一種新型的融雪化冰系統(tǒng)

侯雪梅

（1.西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安710121； 2.長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安710054）

我國現(xiàn)階段普遍采用兩種融雪化冰技術(shù)即人工清除法（人工機(jī)械、人工撒鹽、沙子）和化學(xué)融化法（融雪劑、降低冰點的路面材料）［1］。前者需要花費大量的人力和物力；后者有很多負(fù)面效應(yīng)如鋼筋銹蝕、剝蝕橋面及環(huán)境污染等［2］。且人工清除法和化學(xué)融化法融雪化冰技術(shù)在極端條件下更難適應(yīng)現(xiàn)代交通安全和高效出行的需求，因此研究新型、高效、自動化程度高的融雪化冰設(shè)備呈現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價值和科學(xué)意義。

熱力融雪化冰技術(shù)是一種主動預(yù)防和清除道路積雪結(jié)冰的方法，其原理是利用外界提供的熱能對路面進(jìn)行加熱，使路面溫度高于零攝氏度，從而防治道路積雪結(jié)冰［3］。根據(jù)熱能的性質(zhì)不同可以將熱力融雪化冰技術(shù)分為地?zé)帷㈦娔?、紅外線、太陽能等融雪化冰技術(shù)［4］。本文設(shè)計和研發(fā)了一種基于電能的熱力學(xué)融雪技術(shù)的新型融雪化冰系統(tǒng)，即泡沫玻璃／復(fù)合碳材料融雪化冰系統(tǒng)。系統(tǒng)通過實時監(jiān)測外界天氣狀況，控制其加熱裝置的開啟和閉合，達(dá)到快速融化冰雪的目的。

1 新型融雪化冰系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 工作原理

泡沫玻璃－復(fù)合碳層的融雪化冰系統(tǒng)鋪設(shè)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)采用三層設(shè)計：隔熱層、導(dǎo)熱層和發(fā)熱層。其工作原理為：傳感器實時監(jiān)測外界天氣狀況，從而控制發(fā)熱裝置開啟，發(fā)熱源產(chǎn)生熱量用于路面融雪化冰。同時，根據(jù)能量守恒定律，為了提高系統(tǒng)效率并減少熱量耗損，系統(tǒng)設(shè)計了導(dǎo)熱、隔熱部分，目的讓發(fā)熱電纜產(chǎn)生的熱量能快速且最大限度的向上傳遞給路面，保證了系統(tǒng)能源有效利用和工作效率。

圖1 系統(tǒng)鋪設(shè)示意圖

1.2 發(fā)熱層

考慮到電源來源的快捷和方便，系統(tǒng)采用了基于電能的熱力學(xué)融雪方案。發(fā)熱電纜具有安全、耐用、抗壓性能力強(qiáng)，能保證低溫融雪等優(yōu)點［5］，因此采用發(fā)熱電纜作為發(fā)熱源。選用Ma－Li雙導(dǎo)雙發(fā)熱合金電阻絲電纜（U.S.A）。優(yōu)化的發(fā)熱電纜的型號18W／m，鋪設(shè)的加熱功率150W／m2，設(shè)定的最高溫度是60℃，最低溫度是40℃。

1.3 隔、導(dǎo)熱層

在熱力融雪化冰系統(tǒng)中，選擇并組合性價比高的隔熱、導(dǎo)熱材料是熱力融雪化冰技術(shù)中核心技術(shù)，即性能優(yōu)良的隔熱、導(dǎo)熱材料組合系統(tǒng)是提高能熱源利用率以及融冰效率的技術(shù)關(guān)鍵［6］。

導(dǎo)熱層設(shè)計為平板中間有均勻凹槽，凹槽用于鋪設(shè)發(fā)熱電纜，通過導(dǎo)熱板將發(fā)熱電纜產(chǎn)生的熱量均勻快速傳遞給路表。因此導(dǎo)熱層需選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料。選用復(fù)合碳材料，其主要的性能指標(biāo)包括：復(fù)合碳材料的密度大約0.12kg／m3，平均導(dǎo)熱系數(shù)為400～500W／m·K，復(fù)合碳材料的厚度為0.5mm（厚度薄則承重強(qiáng)度達(dá)不到，太厚則浪費材料），材料上每隔100mm留有凹槽用來擺放導(dǎo)熱絲，這樣的距離正好能讓復(fù)合碳均勻受熱，不至于浪費熱量［5］。通過導(dǎo)熱層可以將熱量更為均勻的傳遞到上層路面，有效融雪面積會更大，加快了融雪化冰的速度。

隔熱層與導(dǎo)熱層的性能剛好相反，主要是為了防止熱量向下傳遞流失，因此在理論上需選用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料。泡沫玻璃又稱多孔玻璃。是一種氣孔率在90%以上，由均勻的氣孔組成的隔熱玻璃。泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)低，透濕系數(shù)幾乎為零。同時，泡沫玻璃本身的強(qiáng)度高，垂直于表面的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度高，因此泡沫玻璃用作隔熱材料具有不透氣、不燃燒、不變形、不變質(zhì)、不污染等特點［7］。近年來，泡沫玻璃在墻體保溫、機(jī)房降噪、高速公路吸音都有廣泛的用途，被稱之為綠色環(huán)保型絕熱材料［8］。選用泡沫玻璃作為隔熱層，其性能指標(biāo)主要包括：密度為160±5kg／m3，導(dǎo)熱系數(shù)不超過0.060W／m·K，抗壓強(qiáng)度不低于0.7MPa，抗折強(qiáng)度不低于0.5，體積吸水率不超過0.5%。

1.4 控制部分

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控制器選用超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器的MSP430芯片。MSP430單片機(jī)的特點：處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境［9］。選用DHT21數(shù)字溫濕度傳感器對當(dāng)前環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，DHT21是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點［10－11］。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制部分通過傳感器采集外界參數(shù)，識別外界天氣狀況，并根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型預(yù)算出所需的電流值和加熱溫度，控制發(fā)熱單元的工作。融雪化冰工作結(jié)束后，主控器停止發(fā)熱單元的工作，系統(tǒng)停止加熱。系統(tǒng)設(shè)計了容錯處理，當(dāng)有異常情況發(fā)生時，可自動調(diào)整到預(yù)設(shè)定的模式工作。

2 實驗與討論

新型泡沫玻璃／復(fù)合碳材料融雪化冰系統(tǒng)，采用三層設(shè)計思路，利用發(fā)熱電纜產(chǎn)生的熱量，提高路面溫度，從而消除了路面因結(jié)冰濕滑而帶來的交通安全隱患。為了驗證新型融雪化冰系統(tǒng)的性能，筆者從融冰效果和實時融雪效果分別進(jìn)行了實驗研究。

為了模擬實際路面環(huán)境，系統(tǒng)路表用兩塊地板磚（總長1200×600mm）替代。實驗開始將碎冰均勻的鋪撒到路表，厚度約為5mm。

實驗1 路表溫度測試

電源開啟后，系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測到路表有冰，開啟加熱系統(tǒng)，路表取樣點平均溫度變化如圖3所示。

圖3 路表平均溫度曲線圖

可以看出，通過發(fā)熱和導(dǎo)熱單元使得熱量向路表傳遞，路表溫度隨時間逐步上升。系統(tǒng)在大約26min后，溫度不再上升，是因為融冰結(jié)束后，系統(tǒng)停止加熱。同時，實驗測得路表各測試點的溫度隨時間變化基本相同，表明系統(tǒng)發(fā)熱和導(dǎo)熱都非常均勻，因此適合于在路面的均勻融雪化冰。

實驗2 融冰動力學(xué)測試

系統(tǒng)的融冰率與加熱時間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 融冰動力學(xué)曲線圖

可以看出，系統(tǒng)在大約5min開始逐漸融冰，在15min后，50%的冰逐漸融化，30min后，碎冰全部融化。系統(tǒng)需要幾分鐘時間才明顯有融冰現(xiàn)象，這是因為碎冰撒到路表后，路表溫度會急劇下降，其表面溫度的升高需要發(fā)熱電纜花費較長的時間產(chǎn)生熱量使其溫度上升。

實驗3 隔熱性能測試

為了測試系統(tǒng)的能量損耗和隔熱效果，通過測定隔熱層底部溫度與環(huán)境溫度間的溫差變化，可直接反映出該系統(tǒng)的熱量損耗，如溫差大，則說明發(fā)熱電纜產(chǎn)生的熱能通過隔熱層流失到地表，能量被耗損掉，反之，則能量損耗最小。系統(tǒng)的隔熱層底部溫度與環(huán)境溫度變化如圖5所示。

圖5 隔熱板底部平均溫度與環(huán)境溫度曲線

可以看出，隨著時間的變化隔熱板底層平均溫度和環(huán)境溫度幾乎沒有變化，表明發(fā)熱電纜產(chǎn)生的熱能最大限度的向上傳遞給了路面融雪，泡沫玻璃隔熱層阻隔了熱量的向下傳遞，有效地防止了熱損失，使得系統(tǒng)的熱能耗損最小，從而保證了能源的利用率和系統(tǒng)工作效率。同時，泡沫玻璃的抗壓能力和承載能力很強(qiáng)，適合道路的融雪化冰。

為了實際進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的實時融雪效果，筆者進(jìn)行了戶外融雪實驗，實驗時天空飄雪路面有積雪。系統(tǒng)開啟后，路表溫度高于零攝氏度，從而雪花落下即被融化，實時融雪效果較好。

從實驗結(jié)果來看，系統(tǒng)融化碎冰較融雪需要的時間更長，這是因為，相同體積的碎冰要比新雪的重量大很多倍，且碎冰溫度升高需要顯熱、部分冰融化成水及水蒸發(fā)時吸收潛熱，因此在融冰時系統(tǒng)可考慮提前預(yù)熱。同時，為了防止融化后的水原地結(jié)冰，系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)考慮融化后的水的及時排走。這在后續(xù)設(shè)計中加以改進(jìn)。

3 結(jié)論

新型融雪化冰系統(tǒng)，即泡沫玻璃／復(fù)合碳材料融雪化冰系統(tǒng)是利用電熱原理融雪除冰，系統(tǒng)選用的三層導(dǎo)熱融雪化冰是一種可行的方式，通過優(yōu)化控制使的該過程的能量損耗最小。

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