微波除冰關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景分析

趙新美，丁勇杰，周 平

（1.重慶鵬方路面技術(shù)研究院有限公司，重慶 400054；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；3.江西交通咨詢(xún)公司，江西 南昌 330003）

0 引言

在冬季的雨、雪、霧天氣里，當(dāng)?shù)孛鏈囟鹊陀?℃時(shí)就會(huì)出現(xiàn)積雪或結(jié)冰現(xiàn)象，其中，對(duì)道路通行影響最嚴(yán)重的是凍雨，凍雨是一種特殊的天氣現(xiàn)象，由于近地溫度特別低，高空的雨水降臨到近地面時(shí)會(huì)結(jié)冰形成冰凍層。道路表面因凍雨所形成的冰凍層，粘結(jié)極為牢固，普通除雪機(jī)械難以清除[1]。所以，應(yīng)研制適應(yīng)這種特殊冰凍層的特殊除冰方法。

由于道路上凍雨所形成的冰層極為堅(jiān)固，采用除冰機(jī)械清除冰層后仍會(huì)留有一層薄薄的冰層與路面緊緊地粘在一起。正常行駛的車(chē)輛即使裝上防滑鏈也仍難免在這層薄冰上打滑。為解決此問(wèn)題，各國(guó)都在研制微波融冰裝置，希望利用此裝置對(duì)冰層與路面的接觸處部位進(jìn)行加熱，使冰層與路面分離，然后再進(jìn)行破冰。清除積冰后，路面的余熱會(huì)將地面上留下的水膜烘干，以干燥路面從而達(dá)到徹底清除路面冰層的目的。

1 微波除冰機(jī)理

微波是指波長(zhǎng)為1mm～1m的范圍內(nèi)的電磁波，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為300MHz～300GHz，介于普通無(wú)線(xiàn)電波與紅外線(xiàn)之間。對(duì)于微波加熱，考慮到便于微波器件和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，以及避免使用頻率太多造成對(duì)雷達(dá)和微波通信的干擾，各國(guó)對(duì)微波加熱使用的頻段都有以下明確的規(guī)定：890～940MHz為波段L，中心波長(zhǎng)為0.330m；2400～2500MHz為波段S，中心波長(zhǎng)為0.122m；5725～5825MHz為波段C，中心波長(zhǎng)為0.052m；22000～22250MHz為波段K，中心波長(zhǎng)為0.008m。目前微波加熱常用的是L和S波段，最常用的頻率為2 450MHz。

微波加熱即是物體吸收的微波能量轉(zhuǎn)化成熱量，研究表明，微波能量被吸收轉(zhuǎn)變成熱能效率與微波工作頻率成正比，提高微波頻率，就相當(dāng)于單位面積上更多的微波能量集中在物體表層。同時(shí)，提高微波輸出功率，相應(yīng)地增強(qiáng)了微波電場(chǎng)強(qiáng)度，單位面積的材料獲得的熱能也會(huì)增大。影響物質(zhì)吸收微波能力的主要性能參數(shù)是相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切（如表1所示）[2]。

表1 物質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切

由表1看出，冰的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切都極小，所以使用微波加熱結(jié)冰路面，微波能量可以穿過(guò)冰層，加熱路面材料。路面材料比如瀝青混凝土，具有一定的吸收能力，可以將一部分微波能量轉(zhuǎn)化為熱量將冰層底部融化。同時(shí)，從表1可以看出，液態(tài)水吸收微波的能力極強(qiáng)，當(dāng)冰開(kāi)始向液態(tài)水轉(zhuǎn)化之后，由于水對(duì)微波的強(qiáng)吸收能力，冰便會(huì)加速轉(zhuǎn)化為水。當(dāng)冰層與路面接觸處完全融化之后，使用機(jī)械除冰裝置便可實(shí)現(xiàn)快速除冰。

2 微波除冰關(guān)鍵技術(shù)

由以上分析可以看出，道路材料對(duì)微波的吸收效率和微波頻率及電場(chǎng)強(qiáng)度是制約微波除冰效率的關(guān)鍵因素。同時(shí)，微波發(fā)射裝置的使用方式例如波導(dǎo)口距路面高度和微波設(shè)備與機(jī)械除冰設(shè)備的相互配合也是制約微波除冰效率的主要因素之一，目前關(guān)于微波除冰的研究主要集中在以下幾方面。

2.1 微波發(fā)射設(shè)備研究

微波除冰效率是制約微波除冰研究進(jìn)展的關(guān)鍵，通過(guò)對(duì)微波除冰技術(shù)進(jìn)行分析，得到微波除冰效率和微波頻率、微波電場(chǎng)強(qiáng)度、微波加熱模式、波導(dǎo)口距路面高度等有關(guān)的結(jié)論。選擇合適的微波工作頻率是微波發(fā)射設(shè)備研究的前提，焦生杰[3]等研究發(fā)現(xiàn)使用5.80GHz微波較2.45GHz微波能提高4～6倍微波除冰效率。也有一些研究者提出了關(guān)于微波發(fā)射設(shè)備構(gòu)造的設(shè)想，劉長(zhǎng)生[4]等設(shè)想將微波發(fā)射管安裝在一個(gè)矩形箱體內(nèi)，箱體內(nèi)安裝反射板，通過(guò)矩形箱體的開(kāi)口向路面發(fā)射微波。唐相偉[5]等也設(shè)想了類(lèi)似的簡(jiǎn)易微波發(fā)射裝置，但是這些裝置的設(shè)想都沒(méi)有考慮到微波輻射泄漏和對(duì)環(huán)境的危害，微波波長(zhǎng)較長(zhǎng)(1m～1mm)，容易繞過(guò)一些尺寸較小的障礙物進(jìn)行傳播，而且在傳播過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生反射，由于人體內(nèi)含有大量水分，微波對(duì)水有很強(qiáng)的加熱效應(yīng)，所以微波輻射會(huì)導(dǎo)致對(duì)人體健康造成嚴(yán)重影響。因此，在進(jìn)行微波發(fā)射裝置研究中，應(yīng)充分考慮微波輻射的泄漏，避免除冰作業(yè)時(shí)對(duì)工作人員以及周?chē)h(huán)境產(chǎn)生傷害。

2.2 道路材料微波吸收效率

微波加熱深度為微波功率從物體表面降至表面值的1／e(約為36.8%)時(shí)的距離， 物體內(nèi)部微波吸收效率隨深度變化如公式1所示：

式中：D——微波加熱深度；

λ——微波自由空間波長(zhǎng)；

εr'——瀝青混凝土的相對(duì)介電常數(shù)；

tanδ——瀝青混凝土的介質(zhì)損耗角正切。

以公路上常用的路面材料瀝青混凝土為例，將瀝青混凝土的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切和常用的2.45GHz微波波長(zhǎng)代入式（1）計(jì)算，2.45GHz的微波加熱瀝青混凝土的深度為11.2cm[6]。 距路表面1cm的范圍內(nèi)的瀝青混凝土僅吸收微波總能量的4%～5%，進(jìn)行除冰作業(yè)時(shí)僅需要加熱道路表層與冰層接觸部分區(qū)域。由以上計(jì)算可以看出，若在普通瀝青混凝土路面上采用微波除冰方式，能源利用率較低，這也是目前制約微波除冰方式應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一，針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者也開(kāi)發(fā)了一系列應(yīng)用對(duì)策。明尼蘇達(dá)大學(xué)的Hopstock提出將鐵燧巖作為瀝青路面面層材料增強(qiáng)路面對(duì)微波的吸收能力，提高除冰效率[7]，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)安大學(xué)唐相偉等研究者研究發(fā)現(xiàn)，由于鐵磁性材料具有較強(qiáng)的微波吸收能力，因此在瀝青混合料中摻入鐵磁性材料能提高除冰效率3～5倍[3]。

2.3 微波除冰車(chē)制造

微波除冰需要使冰層和路面完全分離，并將分離后的冰層清除出路面。如果使用微波將路面冰層全部融化，將造成較大的能源浪費(fèi)。因此，在微波除冰過(guò)程中，微波除冰裝置需要與機(jī)械除冰裝置配合使用，機(jī)械除冰裝置主要起到如下兩個(gè)作用。

2.3.1 消除微波加熱死角

微波發(fā)射器經(jīng)常不能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫排列，加熱死角造成路面加熱的不均勻。這樣就會(huì)造成局部的冰層不能脫落，需要與機(jī)械除冰裝置配合使用，去除未能融化的冰層。

2.3.2 將冰層破碎并清除出路面

冰層與路面接觸處融化之后，需要將冰層立即清除出路面范圍以外，否則，在低溫條件下，冰層可能重新與路面凍結(jié)在一起。因此，機(jī)械除冰裝置需與微波除冰裝置緊密配合。微波除冰車(chē)需要能夠在破碎冰層的同時(shí)完成對(duì)碎冰的清除。

因此在現(xiàn)有的機(jī)械除冰車(chē)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造是制造微波除冰車(chē)的一個(gè)較簡(jiǎn)易途徑。各種除冰機(jī)械都具有各自的特點(diǎn)以適應(yīng)除冰條件，選擇機(jī)械除冰方式應(yīng)該考慮到既能與微波除冰裝置較好地配合，達(dá)到快速除冰的目的，又能有效地破除微波加熱不均造成的局部與路面粘結(jié)堅(jiān)固的冰層。但也可根據(jù)微波除冰的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與微波除冰設(shè)備相適應(yīng)的機(jī)械除冰方式，唐相偉[7]等研究者設(shè)想了螺旋式除冰裝置與微波加熱裝置配合使用，裝置刀片向下的力由彈簧進(jìn)行調(diào)整，可以適用不同厚度的冰層。由于微波除冰還未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平，因此除冰車(chē)的效率還無(wú)從驗(yàn)證。

3 應(yīng)用前景分析

目前微波除冰技術(shù)尚處于研發(fā)階段，離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離，具體原因是其技術(shù)難度高、產(chǎn)業(yè)化困難。因此，未來(lái)微波除冰技術(shù)的研究應(yīng)著重考慮以下幾方面問(wèn)題。

3.1 開(kāi)發(fā)路面新材料

路面材料微波吸收效率低是制約微波除冰技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，開(kāi)發(fā)對(duì)微波能量具有高吸收效率的路面材料是微波除冰技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。目前由于普通材料的微波吸收效率較低，因此需在普通路面材料中加入對(duì)微波具有較高吸收效率的材料。鈦酸鋇是一種鐵電陶瓷材料，其介電特征如表1所示，對(duì)微波具有較強(qiáng)的吸收能力，因此，選擇將鈦酸鋇加入瀝青混凝土中進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證加入后瀝青混凝土查看其吸收微波能力的變化。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)鈦酸鋇的加入量為瀝青混凝土質(zhì)量的5%，將混凝土試件和冰塊冰凍在一起，冰塊與混凝土之間加入溫度傳感器，通過(guò)溫度記錄儀實(shí)時(shí)記錄溫度變化，將混凝土和冰塊冰凍至-20℃，移至微波爐內(nèi)進(jìn)行加熱，記錄溫度傳感器溫度升至0℃時(shí)間以評(píng)價(jià)路面材料對(duì)微波的吸收效率。試驗(yàn)結(jié)果顯示，不加入鈦酸鋇的混凝土試件升溫至0℃需280s，加入鈦酸鋇的試件僅需要90s，微波吸收效率有明顯提高。

由以上試驗(yàn)可以看出，加入強(qiáng)吸收微波材料可以使路面材料對(duì)微波的吸收效率明顯提高。但是在路面材料中摻入對(duì)微波具有較強(qiáng)吸收能力的材料，除了可能會(huì)影響路面材料的路用性能之外，還會(huì)造成路面成本的上升，因此，尋找低價(jià)、具有較強(qiáng)吸收微波能力且與路面材料相容性較好的材料是研究的關(guān)鍵。

3.2 設(shè)備使用靈活性

微波除冰技術(shù)是配合使用微波加熱設(shè)備與機(jī)械除冰設(shè)備，快速清除公路上的冰層。其中微波加熱設(shè)備也可以單獨(dú)制造，從而實(shí)現(xiàn)靈活利用。例如，利用單獨(dú)制造的微波加熱設(shè)備對(duì)冰層加熱，冰層破碎和碎冰收集由其他機(jī)械配合完成，這種組合方式還可以通過(guò)對(duì)與微波加熱設(shè)備相配合的機(jī)械除冰設(shè)備的選擇來(lái)適應(yīng)不同的使用條件。研究表明，環(huán)境溫度越低，冰層和路面結(jié)合處上升到0℃的加熱時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)的微波除冰效率就越低。微波除冰設(shè)備可能面臨各種各樣的自然環(huán)境，在溫度較高，冰層較薄的情況下，可以與輕型、力量較小的除冰車(chē)配合使用，溫度較低、冰層較厚的情況下，可與重型除冰機(jī)械配合使用，達(dá)到靈活使用的目的。

另外，微波加熱設(shè)備單獨(dú)制造還可在除冬季以外的時(shí)間實(shí)現(xiàn)設(shè)備的一機(jī)多用。例如，由于微波加熱有加熱深度大、易于控制、不損傷瀝青混合料性能等優(yōu)勢(shì)，微波加熱設(shè)備可以用來(lái)當(dāng)做瀝青路面養(yǎng)護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)熱再生的加熱車(chē)。

3.3 將微波除冰技術(shù)納入綜合除冰除雪體系

微波除冰技術(shù)具有可除掉堅(jiān)固冰層、速度快的優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用中也存在微波利用率低、技術(shù)難度高的難點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)微波除冰技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用還比較困難，但是微波除冰技術(shù)可以在普通除冰設(shè)備不能發(fā)揮作用的局部地區(qū)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。因此，需要將微波除冰技術(shù)納入綜合除冰除雪體系，例如，對(duì)容易發(fā)生凍雨地區(qū)的需要快速除冰的公路路面面層進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，在面層材料中摻入強(qiáng)吸收微波材料，在這些路段的冬季養(yǎng)護(hù)中就可以應(yīng)用微波除冰技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速除冰，保障路段暢通。

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