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碳纖維發熱線用于路面融雪化冰的技術研究

來源: 時間:2019-03-13 09:44:47 次數:

碳纖維是一種新型的高性能纖維增強材料,具有高強度,高模量,耐高溫,耐磨,抗疲勞,耐腐蝕,抗蠕變,導電和導熱等諸多優異性能。它可減輕構件重量,從而提高了構件技術性能。因此用碳纖維作為電熱體有著金屬、PTC等電熱體所不可比擬的諸多的優異性能:
碳纖維是一種新型的高性能纖維增強材料,具有高強度,高模量,耐高溫,耐磨,抗疲勞,耐腐蝕,抗蠕變,導電和導熱等諸多優異性能。它可減輕構件重量,從而提高了構件技術性能。因此用碳纖維作為電熱體有著金屬、PTC等電熱體所不可比擬的諸多的優異性能:



升溫迅速

能產生人體需要的生命之光遠紅外線8μm-15μm。

電熱轉換效率高,節省電能

碳纖維電熱體是一種全黑體材料,電熱轉化效率比金屬發熱提高30%,電熱效率約100%。

抗拉強度高

在相同的允許的電流負荷面積下,碳纖維的強度比金屬絲高6—10倍,在使用過程中不會發生折斷,因此在電熱過程中抗拉強度沒有什么改變。

斷線不起弧

有效杜絕火災的發生。

重量輕

有效減輕構件重量,從而提高了構件技術性能。

化學性能穩定

耐腐蝕,不易被氧化。在無氧狀態下加熱到3000度,其機械性能不發生任何變化,在電熱狀態下克服了金屬絲、PTC、碳化硅電熱體強度低,易氧化燒斷的缺點。

使用壽命長

碳纖維發熱體與建筑同壽命。


路面狀況的好壞是影響道路交通的重要因素,在冬季,當水泥混凝土路面因降雪而積雪結冰時,給行車安全和人民生活帶來了嚴重的影響,甚至造成巨大的經濟損 失。目前世界各國廣泛采用撒鹽(NaCl,CaCl_2)來融雪化冰的方法,嚴重影響道路路面混凝土的耐久性,對路面設施造成損害,破壞周圍生態環境,因 此尋求新型的融雪化冰方法具有十分重要的現實意義。 

 

本文將碳纖維發熱線作為電熱材料鋪設于混凝土路面中,以路面冬季融雪化冰為研究背景,重點對碳纖維發熱線混凝土的電熱效應融雪化冰的可行性進行了研究,同 時應用傳熱學知識,對影響融雪化冰效果的因素進行了試驗分析,所做的研究對碳纖維發熱線用于混凝土路面融雪化冰的工程應用提供了理論基礎和參考價值。主要 工作如下: 

        (1)根據能量守恒定律,建立并求解碳纖維發熱線混凝土電熱升溫和降溫微分方程,得到碳纖維發熱線混凝土在升溫和降溫階段溫度隨時間的變化曲線,該曲線綜 合反映了混凝土的截面尺寸、散熱面積、電熱功率以及對流輻射換熱系數對混凝土升降溫過程的影響。通過試驗測試布置碳纖維混凝土的電熱升溫和降溫曲線,試驗 結果與理論計算值吻合較好。

        (2)利用碳纖維發熱線的電熱效應進行路面融雪化冰時,對流輻射換熱損失是影響路面融雪化冰效果的主要因素,而風力等級、環境溫度、有無隔熱層等對熱量損 失有很大影響。通過分析混凝土大板在不同的輸入功率下板表面溫升與風力等級、環境溫度的關系,得到風力等級、環境溫度對板表面溫升效果的影響;通過對混凝 土小板有、無隔熱層的溫升試驗研究,得到有、無隔熱層時板表面溫升效果的差別。 

       (3)建立碳纖維發熱線混凝土板融雪化冰的試驗裝置,對碳纖維發熱線混凝土板的發熱均勻性進行試驗測試,研究結果表明,當間距為10 cm時,碳纖維發熱線混凝土通電后,混凝土板表面能產生均勻分布的熱量,以滿足均勻融化冰雪的需要。         (4)對碳纖維發熱線混凝土小板進行室內(冰柜)融化冰雪的試驗研究,得到輸入功率、環境溫度和冰雪層的厚度對融化時間的影響,在此基礎上,對混凝土大板 在野外進行了融雪化冰應用試驗研究。研究結果表明,當鋪裝功率為500 W/m~2~1000 W/m~2時,利用碳纖維發熱線混凝土板通電后產生的熱量能夠有效地清除路面上的冰雪,滿足冬季道路融雪化冰的需要。

       (5)發熱線混凝土板融雪化冰的溫度場有限元分析采用結冰的路面作為研究對象。由試錯法根據溫升試驗的溫度監測結果確定溫度場有限元分析中的重要參數:混凝土導熱系數,再將該導熱系數運用于混凝土板的融雪化冰有限元分析計算中。與試驗結果相比,數值結果較準確模擬了布置發熱線的混凝土板融雪化冰的過程,證明了該計算方法的可行性?;炷谅访嫒谘┗挠邢拊A測分析給出了不同天氣條件下3-4小時內融雪化冰的輸入功率和發熱線布置間距。該預測分析為實際工程中混凝土板內發熱線設計及輸入功率的選取提供了參考和借鑒。

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