河南碳纤维发热线用于路面融雪化冰的技术研究

碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料，具有高强度，高模量，耐高温，耐磨，抗疲劳，耐腐蚀，抗蠕变，导电和导热等诸多优异性能。它可减轻构件重量，从而提高了构件技术性能。因此用碳纤维作为电热体有着金属、PTC等电热体所不可比拟的诸多的优异性能。

1.升温迅速；

2.能产生人体需要的生命之光远红外线8μm－15μm；

3.电热转换效率高，节省电能。

碳纤维电热体是一种全黑体材料，电热转化效率比金属发热提高30%，电热效率约。

抗拉强度高，在相同的允许的电流负荷面积下，碳纤维的强度比金属丝高6—10倍，在使用过程中不会发生折断，因此在电热过程中抗拉强度没有什么改变。

断线不起弧，有效杜绝火灾的发生。

重量轻，有效减轻构件重量，从而提高了构件技术性能。

化学性能稳定，耐腐蚀，不易被氧化。在无氧状态下加热到3000度，其机械性能不发生任何变化，在电热状态下克服了金属丝、PTC、碳化硅电热体强度低，易氧化烧断的缺点。

使用寿命长

碳纤维发热体与建筑同寿命。

路面状况的好坏是影响道路交通的重要因素,在冬季,当水泥混凝土路面因降雪而积雪结冰时,给行车安全和人民生活带来了严重的影响,甚至造成巨大的经济损 失。目前世界各国广泛采用撒盐(NaCl,CaCl_2)来融雪化冰的方法,严重影响道路路面混凝土的耐久性,对路面设施造成损害,破坏周围生态环境,因 此寻求新型的融雪化冰方法具有十分重要的现实意义。 

本文将碳纤维发热线作为电热材料铺设于混凝土路面中,以路面冬季融雪化冰为研究背景,重点对碳纤维发热线混凝土的电热效应融雪化冰的可行性进行了研究,同 时应用传热学知识,对影响融雪化冰效果的因素进行了试验分析,所做的研究对碳纤维发热线用于混凝土路面融雪化冰的工程应用提供了理论基础和参考价值。主要 工作如下: 

(1)根据能量守恒定律,建立并求解碳纤维发热线混凝土电热升温和降温微分方程,得到碳纤维发热线混凝土在升温和降温阶段温度随时间的变化曲线,该曲线综 合反映了混凝土的截面尺寸、散热面积、电热功率以及对流辐射换热系数对混凝土升降温过程的影响。通过试验测试布置碳纤维混凝土的电热升温和降温曲线,试验 结果与理论计算值吻合较好。

(2)利用碳纤维发热线的电热效应进行路面融雪化冰时,对流辐射换热损失是影响路面融雪化冰效果的主要因素,而风力等级、环境温度、有无隔热层等对热量损 失有很大影响。通过分析混凝土大板在不同的输入功率下板表面温升与风力等级、环境温度的关系,得到风力等级、环境温度对板表面温升效果的影响;通过对混凝 土小板有、无隔热层的温升试验研究,得到有、无隔热层时板表面温升效果的差别。 

(3)建立碳纤维发热线混凝土板融雪化冰的试验装置,对碳纤维发热线混凝土板的发热均匀性进行试验测试,研究结果表明,当间距为10 cm时,碳纤维发热线混凝土通电后,混凝土板表面能产生均匀分布的热量,以满足均匀融化冰雪的需要。

(4)对碳纤维发热线混凝土小板进行室内(冰柜)融化冰雪的试验研究,得到输入功率、环境温度和冰雪层的厚度对融化时间的影响,在此基础上,对混凝土大板 在野外进行了融雪化冰应用试验研究。研究结果表明,当铺装功率为500 W/m~2～1000 W/m~2时,利用碳纤维发热线混凝土板通电后产生的热量能够有效地清除路面上的冰雪,满足冬季道路融雪化冰的需要。

(5)发热线混凝土板融雪化冰的温度场有限元分析采用结冰的路面作为研究对象。由试错法根据温升试验的温度监测结果确定温度场有限元分析中的重要参数：混凝土导热系数,再将该导热系数运用于混凝土板的融雪化冰有限元分析计算中。与试验结果相比,数值结果较准确模拟了布置发热线的混凝土板融雪化冰的过程,证明了该计算方法的可行性。混凝土路面融雪化冰的有限元预测分析给出了不同天气条件下3-4小时内融雪化冰的输入功率和发热线布置间距。该预测分析为实际工程中混凝土板内发热线设计及输入功率的选取提供了参考和借鉴。