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石墨烯加热板/膜作为仔猪保温供热体的节能特性研究

范文

朱晓明周昕徐杏肖华周卫东

摘要 [目的]研究石墨烯加热板/膜作为仔猪保温供热体的节能特性。[方法]利用自行设计制作的能耗监测试验装置对市售石墨烯加热板、石墨烯加热膜和电阻丝加热板进行室温15 ℃下的升温能耗试验、恒温21 ℃的能耗试验。[结果]石墨烯加热板/膜升温至预设温度的时间和所需能耗均高于电阻丝加热板，未能表现出明显的低能耗性能。[结论]市售石墨烯板/膜的节能性均略逊于电阻丝。

关键词仔猪;石墨烯;节能

中图分类号 S26文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）24-0216-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.061

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Energysaving Characteristics of Graphene Heating Plate/Film as Heat Preservation Body for Piglets

ZHU Xiaoming，ZHOU Xin，XU Xing et al （Institute of Animal Husbandry and Veterinary Science， Zhejiang Academy of Agricultural Sciences，Hangzhou，Zhejiang 310021）

Abstract [Objective]To study the energysaving characteristics of graphene heating plate/membrane as the heat preservation and heating body for piglets. [Method]The energy consumption monitoring experiment device selfdesigned was used to conduct the energy consumption experiment of graphene heating plate， graphene heating film and resistance wire heating plate at room temperature of 15 ℃ and constant temperature of 21 ℃ respectively. [Result]The heating and thermostatic experiment showed that the time and energy consumption required to heat the graphene heating plate/film to the preset temperature were higher than the resistance wire heating plate， the graphene heating plate/film had no obvious low energy consumption performance compared with the electric wire heating plate. [Conclusion]The energysaving properties of commercially available graphene sheets/films were slightly inferior to resistance wires.

Key words Piglet;Graphene;Energysaving

幼龄畜禽是恒温动物，其出生后体温维持和调节系统尚未完全发育，适应外界环境温度的变化存在较大困难，因此，提供并维持合适的环境温度对于其生命安全和后续的健康生长发育至关重要[1-3]。通常幼龄畜禽父母利用垫料和体温等为其维持体温提供热源和保温直至其能完全适应外界环境，但是随着畜禽养殖业向集约化、规模化发展[4-6]，这种由父母提供的庇护逐渐失去，需要提供外来热源和保温措施协助幼龄畜禽维持体温直至其体温维持和调节系统发育完成后脱温。同时，北方地区冬季环境温度对生长和成年畜禽生命健康也是威胁，必要时也需要提供热源和保温措施。虽然在规模化畜禽养殖业中外界热源和保温的技术和设备研究与应用已取得较好的进展，但运行的热源设备普遍存在着能耗大、加热效率低、维修保养不便、运行成本高、安全隐患突出等问题，迫切需要研发节能、安全的新型热源和保温设备及材料。

石墨烯是一种新型二维平面结构的纳米碳材料，相比于其他碳质材料，理论上讲其特殊的原子层结构使其表现出非常优异的电学、热学和力学等性能[7-10]。用石墨烯制作的加热板/膜以远红外辐射的方式均匀传播热能，具有发热快、发热均匀、效率高等優点[11]。该研究利用模拟的猪舍环境和仔猪保温箱，通过升温时间、恒温能耗监测，研究比较了石墨烯加热板/膜、电阻丝加热板的加热性能及节能特性，以期为后续畜禽养殖业节能、安全的新型热源设备研发提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料该研究热源分别为市售石墨烯加热板、石墨烯加热膜、电阻丝加热板（图1）。石墨烯加热板120 cm×50 cm×1.2 mm，发热体为石墨烯层;石墨烯加热膜105.0 cm×52.5 cm×0.8 mm，发热体为石墨烯层;电阻丝加热板100 cm×55 cm×20 mm，发热体为电阻丝。

1.2 仪器与装置

仔猪保温箱1 300 mm×600 mm×600 mm，用厚度为5 mm三合板材自制（图2）;智能电表：上海民熔电气DDSD-LDG，可同时监测电量、电压、电流和功率;温控系统：上海恒远电气直源温控仪搭载PT100型温度传感器;自制试验装置实物见图2，主视图和左视图见图3。

1.3 试验装置工作流程自制能耗监测试验装置工作流程见图4。

1.4 测定方法

将石墨烯加热板、石墨烯加热膜和电阻丝加热板分别放入3个独立的自制仔猪保温箱，分别连接好电路并完成调试，进行能耗监测：在温控仪上设定好目标温度，分别记录初始温度、电量、时间后通电，记录各自的电压、电流和瞬时功率，每24 h记录一次温度、电量、电压、电流和瞬时功率。

实际能耗和理论能耗计算：以第一天08：00至第二天08：00，实际的能耗定为1 d的能耗，理论能耗以每天08：00记录的瞬时功能×24 h/1 000计算。

2 结果与分析

2.1 室温15 ℃下的升温和能耗

在室内温度15 ℃的环境下，预设加热温度25 ℃，结果显示：3种材料加热至预设温度时间分别为6.13、6.33、4.70 h，能耗分别为0.9、0.9、0.6 kW·h（表1）。电阻丝加热板加热至预设温度所用时间最短、所需能耗最低，石墨烯加热板/膜加温至预设温度的时间和所需能耗相近。

2.2 恒温21 ℃的能耗

将自制能耗监测装置的恒温值设置为21 ℃，持续监测每日的耗电量，监测时间为3月11—17日。

每日室温为12、11、14、14、14、14、15 ℃。结果显示：3种加热材料能耗未出现明显差异，石墨烯加热板/膜较电组丝加热板未表现出明显的低能耗性能（图5）。

无论石墨烯材质加热板还是电阻丝加热板均为纯电阻型电路，电能转换为热能遵循焦耳定律，Q=W=Pt=（U2/R）t，如表2所示，石墨烯材料在整个试验初始时和恒温条件下石墨烯

加热板电阻值变化很小，说明其功率稳定，电阻丝加热板在21 ℃时功率比在11 ℃时功率低了6.31%。

石墨烯加热板与石墨烯加热膜的发热体为相同材质，石墨烯加热板没有包裹，石墨烯加热膜有包裹材料，其是否对热效率有影响需要进一步研究。石墨烯加热膜和电阻丝加热板的发热体不同且外部都有包裹材料，两者在恒温阶段能耗十分接近。

3 结论

该研究利用自行设计制作的能耗监测试验装置对石墨烯加热板、石墨烯加热膜和电阻丝加热板的保温节能特性进行了实时监测和比较分析，得到以下结论。

（1）石墨烯材料的加热功率均高于电阻丝加热板，实际能耗与理论能耗相比，2种石墨烯材料节能性均略逊于电阻丝。

（2）恒温状态下石墨烯材料与电阻丝材料24 h能耗无显著差异。

（3）石墨烯材料达到设置温度所需时间和电能均多于电阻丝。

参考文献

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