木基電熱材料電熱性能分析及板面溫度模擬

李 禎 ，張桂蘭 ，李 博 ，山其米克

(1.中國科學院理化技術(shù)研究所，北京 100019；2.新疆農(nóng)業(yè)科學研究院生物質(zhì)能源研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

電熱材料由于它的特殊功能，已廣泛應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍工、民用以及醫(yī)學等領(lǐng)域，而木基電熱材料是以木質(zhì)材料為基體材料，采用同步復合技術(shù)將其與導熱性能良好的碳素材料復合而制成導熱性能良好、通電后可以自發(fā)熱的一種新型電熱材料。正是由于該材料具有良好的導熱性能，將其應用于地暖地板可以大大降低采暖運行成本和建筑能耗[1-3]，不僅順應國家節(jié)能減排的要求，也符合我國供暖體制變化的需求。目前，我國的供暖體制主要采用地面采暖供熱，特別是低溫熱水地面輻射采暖應用較為廣泛。但是，這種集中采暖技術(shù)的最大缺陷是不能根據(jù)室外溫度的變化而改變供熱量，存在著能源調(diào)節(jié)不良，采暖運行成本高，建筑能耗大等問題[4-7]。因此，提高地面采暖供熱效率、實現(xiàn)溫度調(diào)控是直接影響地面采暖能耗和環(huán)境污染的關(guān)鍵因素。鑒于此，本研究通過對木基電熱材料電熱性能的分析以及板面溫度分布的模擬，獲得一種板面溫度分布均勻、節(jié)能降耗的木基電熱材料，為木基電熱材料在地面采暖地板中的推廣應用提供理論基礎(chǔ)。該材料在地暖地板的應用不僅可以控制用戶所需供熱量，而且很大程度上可以解決能源浪費的問題，在環(huán)保和節(jié)能方面具有其他供暖技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料木基材料為市購中密度纖維板；碳素材料是深圳盛田豐科技有限公司；銅膠帶為厚度0.13 mm，深圳盛田豐科技有限公司提供，起到電極的作用；電線的截面規(guī)格為1.5 mm2，天津市正標津達線纜有限公司提供；電焊絲選用中亞天津電子錫焊技術(shù)有限公司；導熱膠選自上海卓優(yōu)化工；鋁箔膠帶為厚度0.05 mm，北京世通駿豪商貿(mào)有限公司提供。

1.2 試驗設備

（1）萬能試驗壓機：工作幅面500 mm×500 mm，蘇州新協(xié)力企業(yè)發(fā)展有限公司；（2）數(shù)字鉗式萬用表：型號UT201，優(yōu)利德鉗式萬用表；（3）數(shù)據(jù)采集儀：安捷倫34970A，采集溫度數(shù)據(jù)，深圳市世家儀器有限公司；（4）溫度傳感器：PT100型號，西安夏溪電子科技公司；（5）電烙鐵LC：深圳市旻昊電子科技有限公司；（6）調(diào)壓變壓器：型號SVC-10KVA，上海振華穩(wěn)壓器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 木基電熱材料制備

采用人造板工藝，其中熱壓時間、熱壓溫度和熱壓壓力為固定工藝參數(shù)，將木質(zhì)材料和發(fā)熱層熱壓復合制備成木基電熱材料。在木基電熱材料各項力學性能達到國標要求的條件下，開展材料電熱性能的研究。

1.3.2 發(fā)熱層功率控制

采用數(shù)字萬用表直接測量通電前后的木基電熱材料兩極上的電阻，每塊材料測量6次后取平均電阻值，通過電阻測試結(jié)果分析發(fā)熱層的功率。涂覆形式分別為：全涂覆、條狀涂覆和S狀涂覆，見圖1。

圖1 發(fā)熱層的不同涂覆形式Fig.1 Different coating forms of the heat -generating layer

1.3.3 電熱性能測試方法

將內(nèi)置發(fā)熱層的木基電熱材料置于穩(wěn)定的環(huán)境，連接好線路，接通電源，按要求對變壓器進行調(diào)壓，利用萬用表記錄電壓和電流值，并記錄材料發(fā)熱溫度。為了更好地分析材料表面的溫度分布，對材料表面進行網(wǎng)格劃分，用萬用表、溫度傳感器進行板面溫度實測，并采用MATLAB軟件擬合板面溫度分布圖。選取9個測溫點如圖2所示，利用數(shù)據(jù)采集儀對測溫點進行溫度測試，每分鐘采集數(shù)據(jù)1次。

1.3.4 電熱性能模擬方法

圖2 測點分布Fig.2 Distribution of measuring points

根據(jù)SolidWorks和Gambit建立物理模型并劃分網(wǎng)格，利用fluent軟件分析木基電熱材料實測點的數(shù)據(jù)，模擬材料板面的溫度分布，對比實測與模擬，驗證結(jié)果的準確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂覆形式對材料功率的影響

表1 電阻測試結(jié)果Table 1 The coefficient of resistance of determination results

表1表明，發(fā)熱層的涂覆形式直接影響材料的電阻，涂覆形式不同則材料的電阻也不同，而電阻的影響因素為電阻率、涂層長度以及涂層橫截面積。三者之間存在電阻與電阻率、涂層長度成正比例關(guān)系，電阻與涂層橫截面積卻成反比例關(guān)系。因此，全涂覆的發(fā)熱層因為其截面積最大，長度較小，所以全涂覆發(fā)熱層的電阻最??；條形涂覆發(fā)熱層與前者相比雖然涂層長度不變，但其截面積變小了，因此條形涂覆發(fā)熱層的電阻較前者大，而S形涂覆發(fā)熱層較前兩者長度長，截面積小，所以電阻最大。因此，在相同電壓下，可以通過改變發(fā)熱涂層涂覆形式來實現(xiàn)木基電熱材料的功率控制。

2.2 木基電熱材料電熱性能分析

將制備好的木基電熱材料進行電熱性能分析，通過調(diào)壓使制備的3種電熱材料在同一功率下進行板面升溫速率的測試，根據(jù)地板采暖設計，每平米地面采暖輻射功率為160～300 W計算，則所取試樣功率可以控制在10～30 W之間，電熱性能測試分析見圖3所示。

圖3 功率與升溫曲線關(guān)系Fig.3 The relationship between power and heating curves

圖3表明，3種碳素材料不同涂覆形式的木基電熱材料在不同功率下其板面溫度隨時間的變化呈遞增趨勢，即隨著通電時間的延長，板面溫度逐漸上升，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)。在通電初期，電熱材料的板面溫度上升迅速，因為通電初期電熱材料的發(fā)熱與散熱速率較快，但發(fā)熱速率大于散熱速率，隨著散熱速率的增大，板面溫度上升，當發(fā)熱速率與散熱速率相等時，板面溫度趨于平穩(wěn)。此時，電熱材料的電熱效應趨于穩(wěn)定[8-10]。當電熱材料通電時間15 min左右，輸入功率10 W時，3種電熱材料的板面溫度均達到25 ℃以上；當輸入功率20 W時，板面溫度均達到50 ℃以上，其中涂覆形式S型的電熱材料板面溫度最高，可達到65 ℃以上；不同功率下材料板面溫度均符合供暖需求。

室溫下，通過調(diào)壓后相同功率下不同涂覆形式板面升溫結(jié)果見表2。

表2 相同功率下不同涂覆形式板面升溫結(jié)果Table 2 Different coating surface temperature rise results under the same power

2.3 木基電熱材料板面溫度分布

為了直觀地看出電熱材料板面溫度分布情況，利用MATLAB軟件對個測溫點的溫度數(shù)據(jù)進行擬合獲得溫度分布云圖，下圖4～6為功率在15 W左右時的溫度分布云圖。

圖4 全涂覆電熱材料溫度分布云圖像Fig.4 The temperature distribution of full coating

圖5 條形涂覆電熱材料溫度分布云圖像Fig.5 The temperature distribution of strip coated

圖4～6表明，S形涂覆的木基電熱材料其板面溫度分布較其他兩種形式均勻，最大溫差在1℃以內(nèi)。板面中心溫度略微高于板面邊部溫度，可能由于熱空氣聚集輻射所導致[11-12]。

圖6 S形涂覆電熱材料溫度分布云圖像Fig.6 The temperature distribution of S coated

2.4 工藝優(yōu)化

綜合考慮木基電熱材料電熱性能和板面溫度分布，碳素材料S型涂覆的電熱材料通電初期溫度上升速度較快，板面溫度穩(wěn)定后溫度也較高，同時其15 min板面溫度分布較均勻，所以優(yōu)選碳素材料S型涂覆形式。

2.5 木基電熱材料電熱性能模擬

2.5.1 物理模型的建立

選用S形涂覆的電熱材料，試樣尺寸：長×寬為300 mm×170 mm。根據(jù)SolidWorks建立模型，并導入Gambit劃分網(wǎng)格，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。如圖7所示，電熱板距離Z軸方向500 mm。模型邊界采用壁面邊界和壓力出口，介質(zhì)類型為空氣。

2.5.2 邊界條件設定

木基電熱材料的板面溫度隨通電時間在變化，因此對其輻射量進行數(shù)值模擬應采用非穩(wěn)態(tài)模型。材料板面對外熱交換方式主要為熱對流和熱輻射，一部分熱量通過板面以對流形式與室內(nèi)空氣進行熱交換，形成自然對流，板面附近空氣的流動屬于標準k?ε模型，另一部分熱量以熱輻射形式向周圍空氣傳遞，輻射模型為S2S模型[13-15]。

圖7 物理模型Fig.7 The physical model

在1個標準大氣壓、室溫(23±2) ℃條件下，考慮重力對自然對流產(chǎn)生的浮力影響。邊界條件選取圖2中測溫點1、2、8、9的溫度值，其余測溫點的溫度值作為驗證模型的準確性。

2.5.3 仿真計算結(jié)果分析

選擇壓力求解器并采用couple離散格式進行迭代求解，處理一段時間后，結(jié)果收斂見圖8，模擬值見表2。

圖8 模擬溫度云圖像Fig.8 Simulated temperature nephogram

表2 模擬與實測對比結(jié)果Table 2 Comparison of simulation and measured results

圖8中左側(cè)溫度條從藍色到紅色表明溫度依次上升，右側(cè)的溫度模擬結(jié)過說明S形涂覆的木基電熱材料板面溫度分布較均勻，溫度從內(nèi)向外呈輻射狀依次遞減。并從表2數(shù)據(jù)可以看出模擬值與實測值的相差在5%以內(nèi)，模擬仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)有較高的相似性，表明仿真模型是有效的。

3 結(jié)論與討論

木基電熱材料作為地暖地板的材料，主要考慮木基電熱材料的功率控制和發(fā)熱均勻性，地板功率可以根據(jù)用戶需求調(diào)整碳素材料的涂覆形式來控制，一般功率設計為80～160 W/m2，發(fā)熱均勻性直接影響地板的發(fā)熱效率、使用壽命及安全性。

本研究以碳素材料作為發(fā)熱材料，碳素材料分別采用3種不同涂覆形式與木基材料同步復合，通過設計碳素材料涂覆形式實現(xiàn)木基電熱材料相同電壓下電阻的不同，從而實現(xiàn)了電熱材料的功率可控。電熱材料通過調(diào)壓，當輸入功率10 W、通電時間15 min左右時，3種材料的板面溫度均達到25 ℃以上；當輸入功率15 W時，3種材料板面溫度均在35 ℃以上；輸入功率為20 W時，板面溫度均在50 ℃以上，其中S涂覆形式的溫度可以達到65 ℃以上。而且溫度云圖表明S形涂覆木基電熱復合材料板面溫度較高，溫度分布均勻，最大溫差在1 ℃以內(nèi)。說明碳素材料S型涂覆的電熱材料通電初期溫度上升速度較快，板面溫度穩(wěn)定后溫度也較高，同時其15 min板面溫度分布較均勻，所以優(yōu)選碳素材料S型涂覆形式作為電熱材料的內(nèi)置發(fā)熱層形式。在此基礎(chǔ)上，采用Fluent軟件對木基電熱材料板面的升溫過程的動態(tài)仿真進行了模擬，且模擬仿真結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)差值百分比在5%以內(nèi)，所以仿真模型是有效的。

本研究只從功率控制和板面溫度分布進行了研究與模擬，未對空間采暖進行模擬，所以空間采暖有待進一步深入研究。