,冷卻時(shí)溫度很快下降;熱惰性大的物體則反之.一般熱惰性大的物體熱容量也大,并且導(dǎo)熱性差.這樣就使得XFCT與FCT在具有相同封裝材料和輸入功率條件下,前者的表面溫度更高且升溫最慢.由于封裝材料熱傳導(dǎo)快,所以在熱源輸入功率相同時(shí),盡管FCT有空氣層的熱傳遞減緩作用,使早期的表面溫度低于FC,但在常溫下當(dāng)熱交換達(dá)到平衡后,表現(xiàn)為兩者最高溫度基本相同且恒定,后期曲線也基本重合,而負(fù)溫時(shí)的溫度甚至低于FC.

4)XFCT溫度曲線升降溫階段有較顯著的相變平臺(tái),此時(shí)溫變速率大大減小.在無(wú)熱交換條件下相變點(diǎn)為48.3～50.3℃;有熱交換時(shí)相變點(diǎn)為47.2～49.8℃.相變點(diǎn)略小于DSC測(cè)試的PCM相變溫度,這僅是由于XFCT表面的測(cè)試溫度低于內(nèi)部PCM的實(shí)際溫度.

5)將溫度傳感器放入XFCT內(nèi)部,測(cè)得的熱源表面最高溫度達(dá)到了48.9℃.雖然沒(méi)有超過(guò)60℃,但這是處于-5℃與環(huán)境發(fā)生熱交換時(shí)的測(cè)試結(jié)果.如果其處于PCM發(fā)熱融雪材料體系中,則由于瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較小(1.05 W/(m?℃)),熱源表面溫度會(huì)遠(yuǎn)高于瀝青的不利檢測(cè)溫度.

4 PCM溫度調(diào)控作用機(jī)理與效能分析探討

4.1 熱沖擊對(duì)瀝青路面破壞作用機(jī)理分析

熱源的額定功率較大時(shí),在工作狀態(tài)下表面溫度往往超過(guò)100℃.由于空氣是熱的不良導(dǎo)體,所以要融化路面冰雪,只能從空氣中吸收很少熱量,大部分熱量需從接觸冰雪的路面吸收.倘若熱源被面層材料直接包裹發(fā)熱,那么路面磨耗層內(nèi)部及面層中部經(jīng)受著高溫作用且傳熱,而表面處于冰雪環(huán)境散熱很快.在瀝青混凝土中必然產(chǎn)生較大的溫度梯度和溫度的反復(fù)驟然升降變化,使路面因受到較大的熱沖擊作用而開(kāi)裂破壞,對(duì)瀝青混合料的使用性能和耐久性也造成不利影響.

4.2 PCM在發(fā)熱材料體系中的控溫節(jié)能作用機(jī)理分析

XFCT中的PCM在熱源釋放能量時(shí)吸熱用于進(jìn)行相變,這樣發(fā)熱體表面的溫度變化速率小,溫度不是很高,減輕了包裹其外的瀝青材料因多次經(jīng)受高溫作用而發(fā)生軟化、老化,降低路用性能和使用壽命的可能性;同時(shí)使得路面溫升升幅平緩,瀝青結(jié)構(gòu)層中溫度場(chǎng)分布較均勻,溫度梯度小,溫度裂縫發(fā)生的條件大大弱化.而當(dāng)路表溫度大于融雪控制溫度、電源斷電降溫時(shí),PCM發(fā)生逆相變放熱,使得瀝青面層可在一段時(shí)間內(nèi)保持溫度不低于融雪控制溫度.這表明可以利用相變潛熱融雪化冰,實(shí)現(xiàn)熱源間歇通電、節(jié)省能源.

4.3 PCM溫控作用效能分析探討

表2是發(fā)熱體表面溫度急劇變化時(shí)的變化速率.結(jié)合圖2、表2可以得出:

1)PCM相變是在等溫或近似等溫的條件下發(fā)生的,因此在蓄、放能過(guò)程中溫度和熱流基本恒定.據(jù)此,通過(guò)采用不同相變點(diǎn)的PCM 可以進(jìn)行路面發(fā)熱材料體系的溫度控制.

2)PCM相變吸放熱產(chǎn)生的能量緩釋作用,使XFCT表面的升降溫速率只有FC在相同階段的1/3～1/4,溫度變化平緩,熱量在向路表傳遞過(guò)程中熱沖擊的作用和破壞大為減弱.

表2 發(fā)熱體表面溫度急劇變化時(shí)的變化速率

3)相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)熱能力比顯熱材料要大.有資料顯示,在相同質(zhì)量且同樣吸收44.3 J的熱量下,混凝土溫度升高49.22℃,而含61%PCM的相變儲(chǔ)能建筑材料的溫度只升高1℃.PCM不僅提高了XFCT的蓄熱能力,而且提高了發(fā)熱體的熱惰性,周期性溫度波在其內(nèi)部的衰減加快,熱穩(wěn)定性變好.XFCT的表面溫度高,意味著在同樣熱源輸入功率情況下,較之其他結(jié)構(gòu)發(fā)熱體有著更多的熱量傳向路面,融雪效能大.

4)有機(jī)PCM的致命弱點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)小,不能及時(shí)將所蓄熱量交換出去.但XFCT中的封裝材料起到增大材料體系導(dǎo)熱系數(shù)的附加作用,使發(fā)熱體調(diào)溫功能得以較好發(fā)揮.

5)在溫度曲線的冷卻階段,可以看到斷電后相變儲(chǔ)能發(fā)熱體仍能較長(zhǎng)時(shí)間保持較高溫度.如-5℃時(shí),發(fā)熱體斷電后降溫至0℃所需時(shí)間,XFCT比FC要長(zhǎng)30 min左右.這是相變儲(chǔ)能發(fā)熱體節(jié)能的根本原因.

5 PCM路面發(fā)熱融雪材料體系試件的模擬融雪試驗(yàn)

試驗(yàn)在多功能環(huán)境模擬系統(tǒng)中-5℃條件下進(jìn)行.發(fā)熱融雪材料體系試件、冰塊、電子秤、碎冰機(jī)、輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)備等均在-5℃條件下恒溫2 h左右.取中雪極大值1 h雪量,換算成相應(yīng)質(zhì)量的冰,用碎冰機(jī)粉碎、過(guò)篩,即成試驗(yàn)用“雪”.進(jìn)行溫度傳感器的校正和測(cè)點(diǎn)布置(見(jiàn)圖1).將“雪”一次性均勻散在試件表面上,隨即通電加熱融雪.在融雪過(guò)程中,環(huán)境溫度始終保持在-5℃.融雪情況(圖略).雪45 min后開(kāi)始融化,82 min時(shí)已基本融完.

6 結(jié)束語(yǔ)

PCM通過(guò)相變吸熱產(chǎn)生的能量緩釋作用,成為發(fā)熱體中的溫控介質(zhì),可以改變、調(diào)控發(fā)熱融雪材料體系中的溫度場(chǎng)分布,提高了材料體系的蓄熱能力和熱惰性.同時(shí),PCM路面發(fā)熱融雪材料體系試件的模擬融雪試驗(yàn)表明,對(duì)發(fā)熱材料體系的熱源、溫控介質(zhì)、容器等組成材料進(jìn)行比對(duì)優(yōu)選,其材質(zhì)品種選擇恰當(dāng),彼此間相容匹配、性能相長(zhǎng);PCM的封裝方式、PCM發(fā)熱體的結(jié)構(gòu)以及PCM路面發(fā)熱融雪材料體系試件的設(shè)計(jì)與制備,合理簡(jiǎn)便、易操作,在適當(dāng)輸入功率下,能較好地滿足路面融雪化冰的熱能及時(shí)間需求.本研究為交通樞紐關(guān)鍵區(qū)域無(wú)損防凍抗滑智能材料體系的深入開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐和實(shí)驗(yàn)依據(jù),也為PCM及相變儲(chǔ)能材料在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用和拓展奠定了一定的基礎(chǔ).

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