一種針對路面薄冰的非接觸除冰方法

肖　維， 彭文強， 廖逢勝

(1.湖南省永龍高速公路建設開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；　2.國防科技大學 指揮軍官基礎教育學院， 湖南 長沙　410073)

?

一種針對路面薄冰的非接觸除冰方法

肖維1， 彭文強2， 廖逢勝1

(1.湖南省永龍高速公路建設開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；2.國防科技大學 指揮軍官基礎教育學院， 湖南 長沙410073)

摘要：道路薄冰會嚴重降低行駛車輛與路面的附著力，極易引起車輛失控從而引發(fā)事故。道路薄冰與路面結(jié)合比較緊密，依靠傳統(tǒng)的機械破冰鏟除難以有效的實現(xiàn)道路薄冰的去除。提出了一種非接觸的加熱直接除冰方法，該方法利用燃油充分燃燒并及時將熱量直接傳遞至路面進行融冰，除冰速度快，燃油消耗率低，同時沒有與路面直接接觸，對路面造成損害小，也極大降低了對燃油的能量需要。

關鍵詞：路面薄冰； 除冰； 非接觸； 低能耗

0引言

大量調(diào)查和研究顯示，路面狀況的好壞是影響道路交通的重要因素之一。特別是在寒冷的冬季，當路面積雪或結(jié)冰時，常給道路的暢通和行車安全帶來嚴重影響。道路路面冰雪清除手段主要有人工清除法、機械清除法和化學清除法。人工清除法效率低，不適合道路路面的大規(guī)模的除冰除雪；傳統(tǒng)機械鏟雪裝置對于路面較厚積雪結(jié)冰具有應用效果，但對于路面薄冰清除效果差、能耗高而且極易對路面造成二次破壞(尤其是當路面平整度不高)。撒鹽除冰通過降低冰點來除雪除冰，對去除高速路面薄冰積雪具有很好的效果，但需要專用的大型撒鹽裝置，一方面能耗較高，另一方面對地段適用性也具有一定的局限性，也容易使土壤鹽堿化，腐蝕路面和橋梁中的鋼筋，對于道路的耐久性產(chǎn)生不可逆的破壞[1，2]?，F(xiàn)如今國外發(fā)達國家開始采用主動型除冰融雪技術[3，4]，所謂主動型融冰除雪技術是指通過設計路面的組成和結(jié)構重新鋪裝，使其具有邊下雪邊融化的功能和特性，能主動抑制路面結(jié)冰，徹底消除路面因積雪結(jié)冰而引起的一系列安全問題。但該技術只能應用于新鋪裝路面，對于已鋪裝路面難以推廣實施。針對目前我國去除高速公路薄冰積雪所面臨的問題，本文提出了一種結(jié)構簡單的針對道路薄冰的非接觸除冰方法。

1非接觸除冰方案

現(xiàn)行多功能除雪機的工作部分主要由前鏟、前絞龍、軋冰棍、后絞龍和平刷五部分組成，主要用于清理路面較厚積雪、壓碎和鏟除薄冰。路面積雪較厚位于路面最上方，與路面的結(jié)合程度也不是非常緊密，在除雪過程中依靠前鏟和前絞龍(雪鏟總成)是比較容易鏟除，鏟除過程中基本上不會對路面造成破壞，而且效率相對比較高。路面薄冰一般位于積雪下方，與路面結(jié)合比較貼合緊密，機械除冰需要軋冰棍、后絞龍和平刷3個復雜工作部分同時工作，能量消耗大，由于薄冰厚度比較薄與路面結(jié)合緊密，接觸式機械除冰方式極易對路面造成破壞，影響道路的使用性能和壽命。針對路面薄冰依靠機械方法難以實現(xiàn)有效去除的問題，基于燃燒熱傳導理論提出了圖1所示的改進型除雪機方案。雪鏟總成主要去除較厚的積雪冰，對于難以鏟除的路面薄冰主要通過非接觸融冰化雪機構完成。

圖1　改進型多功能除雪機方案

圖2為非接觸式融冰化雪機構的具體結(jié)構設計方案圖，通過油料燃燒產(chǎn)生熱量，并將熱量及時傳遞路面薄冰，使溫度迅速升高而融化達到除冰目的。非接觸式融冰化雪結(jié)構主要由燃燒器、送風機、供油系統(tǒng)、隔熱罩、移動平臺和控制系統(tǒng)6個部分組成。供油系統(tǒng)提供滿足燃燒所需要的燃料，并分離油中的水分，過濾燃油中的雜質(zhì)。燃燒器的作用在于將供油系統(tǒng)提供的油加壓霧化，并點火燃燒以提供熱量?？刂葡到y(tǒng)主要控制燃燒器點火和燃燒油量，保證暖風機能夠送出溫度合適的熱風，并能在過熱及出現(xiàn)故障時自動保護，以保證暖風機的安全。隔熱罩采用耐高溫隔熱材料制成主要保持暖風集中，阻止熱量擴散，減少能源消耗，提高融冰效果。移動平臺與底盤車相連接，在底盤車驅(qū)動作用下使略掃區(qū)域薄冰溫度迅速升高融化而達到去除目的。

圖2　非接觸式融冰化雪機構具體方案

2理論可行性分析

熱力融冰研究方面我國還處于起步階段，至今為止還未見系統(tǒng)理論研究的報道。加熱除冰主要依靠燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，通過熱量傳遞對路面薄冰積雪進行加熱從而使其融化溫度達到除冰的效果[5，6]。從燃料的燃燒值、熱傳遞效率、薄冰積雪融化所需要的熱量進行理論計算，假定在同等條件下，同等質(zhì)量的燃料除冰的質(zhì)量。假定燃料質(zhì)量m，燃料的燃燒值為r，燃油熱量轉(zhuǎn)化效率η，薄冰的融化熱λ，薄冰的平均溫度t，薄冰厚度h，路面寬度為b。

眾所周知，冰融化成的水的溫度臨界點為0 ℃，薄冰溫度升至0 ℃需要熱量R1，根據(jù)比熱容的相關定義可以通過下式表示：

R1=cicemice(0-t)

(1)

式中：cice為冰的比熱容；mice為薄冰的質(zhì)量。

冰融化為水是一個吸熱的液化過程，薄冰熔化為水需要的熱量R2可以表示為：

R2=λmice

(2)

冰融化過程中需要的熱量Q(R1+R2)主要通過燃料燃燒產(chǎn)生，因此質(zhì)量為m的燃料產(chǎn)生的熱量在有效的傳遞效率下(mrη)可以除冰的質(zhì)量為：

(3)

由于柴油的燃燒值相對比較高(r=4.6× 107J/kg)，本文選用柴油作為燃料，假定其熱傳遞效率為80%，薄冰的初始溫度為-10 ℃，圖3為在不同燃料質(zhì)量下可以有效除冰質(zhì)量的關系圖。從圖中可以看出隨著燃油質(zhì)量的增加除冰質(zhì)量明顯增加。在10 kg燃油的作用下，可以除冰的質(zhì)量超過了1 000 kg(1 t)，除冰效非常明顯。燃料燃后直接將熱量傳遞至薄冰表面，避免了機械除冰過程中能量的多次傳遞，能量利用率高。同時隔熱罩作用下能充分傳遞薄冰表面實現(xiàn)非接觸融冰作用，避免了機械除冰過程中阻力對能量的消耗，因此燃油能量利用率非常高。同時非接觸除冰，避免了除冰過程中的路面破壞作用，同時對平整度較差的路面也有良好的適應性。

圖3　燃油質(zhì)量與除冰質(zhì)量關系圖

3實驗驗證

為驗證所提出方法的實際應用過程中的可行性，根據(jù)非接觸除冰方案設計了一種加熱除冰裝置。實驗過程中采用柴油作為燃燒燃料，從冰柜取一定量的冰塊鋪撒在瀝青路面上，然后啟動加熱除冰裝置，計算路面冰塊完全熔化的耗油量及所需時間。耗油量通過讀取儲油箱的刻度進行計算，除冰時間通過秒表進行計時，冰塊質(zhì)量通過電子稱進行稱重。實驗發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為3 kg冰塊，在110 s內(nèi)完全熔化，所消耗的柴油為154 mL(約0.13 kg)，實驗過程如圖4所示。實驗發(fā)現(xiàn)1 kg燃油約可以熔化30 kg的冰塊，實驗除冰效率比理論分析的效率低，分析可能原因主要有以下三方面： ①冰塊過大過厚，分布不均勻，導致燃燒產(chǎn)生的熱量不能有效傳遞到冰層內(nèi)部進行熔冰，除冰效率不高； ②燃燒過程中有一定量的煙霧產(chǎn)生，說明燃油燃燒不是很充分； ③燃燒過程中火焰比較集中，不分散導致路面鋪撒的冰塊受熱不均勻，火焰集中區(qū)冰塊熔化快，而其余部分熔化緩慢；這些因素都導致了實際除冰效果比理論計算效率低的原因，后續(xù)裝置需進一步進行優(yōu)化?？傮w來說實驗證明了非接觸加熱除冰效果還是滿意的，驗證了提出方法的可行性。

圖4　加熱除冰試驗過程

4結(jié)論

本文提出了一種非接觸的加熱除冰的方法，針對多功能除雪機提出了改進優(yōu)化設計方案，并對非接觸式融冰化雪機構的具體方案進行了分析，理論分析結(jié)果表明柴油燃燒對路面薄冰進行加熱，可以達到高效除冰的效果，設計了一套加熱除冰裝置通過實驗驗證了非接觸除冰方法的可行性及后續(xù)裝置優(yōu)化的方向。熱傳導非接觸直接除冰以其能量利用率高、路況適應性好、破壞性低等優(yōu)點，必將在道路除冰上具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1] 喻文兵，李雙洋，馮文杰，等.道路融雪除冰技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J].冰川凍土，2011，33(4)：933-940.

[2] 楊全兵，昊學禮，黃士元.除冰鹽對混凝土路面的破壞[J].低溫建筑技術，1996(3)：9-11.

[3] Renee M.Lang，George L.Blaisdell，Christian D′Urso，et al. Processing snow for high strength roads and runways[J].Cold Regions Science and Technology，1997，25：17-31.

[4] 王華軍，趙軍．地熱能道路融雪化冰過程實驗研究[J]．太陽能學報，2009(2)：177-178.

[5] 萬俊華，郜冶，夏允慶.燃燒理論基礎[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2007.

[6] 胡漢平.熱傳導理論[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2010.

中圖分類號：U 418.3+26

文獻標識碼：B

文章編號：1008-844X(2016)01-0056-03