相变储能路面发热融雪材料体系的试验研究*

霍曼琳 马保国 魏建强 张 昉 陈鹏柱

(武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室1) 武汉 430070) (兰州交通大学土木工程学院2) 兰州 730070)

道路的交通运力相当程度上取决于路面状况的好坏.交通路面的附着力不够,是运动车辆产生车轮侧滑或刹车距离延长的根本原因[1];恶劣气候条件(如极端雨雪天气等)对车辆行驶的动力性及安全性极为不利.撒固体食盐(或盐水)是国内外道路融雪化冰的主要手段,然而也同时带来严重的腐蚀破坏和环境污染[2];热融化法中的通电加热形式,如发热电缆融雪化冰系统无污染、热稳定性好、控制方便[3],但在面层材料中产生较大的温度梯度和温度反复突变,使路面易开裂老化,工作能耗大.针对加热融雪方式必然存在的热应力及其损害,本文提出相变储能路面发热融雪材料体系的设计方法,并在实验基础上讨论相变材料(phase change materials,PCM)的温控作用机理和效能,为交通关键路段无损防冻抗滑智能材料体系研究的深入进行提供技术支撑和实验依据.

1 相变储能路面发热融雪材料体系的关键技术及其实现途径

1.1 采用热融化法,选择安全、理想、工程适用的发热体热源

本研究所用热源要求具有足够的发热功率;良好的耐久性;最好为可随意弯曲或变形的线状体;长度要能任意裁剪而使用方便灵活.经比较得知:发热电缆功率大,但不可裁剪,长度均为定值或需向厂家定制;自控温电伴热带长度可裁剪,但自控温的限制使发热量难以满足融雪要求.恒功率电伴热带发热功率恒定、选择余地大,柔韧、方便敷设,发热量、耐久性(50 a)、可裁剪性等均满足要求,可选作发热体热源.

1.2 引入相变材料,调控发热体温度场分布

具有在一定温度范围内改变其物理状态(相,固-液,固-固和气-液)的能力的物质即为相变材料.伴随相变过程吸收或释放的能量,称为相变潜热.以固-液相变为例,在加热到熔化温度时,就产生从固态到液态的相变,熔化的过程中,相变材料吸收并储存大量的潜热;当PCM冷却时,储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去,进行从液态到固态的逆相变.利用材料的相变潜热可以实现能量的贮存和时空位置间的转换,还可以控制体系的温度[4].

相变材料相变时的能量缓释作用,使其可作为温控介质,用以改变、调控发热融雪材料体系的温度场分布.已有研究采用PCM 来避免或延缓一些桥面或者路面混凝土的冻融循环破坏[5].相变材料选择应遵循以下原则:较高的储热能力、合适的相变温度、吸(放)热时温度变化尽可能小、生态友好、无毒、100%的可循环、使用寿命长、在相变过程中性能稳定,易于操作.固-液相变材料在较小温度范围内发生相变,潜热较大而体积变化相对较小,目前应用最为广泛.

1.3 封装材料或容器要保证组成材料间的匹配相容

封装材料是对PCM而言的,属于材料体系组成材料之一,设计与制备时要考虑与各材料间的相容性问题.封装材料应密封良好,保持PCM与热源材料的性质稳定,耐热、不影响热量的传递;应对热源有防护作用,避免雨雪水渗漏而造成安全性下降;应具有一定的强度,可以经受各种环境下的安装使用;应与路面材料相互牢固结合,且不降低路面的路用性能等.在热、荷载、化学物质综合作用下,封装材料不得被侵蚀、损伤、变形或开裂.金属和塑料是最常见的PCM 容器.但金属怕腐蚀,塑料怕降性.

2 相变储能路面发热融雪材料体系的设计与制备

2.1 组成材料

1)磨耗层 SMA沥青混合料.其不利检测温度为60℃.

2)热源 RDP2(Q)-J4-40恒功率并联式电伴热带,兴化德圣电热电器仪表厂生产.

3)PCM 相变点低于60℃的有机物质.此类材料蓄热密度较大,热学性能稳定,但导热系数较小;腐蚀性较小;对容器密封性要求不高,只需保证PCM不泄漏即可.采用直接接触式集总封装方法[6].

4)封装材料 以管状较为适宜.材质、管径和壁厚根据PCM设计装填量、沥青混凝土覆面层厚度及其传热能力和速率、发热体的铺装工艺、路面路用性能以及成本等选定.

5)密封材料 LG-31高分子液体胶,湖北回天胶业股份有限公司生产;生料带.

2.2 PCM用量和封装材料管径的初步确定

根据不同降雪等级对发热材料体系融雪热量的需求,可以初步确定PCM 的用量,进而可以计算出封装材料的管径.计算中假设发热材料体系放出的热量完全用于融雪化冰,即热量在传递过程中无损失,也未与外界环境发生热交换;还要扣除热源所占体积.计算涉及参数有PCM的相变潜热、密度、比热容和封装材料的密度、比热容等.

2.3 相变储能路面发热融雪材料体系试件制备

试验中认为雨雪结冰温度为0℃,选择低温环境模拟温度为-5℃,控制融雪温度在3℃[7].不同降雪等级相应的融雪所需热量计算值列于表1.

表1 不同降雪等级融雪所需热量计算值(-5℃条件下)

以中雪(极大值)1 h降雪量为试验依据,其融雪所需热量为55.4 k J/h.选定试验发热功率为320 W/m2.由计算得到封装管的内径尺寸.试验中,管内填装PCM 质量413.6 g,发热体在理想状态下可储存最大能量为135.6 kJ.考虑热量在传递过程和热交换时的损失,认为发热体释放的热量能够满足融雪需求.

相变储能发热体设计形式如图1所示.图中:4.1即4号传感器,试件表面1 cm以下;2.0即2号传感器,位于试件表面.为使实验结果可靠,试件除上表面裸露在空气中外,其余各表面均铺贴聚苯乙烯泡沫塑料保温层(40 mm).

图1 相变储能发热体设计示意以及温度测点布置图

3 发热体表面温度变化态势测试

试验中,发热体设计有3种不同的结构:FC(热源)、FCT(封装材料 +热源)、XFCT(封装材料+PCM+热源),用来比对PCM 及其封装材料对热源温度传递与调控的作用和影响.根据发热体表面温度变化态势,可以分析评价PCM的温控作用机理和效能.

3.1 主要实验仪器设备

1)多功能环境模拟系统型号DGNHJ-20,武汉金亚泰仪器设备公司生产.能进行环境温度(-30～80 ℃)、湿度(RH 0%～100%)的调控模拟.

2)温度传感器铂电阻(Pt100)型.

3)电子秤最大称量15 kg,精度1 g,上海大和衡器有限公司生产.

4)碎冰机型号BD-A109,上海冰都电器有限公司生产.

3.2 不同环境条件下发热体表面温度曲线

温度测试在实验室室内或多功能环境模拟系统中进行.将铂电阻(Pt100)温度传感器固定在发热体表面上.在实验室测定时,为消除室内空气流动对测试的影响,置发热体于专门为其制作的水泥砂浆保温容器内.不同环境条件下发热体表面温度曲线见图2.

3.3 试验结论与分析

由图2可见:

1)不同结构的发热体,其表面温度变化态势相似.发热体与环境进行热交换,历经通电加热快速温升、缓慢温升达到最高点、断电急剧温降等几个阶段.

2)在快速温升阶段,升温速率以FC最快,FCT次之,XFCT最慢;而断电后的降温速率亦有同样规律.如常温封闭有热交换情况下,XFCT在56 min时才达到FC在32 min时达到的相同的温度.这是因为FC直接与环境进行热交换,热传递迅速,导致表面温度突变;FCT中空气介质的存在使得传热受阻,温度变化幅度稍缓;而XFCT中的PCM相变吸(放)热,起着能量释放缓慢的作用.也因此,常温无热交换时发热体表面温度最高,常温有热交换时稍低,负温下的最低.

3)在缓慢温升阶段,XFCT的最高温度值最大,但升温速率仍最慢.当常温无热交换时,XFCT在 156 min时温升开始变缓,最高温度为84.3℃,从 80 ℃到 84.3℃用时 157 min,而FCT在 88 min时温升开始变缓,最高温度为81.1℃,从77℃到81.1℃用时102 min;常温有热交换时,加热56min后,XFCT的温度开始高于FC和FCT,直到180 min时达到最高点70℃,FC和FCT却早在50 min左右就温度基本持平在约60℃;-5℃条件下XFCT的最高温度达到26.8℃,高于FCT的19.0℃和FC的20.9℃.产生如此温变态势的原因在于相变储能发热体有较高的的储热能力和热惰性,以及发热体中各组成 材 料 的 导 热 系 数 不 同 (λ封装材料=80 W/(m◦ ℃),λPCM＜1 W/(m◦ ℃)).

图2 不同环境条件下发热体表面温度曲线

热惰性是指物体在受热时其温度变化的滞后性.热惰性小的物体受热后温度很快上升,冷却时温度很快下降;热惰性大的物体则反之.一般热惰性大的物体热容量也大,并且导热性差.这样就使得XFCT与FCT在具有相同封装材料和输入功率条件下,前者的表面温度更高且升温最慢.由于封装材料热传导快,所以在热源输入功率相同时,尽管FCT有空气层的热传递减缓作用,使早期的表面温度低于FC,但在常温下当热交换达到平衡后,表现为两者最高温度基本相同且恒定,后期曲线也基本重合,而负温时的温度甚至低于FC.

4)XFCT温度曲线升降温阶段有较显著的相变平台,此时温变速率大大减小.在无热交换条件下相变点为48.3～50.3℃;有热交换时相变点为47.2～49.8℃.相变点略小于DSC测试的PCM相变温度,这仅是由于XFCT表面的测试温度低于内部PCM的实际温度.

5)将温度传感器放入XFCT内部,测得的热源表面最高温度达到了48.9℃.虽然没有超过60℃,但这是处于-5℃与环境发生热交换时的测试结果.如果其处于PCM发热融雪材料体系中,则由于沥青混凝土的导热系数较小(1.05 W/(m◦℃)),热源表面温度会远高于沥青的不利检测温度.

4 PCM温度调控作用机理与效能分析探讨

4.1 热冲击对沥青路面破坏作用机理分析

热源的额定功率较大时,在工作状态下表面温度往往超过100℃.由于空气是热的不良导体,所以要融化路面冰雪,只能从空气中吸收很少热量,大部分热量需从接触冰雪的路面吸收.倘若热源被面层材料直接包裹发热,那么路面磨耗层内部及面层中部经受着高温作用且传热,而表面处于冰雪环境散热很快.在沥青混凝土中必然产生较大的温度梯度和温度的反复骤然升降变化,使路面因受到较大的热冲击作用而开裂破坏,对沥青混合料的使用性能和耐久性也造成不利影响.

4.2 PCM在发热材料体系中的控温节能作用机理分析

XFCT中的PCM在热源释放能量时吸热用于进行相变,这样发热体表面的温度变化速率小,温度不是很高,减轻了包裹其外的沥青材料因多次经受高温作用而发生软化、老化,降低路用性能和使用寿命的可能性;同时使得路面温升升幅平缓,沥青结构层中温度场分布较均匀,温度梯度小,温度裂缝发生的条件大大弱化.而当路表温度大于融雪控制温度、电源断电降温时,PCM发生逆相变放热,使得沥青面层可在一段时间内保持温度不低于融雪控制温度.这表明可以利用相变潜热融雪化冰,实现热源间歇通电、节省能源.

4.3 PCM温控作用效能分析探讨

表2是发热体表面温度急剧变化时的变化速率.结合图2、表2可以得出:

1)PCM相变是在等温或近似等温的条件下发生的,因此在蓄、放能过程中温度和热流基本恒定.据此,通过采用不同相变点的PCM 可以进行路面发热材料体系的温度控制.

2)PCM相变吸放热产生的能量缓释作用,使XFCT表面的升降温速率只有FC在相同阶段的1/3～1/4,温度变化平缓,热量在向路表传递过程中热冲击的作用和破坏大为减弱.

表2 发热体表面温度急剧变化时的变化速率

3)相变储能材料的储热能力比显热材料要大.有资料显示,在相同质量且同样吸收44.3 J的热量下,混凝土温度升高49.22℃,而含61%PCM的相变储能建筑材料的温度只升高1℃.PCM不仅提高了XFCT的蓄热能力,而且提高了发热体的热惰性,周期性温度波在其内部的衰减加快,热稳定性变好.XFCT的表面温度高,意味着在同样热源输入功率情况下,较之其他结构发热体有着更多的热量传向路面,融雪效能大.

4)有机PCM的致命弱点是导热系数小,不能及时将所蓄热量交换出去.但XFCT中的封装材料起到增大材料体系导热系数的附加作用,使发热体调温功能得以较好发挥.

5)在温度曲线的冷却阶段,可以看到断电后相变储能发热体仍能较长时间保持较高温度.如-5℃时,发热体断电后降温至0℃所需时间,XFCT比FC要长30 min左右.这是相变储能发热体节能的根本原因.

5 PCM路面发热融雪材料体系试件的模拟融雪试验

试验在多功能环境模拟系统中-5℃条件下进行.发热融雪材料体系试件、冰块、电子秤、碎冰机、辅助实验设备等均在-5℃条件下恒温2 h左右.取中雪极大值1 h雪量,换算成相应质量的冰,用碎冰机粉碎、过筛,即成试验用“雪”.进行温度传感器的校正和测点布置(见图1).将“雪”一次性均匀散在试件表面上,随即通电加热融雪.在融雪过程中,环境温度始终保持在-5℃.融雪情况(图略).雪45 min后开始融化,82 min时已基本融完.

6 结束语

PCM通过相变吸热产生的能量缓释作用,成为发热体中的温控介质,可以改变、调控发热融雪材料体系中的温度场分布,提高了材料体系的蓄热能力和热惰性.同时,PCM路面发热融雪材料体系试件的模拟融雪试验表明,对发热材料体系的热源、温控介质、容器等组成材料进行比对优选,其材质品种选择恰当,彼此间相容匹配、性能相长;PCM的封装方式、PCM发热体的结构以及PCM路面发热融雪材料体系试件的设计与制备,合理简便、易操作,在适当输入功率下,能较好地满足路面融雪化冰的热能及时间需求.本研究为交通枢纽关键区域无损防冻抗滑智能材料体系的深入开发提供了技术支撑和实验依据,也为PCM及相变储能材料在交通领域中的应用和拓展奠定了一定的基础.

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