陶瓷和金屬正溫度系數電加熱器功率衰減特性研究

盛健，張華，黃加連，吳兆林，倪彬

（1-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2-上海華族實業有限公司，上海 201404）

0 引言

空氣源熱泵空調是一種以室外空氣為低溫熱源，以高品位能源為驅動，從低溫熱源吸取熱量，連同消耗的高品位能源，提升成較高品位的熱能，用于生產生活的制冷（熱泵）裝置，具有高效、節能、環保等優點，因而廣泛應用。我國房間空調器2013年生產14,332.9萬臺，同比增長11.6%[1]；2014年生產15,716.9萬臺，同比增長11.5%[2]；2015年生產15,649.8萬臺，與2014年基本持平[3]；2016年生產16,049.3萬臺，同比增長4.5%[4]。然而在低溫環境下，空氣源熱泵制熱效率和制熱量均有大幅衰減，為保障供熱量，一般采用輔助電加熱器進行補償。此外，恒溫恒濕空調系統的出風口末端一般也通過輔助電加熱補償來精確調控出風溫度[5-7]。空調輔助電加熱器屬于中低溫加熱器，主要有普通電熱管、陶瓷正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）熱敏電阻加熱器和金屬PTC熱敏電阻加熱器[8-9]。

管狀電熱元件，以金屬管為外殼、合金電熱絲作發熱體，在兩者間充以密實的氧化鎂粉或類似絕緣物作為絕緣介質、并通過引出棒接至電源的一種用于加熱的元件[10]。因結構簡單，制作技術難度低，日常使用方便，一直沿用至今。但隨著科技進步，電熱管面臨各種新興電阻加熱產品的挑戰，如PTC加熱器，稀土厚膜電路電熱元件，氮化硅陶瓷電熱元件，半導體發熱元件等，或有更優的溫度控制特性，或有更短的升溫與降溫時間，或有更好的電絕緣性能及更長的使用壽命[11]等優勢。PTC效應是指當電加熱器超過一定溫度（居里溫度）時，其電阻值隨著溫度的升高呈階躍性增高[12]。

常用的PTC熱敏電阻加熱器有陶瓷PTC電加熱器和金屬PTC電加熱器。陶瓷PTC加熱器將陶瓷PTC功率片和陶瓷無功片交叉排列，并用耐高溫樹脂粘接在一起，以鋁管為外殼，并脹接鋁制波紋翅片以強化換熱。金屬PTC電加熱器采用鎳鐵合金絲（具有較大正溫度系數）為發熱體，以邦迪管和鋁管為外殼，間隙填充氧化鎂粉末，兩端引出接線棒，鋁管外脹接鋁制肋片來強化換熱[13-15]。

在陶瓷和金屬PTC電加熱器的廣泛使用中，特別是長期使用時的發熱功率衰減是最大的技術缺點，因此研究其功率衰減特性，對輔助電加熱器的設計、應用有重要意義。

1 試驗方法

1.1 測試PTC電加熱器

測試用陶瓷PTC和金屬PTC電加熱器的型號分別為DF MZFR00206-MD-DF220V850W和HUAZU KSFR-220/900W(3A)，從成品中各隨機抽取5只作為測試樣品，所測數據分別取平均值。

1.2 測試工況

PTC電加熱器的功率與換熱條件相關，當換熱條件較好時，PTC電加熱器溫度較低，故電阻值較低，電功率較大。在測試其長期使用過程中功率衰減時，必須保持相同換熱條件，試驗中保持環境室溫20 ℃、相對濕度65%。

PTC電加熱器長期使用功率衰減的測試方法，并沒有相關標準，因此行業中一般按照兩種測試方法。1）名義工況下，測試PTC電加熱器在多次通斷電后的功率衰減。兩種電加熱器在風速1.5 m/s氣流下，均啟動運行15 min，達到穩態制熱，再斷電冷卻5 min至室溫，作為一次啟停實驗，各進行5,000次啟停試驗。試驗裝置如圖1和2所示。2）干燒工況下，測試PTC電加熱器在干燒一段時間后的功率衰減。兩種電加熱器在靜止無風環境，均通電加熱運行，干燒15天。試驗裝置如圖3和4。

兩種電加熱器的電壓及電流參數測量采用艾諾AN7931X三相電參數綜合測量儀，電壓及電流測量精度±（0.2%×量程+0.3%×顯示值），功率測量精度±1%，數據計算周期0.9s。溫度及相對濕度測量采用VAISALA HMT338溫濕度變送器，溫度精度為±0.2 ℃，相對濕度精度為±(1.0+0.008×讀數)%。數據采集與保存采用安捷倫34970A，測量精度均達到國標[16-17]規定的要求。

圖1 名義工況下通斷電測試PTC電加熱器功率衰減原理圖

圖2 名義工況下PTC電加熱器安裝位置及測溫點布置圖

圖3 干燒工況測試PTC電加熱器功率衰減原理圖

圖4 干燒工況下PTC電加熱器測溫點布置圖

2 實驗結果及分析

2.1 名義工況PTC電加熱器功率衰減

圖5可見，金屬PTC電加熱器穩態功率從960 W逐漸下降至約930 W，下降3.13%。前4,000次下降速率基本相同，從960 W降至932 W；之后功率下降較慢。如圖6所示，電加熱管外壁面穩態溫度從平均175 ℃左右逐漸下降至平均156 ℃，由于功率下降，而換熱條件不變，因此穩態表面溫度下降19 ℃。

圖5 名義工況金屬PTC電加熱器功率

圖6 名義工況金屬PTC電加熱器壁面溫度

圖7可見，陶瓷PTC電加熱器經啟停5,000次試驗后，穩態功率從平均750 W逐漸下降至平均705 W左右，總衰減率為6.00%。前200次功率下降速率最快，之后下降速率逐漸減慢。如圖8，電加熱管外壁面穩態溫度從平均141 ℃逐漸下降至平均137 ℃，由于功率下降，而換熱條件不變，因此穩態表面溫度下降約4℃。

2.2 干燒工況PTC電加熱器功率衰減

如圖9所示，干燒時，額定功率900 W的金屬PTC電加熱器實際加熱功率為612.5 W左右，之后緩慢下降。至21,600 min（15天）時，加熱功率下降至600 W左右，干燒后，電加熱功率衰減約2.04%。

如圖10所示，金屬PTC電加熱器外壁面溫度初始在600 ℃左右波動，約18,000 min（12.5天）后壁面溫度開始下降，至21,600 min（15天）壁面溫度振蕩下降至580 ℃，穩態表面溫度下降約20 ℃。

如圖11所示，干燒工況下，額定功率850 W的陶瓷PTC電加熱器初始功率約為185 W；前期衰減較快，至約6,000 min（4.2天），電加熱功率衰減至約171 W；之后衰減較慢，至21,600 min（15天）時，下降至170 W左右，干燒后，電加熱功率衰減約8.11%。

如圖12所示，干燒工況下，陶瓷PTC電加熱器壁面溫度初始在244 ℃左右波動，之后緩慢下降；到21,600 min（15天）時，下降至241 ℃左右波動，表面溫度下降3℃。

圖7 名義工況陶瓷PTC電加熱器功率

圖8 名義工況陶瓷PTC電加熱器壁面溫度

圖9 干燒工況金屬PTC電加熱器功率

圖10 干燒工況金屬PTC電加熱器壁面溫度

圖11 干燒工況陶瓷PTC電加熱器功率

圖12 干燒工況陶瓷PTC電加熱器壁面溫度

3 結論

1）金屬PTC電加熱器額定功率900 W，名義工況下，初始功率960 W，表面溫度175 ℃；通斷電運行5,000次后，穩態功率930 W，表面溫度156 ℃，功率衰減3.13%，表面溫度下降19℃。干燒工況下，初始功率612.5 W，表面溫度600 ℃；干燒15天后，穩態功率600 W，表面溫度580 ℃，功率衰減2.04%，表面溫度下降20℃。

2）陶瓷PTC電加熱器額定功率850 W，名義工況下，初始功率750 W，表面溫度141 ℃；通斷電運行5,000次后，穩態功率705 W，表面溫度137 ℃，功率衰減6.00%，表面溫度下降4℃。干燒工況下，初始功率185 W，表面溫度244 ℃；干燒15天后，穩態功率171 W，表面溫度241 ℃，功率衰減8.11%，表面溫度下降3 ℃。

3）陶瓷和金屬PTC電加熱器功率前期衰減較快、后期衰減較慢。

4）名義工況和干燒工況下，金屬PTC的衰減率分別為3.13%和2.04%，陶瓷PTC的衰減率分別為6.00%和8.11%。

5）在空調輔助電加熱器進行設計選型時，均需考慮金屬和陶瓷PTC輔助電加熱器的功率衰減而留有裕量，根據功率衰減特性對設計裕量進行選擇，金屬PTC應選5%，陶瓷PTC應選10%。

6）干燒時，金屬PTC表面溫度達600 ℃左右，易引起安全事故。因此，必須隨電加熱器裝有熔斷器或溫控器，以便當空調器萬一發生風機故障，發生干燒時斷電。

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