碳纤维发热线用于路面融雪化冰的技术研究

论文摘要

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,CaCl2）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/m2～1000 W/m2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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外融雪化冰研究的现状
• 1.2.1 融雪化冰方法的简介
• 1.2.2 化学融化法的负面影响
• 1.2.3 导电混凝土融雪化冰的研究现状
• 1.2.4 地热管法融雪化冰的研究现状
• 1.2.5 太阳能——土壤蓄热法融雪化冰的研究现状
• 1.2.6 发热电缆加热融雪化冰的研究现状
• 1.2.7 导电沥青混凝土融雪化冰的研究现状
• 1.3 本文的研究的主要内容
• 2 布设碳纤维发热线混凝土电热性能研究
• 2.1 碳纤维发热线混凝土融雪化冰工作原理
• 2.2 传热学基本理论
• 2.2.1 热传导
• 2.2.2 对流换热系数分析
• 2.2.3 辐射换热系数分析
• 2.2.4 总换热系数分析
• 2.2.5 总换热系数公式拟合
• 2.3 电热特性的理论分析
• 2.3.1 升温微分方程的建立
• 2.3.2 降温微分方程的建立
• 2.3.3 理论求解的单值性条件
• 2.4 试验设计
• 2.4.1 原材料及其用途
• 2.4.2 混凝土小板的制备
• 2.4.3 试验设备及仪器性能参数
• 2.4.4 测温设备的校准
• 2.5 混凝土小板升降温试验研究
• 2.5.1 试验测试方法
• 2.5.2 试验结果分析
• 2.5.3 误差原因分析
• 2.6 本章小节
• 3 布设碳纤维发热线混凝土板融雪化冰效果影响因素的研究
• 3.1 试验设计
• 3.1.1 原材料及其用途
• 3.1.2 试件制备
• 3.1.3 温度测点布置
• 3.1.4 试验设备
• 3.2 布设碳纤维发热线混凝土大板室外升温试验
• 3.2.1 试验测试方法
• 3.2.2 试验结果分析
• 3.3 布设碳纤维发热线混凝土小板温升试验
• 3.3.1 试验测试方法
• 3.3.2 室内试验结果分析
• 3.3.3 室外试验结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 布设碳纤维发热线混凝土板发热均匀性研究
• 4.1 试验设计
• 4.1.1 原材料及其用途
• 4.1.2 试件制备
• 4.1.3 试验设备
• 4.2 测试方法
• 4.3 试验结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 布设碳纤维发热线混凝土板融雪化冰试验研究
• 5.1 试验设计
• 5.1.1 原材料及其用途
• 5.1.2 试件制备
• 5.1.3 温度测点布置
• 5.1.4 试验设备
• 5.2 布设碳纤维发热线混凝土小板冰柜内融雪化冰试验
• 5.2.1 化冰试验
• 5.2.2 化雪试验
• 5.2.3 试验结果分析
• 5.3 布设碳纤维发热线混凝土大板融雪化冰的野外试验研究
• 5.3.1 融化旧雪试验
• 5.3.2 融化新雪试验
• 5.3.3 试验结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢