一種公路降溫裝置設(shè)計(jì)研究

摘 要：本文針對(duì)現(xiàn)有的道路灑水降溫系統(tǒng)不合理等問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的噴灑裝置輔助路面灑水車(chē)。該裝置的變壓噴頭的噴灑區(qū)域?yàn)檫f進(jìn)式的圓弧形，可以滿(mǎn)足不同的噴灑射程，它的應(yīng)用能降低灑水車(chē)對(duì)路面車(chē)輛正常行駛的干擾和實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源合理化的使用，從而改善交通狀況，促進(jìn)和諧交通的發(fā)展。另外，在冬天可以加入適當(dāng)?shù)娜谘﹦?duì)路面的積雪和冰層進(jìn)行融化處理。

關(guān)鍵詞：噴頭壓力控制；噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)；噴頭工作區(qū)域；管道系統(tǒng)；

文章編號(hào)：1674-3520（2015）-04-00-01

一、研究背景

中國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家，扣除難以利用的洪水涇流和散布在偏遠(yuǎn)地區(qū)的地下水資源后，中國(guó)現(xiàn)實(shí)可利用的淡水資源量則更少。近幾年，瀝青路面在城市道路中大量應(yīng)用，吸收了大量的太陽(yáng)輻射，使得城市熱島效應(yīng)更為嚴(yán)重；高溫的瀝青路面，釋放出大量的瀝青揮發(fā)物，使人居住環(huán)境急劇惡化。并對(duì)車(chē)輛輪胎造成一定的損壞，造成爆胎或自燃，對(duì)交通安全造成嚴(yán)重影響。目前為止，用于道路降溫、防塵的灑水車(chē)體積大，速度慢，影響了城市交通和城市美化；由于重量大引起彎拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限彎拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土板會(huì)發(fā)生斷裂破壞。而且現(xiàn)在的灑水車(chē)機(jī)動(dòng)性與靈活性不夠強(qiáng)，無(wú)法及時(shí)地對(duì)降溫路面進(jìn)行及時(shí)有效的降溫。

二、設(shè)計(jì)原理

（一）設(shè)計(jì)思路

建造合適的蓄水池，在夏天利用蓄水池儲(chǔ)存的水源經(jīng)地下管道，通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的變壓式噴頭對(duì)路面進(jìn)行噴水降溫，在冬天加入適當(dāng)?shù)娜谘﹦?duì)路面的積雪和冰層進(jìn)行融化處理。

（二）研究方法

本研究主要采用功能分析法、調(diào)查法，結(jié)合AutoCAD和Solidworks等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，以進(jìn)行實(shí)際案例應(yīng)用分析。

1、出水管道噴頭外部形狀及尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)市面上常見(jiàn)的性能參數(shù)表，結(jié)合本課題的具體情況，選用孔徑為0.91mm，壓力為3Pa，高度為40cm的噴頭，這樣噴灑的容量為0.79L/min?？讖綖?.91mm，既符合市場(chǎng)上常規(guī)的規(guī)格，也符合本設(shè)計(jì)噴灑的需要；噴頭高度為40cm，略高于機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)輪圓徑，不會(huì)給車(chē)輛正常行車(chē)造成視覺(jué)影響。

以海爾大道為例，長(zhǎng)度5km，若每隔12m安置一個(gè)噴頭，共需要5000/12×2=833個(gè)噴頭。需水量為833×0.56=658L/min。夏季高溫時(shí)間為10點(diǎn)-16點(diǎn)，每天噴灑時(shí)間為6h，每小時(shí)噴水時(shí)間為10min，所以實(shí)際噴水時(shí)間為1h，即60min，每天需水量為658×6039484L=40m3。

2、此次設(shè)計(jì)的變壓噴頭設(shè)計(jì)核心為變量噴灑，即在噴頭的進(jìn)口處增設(shè)壓力調(diào)節(jié)裝置。通過(guò)壓力裝置調(diào)節(jié)噴頭水壓，從而改變噴灑射程，并且將噴灑域設(shè)置為扇形。

工作原理：上圖為壓力調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)子位于定子之上，兩者相互重疊，隨著水流的沖擊轉(zhuǎn)子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子和定子的橫截面可以看到，設(shè)置圖示方位為初始相對(duì)位置，即轉(zhuǎn)角為0°，是過(guò)流面積最大時(shí)刻，此時(shí)壓力最積小。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)45°，過(guò)流面達(dá)到最小時(shí)刻，此時(shí)壓力最大。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子與定子耦合面積的循環(huán)變化，即水流通過(guò)調(diào)節(jié)裝置的橫截面積的循環(huán)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)流壓力的調(diào)節(jié)，從而使噴頭的噴灑射程得到自動(dòng)改變。（1）

3、覆蓋半徑及區(qū)域

噴頭開(kāi)口設(shè)置為150°，因此由噴頭噴灑出的水為扇形。工作面積S=5/12πR2。若車(chē)道雙向2n車(chē)道，工作半徑R=（n-1）L（L：車(chē)道寬度）。

設(shè)水泵出水口面積為S1，出水流速為V1，每個(gè)水泵連接n個(gè)噴頭，噴頭出水面積為Si，流速為Vi，則S1×V1×t=n×Si×Vi×t。

噴水口距離地面高度為h，由h=1/2gt2，R=Vi×t求得Vi，由Vi求得噴頭出水面積Si，Si對(duì)應(yīng)噴頭型號(hào)。

4、供水來(lái)源

（1）工廠(chǎng)處理后的二級(jí)水。企業(yè)分布有一個(gè)重要特點(diǎn)就是集約化，這些企業(yè)集中分布也就便利了地下蓄水池的修建。幾個(gè)工廠(chǎng)共同使用同一個(gè)蓄水池，節(jié)約成本。

（2）天然雨水。不得不承認(rèn)現(xiàn)階段雨水的價(jià)值越來(lái)越大，與其直接流入下水道，不如直接利用起來(lái)。通過(guò)建立一個(gè)簡(jiǎn)易的過(guò)濾雨水收集池裝置，直接將水資源引入到蓄水池當(dāng)中。

簡(jiǎn)介如下：在低洼處挖蓄水池，以作收集雨水之用。其頂部為一簡(jiǎn)易過(guò)濾層，過(guò)濾層組成至上而下依次為鵝卵石，石英砂，活性炭，紗布，蓬松棉。以此可以過(guò)濾掉雨水中混雜的雜物、泥土等。

5、應(yīng)用方法。一般情況下，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的應(yīng)用時(shí)間為交通高峰期和每日溫度較高時(shí)段（例如10：00——16：00），每6分鐘定時(shí)開(kāi)啟一次，每次噴灑大約1分鐘左右。

三、創(chuàng)新特色

（一）該裝置為自動(dòng)調(diào)節(jié)壓強(qiáng)的變壓裝置，分為定子與轉(zhuǎn)子兩部分，3D效果圖見(jiàn)附錄2。灑水距離隨水流大小，壓強(qiáng)產(chǎn)生變化，可自動(dòng)控制。

（二）冬季輔助融雪功能

在其噴灑的液體中添加融雪劑，其具備冬季路面融雪及破冰的輔助作用。氯化鎂對(duì)人體及其他事物影響較小，價(jià)格適宜，價(jià)格約為260元/噸，是最合適的融雪材料。

針對(duì)該設(shè)計(jì)產(chǎn)品的輔助功能，即冬季融雪的效果，其運(yùn)作過(guò)程大致如下：秋冬季保養(yǎng)噴頭及管道，及時(shí)放掉管道中的水——下雪應(yīng)急，打開(kāi)裝置，向通過(guò)管道的水中加入融雪劑——開(kāi)始噴灑，工作一定時(shí)間——工作完畢，排空水。

四、應(yīng)用前景

（一）可行性分析

蓄水池建造耗資大，以1000元/立方米計(jì)算，一次建成150立方米及各種費(fèi)用在16萬(wàn)元，加之各種管道、噴頭裝置后耗費(fèi)更大，從短期來(lái)看，投資大，加之各種控制裝置、有科技含量的東西應(yīng)用于路面，也會(huì)使得作為行人的我們短時(shí)間內(nèi)無(wú)法接受。另一方面，一臺(tái)灑水車(chē)市場(chǎng)價(jià)在5萬(wàn)元左右，但是隨著冬季的臨近，灑水車(chē)逐漸閑置下來(lái)，加之各種不經(jīng)意的機(jī)器磨損，如果從長(zhǎng)期來(lái)看，灑水車(chē)的效用不及此公路降溫裝置。

（二）產(chǎn)品推廣及發(fā)展前景

毫無(wú)疑問(wèn)水資源嚴(yán)重制約了城市的發(fā)展，在未來(lái)人與水資源的矛盾會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，雖然說(shuō)在城市地下建立蓄水池耗費(fèi)巨大、難度頗高，建立各種輸水管道需要政府部門(mén)與各工廠(chǎng)企業(yè)協(xié)調(diào)利益，但是符合城市長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展戰(zhàn)略。北京市目前就已經(jīng)在城市地下斥巨資建立了蓄水池來(lái)綜合管理利用水資源，這一舉措值得所有城市借鑒。

建立一套完整的此系統(tǒng)，可以使環(huán)保、公路等部門(mén)受益。此降溫裝置既可以給路面降溫也可以給綠化帶植物澆水，城市地下的蓄水池除了此功能之外，也可以作為消防蓄水池使用，總之最大限度地將此裝置應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活之中，這也符合和諧社會(huì)的發(fā)展理念。

參考文獻(xiàn)：

[1]《全射流噴頭壓力調(diào)節(jié)裝置損失系數(shù)分析及試驗(yàn)》---劉俊萍、袁壽其、駱寅、湯悅、李紅等（農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011年04期）