陸 煊,崔 玫,曹洪波,宋 劭
(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430064)
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船舶防凍除冰技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展
陸煊,崔玫,曹洪波,宋劭
(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430064)
摘要:介紹船舶領(lǐng)域傳統(tǒng)防凍除冰的技術(shù),以及新型除冰防冰技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn),探討船舶防凍除冰技術(shù)的發(fā)展前景和方向。
關(guān)鍵詞:船舶;防凍;除冰
在寒冷的氣候條件下,船舶露天表面容易結(jié)冰,尤其是駕駛室舷窗、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口、艙口蓋、天線(xiàn)等部位,若出現(xiàn)結(jié)冰,較為危險(xiǎn)。一直以來(lái),船舶的防凍和除冰是亟待解決的問(wèn)題。目前,國(guó)內(nèi)外已應(yīng)用和正在研究的除冰技術(shù)有40余種[1],而在船舶領(lǐng)域中,特別是國(guó)內(nèi),由于空間、能耗等多方面制約,加之國(guó)內(nèi)鮮有船舶在寒冷海域航行,可應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的除冰技術(shù)較少。但隨著我國(guó)造船、航運(yùn)、科考,以及軍事等領(lǐng)域的發(fā)展,具備防凍除冰措施的船舶將越來(lái)越多。
1傳統(tǒng)防冰除冰技術(shù)
1.1熱力融冰法
熱力融冰是最早使用的,同時(shí)也是世界公認(rèn)的最有效的除冰技術(shù),其原理是焦耳原理[2],已經(jīng)發(fā)展出過(guò)電流密度法、電磁波法微波法和激光法等多種技術(shù),這些技術(shù)多適用于輸電線(xiàn)、公路及航空航天等領(lǐng)域,用于船舶領(lǐng)域的以電加熱和氣加熱為主。電加熱是指船舶發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量通過(guò)船用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能,再通過(guò)電加熱設(shè)備轉(zhuǎn)化為熱能,從而進(jìn)行融冰除冰。氣加熱則是指將船舶設(shè)備產(chǎn)生的熱氣通過(guò)特殊的引氣裝置引至船舶易結(jié)冰的位置,通過(guò)熱氣流吹除進(jìn)行融冰除冰。
電加熱主要用于對(duì)局部重要設(shè)備進(jìn)行加熱,在易結(jié)冰的關(guān)鍵部位上安裝專(zhuān)門(mén)的電加熱器件,通過(guò)把電能轉(zhuǎn)換為熱能對(duì)部件表面進(jìn)行加熱除冰,保證關(guān)鍵部位的設(shè)備能夠正常工作。如船舶上的各種天線(xiàn),為了保證其正常的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸,在天線(xiàn)的通信電路回路之外增加一個(gè)獨(dú)立的電加熱回路,達(dá)到融化天線(xiàn)上冰雪目的。為了防止駕駛艙舷窗外的水汽凝結(jié)成白色晶體,影響駕駛員視線(xiàn),在前視窗玻璃內(nèi)部會(huì)敷設(shè)極細(xì)的電阻絲,對(duì)玻璃進(jìn)行加熱,再輔以高壓力的凈水,用雨刮來(lái)沖洗和刮除舷窗上的冰晶。
氣加熱由于使用的是現(xiàn)成的熱氣源,最好在設(shè)計(jì)初期就予以考慮,后期改裝難度較大。氣加熱最典型的應(yīng)用是對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口進(jìn)行加熱除冰,對(duì)于采用燃?xì)廨啓C(jī)的船舶,由于燃?xì)廨啓C(jī)工作需要大量的空氣,因此動(dòng)力艙進(jìn)氣口空氣流速很快,使進(jìn)氣口附近溫度急劇降低,使海面空氣中的大量水汽凝結(jié)成冰,嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)附著在發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉和進(jìn)氣道內(nèi),阻塞進(jìn)氣,影響燃?xì)廨啓C(jī)正常工作。所以一般會(huì)在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口設(shè)置傳感器,一旦發(fā)現(xiàn)結(jié)冰會(huì)馬上報(bào)警,然后采用從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣加熱的辦法,吹除溶解后的凝水。
電加熱由于需要消耗大量的能量,除冰成本較高,一般用于對(duì)局部重要設(shè)備進(jìn)行加熱。氣加熱由于船體結(jié)構(gòu)等因素的限制,考慮到空間、資源的成本,一般用于特定大面積部位的除冰。熱力融冰法是通過(guò)加熱的方法進(jìn)行融冰,所以融冰較慢,設(shè)備往往需要在產(chǎn)生薄冰之前,即結(jié)冰前期就進(jìn)行工作,同時(shí)也要配有相應(yīng)的排凝水措施,防止冰融化后再次凝結(jié)。
1.2機(jī)械破冰法
機(jī)械破冰法是指通過(guò)各種機(jī)械使冰內(nèi)部產(chǎn)生破壞應(yīng)力,從而使冰從船體表面脫離的物理除冰方法。距統(tǒng)計(jì),機(jī)械破冰法普遍比熱力融冰法能耗要低100多倍,但這種方法需要安裝相應(yīng)的機(jī)械部件,并滿(mǎn)足其安裝使用的資源需求。
目前在船舶上甲板等區(qū)域的除冰主要以機(jī)械除冰法為主,因?yàn)榧装逦恢幂^低,且排水口和疏水管道易結(jié)冰堵塞,采用熱力融冰法融化的冰水無(wú)法有效的排出,容易再次結(jié)冰,因此現(xiàn)有的電加熱除冰裝置并不能有效地適用于甲板區(qū)域的除冰。機(jī)械除冰法中,由于電斥分離系統(tǒng)(EESS)生產(chǎn)和改裝方便且能耗低、效率高,已經(jīng)成功應(yīng)用于一些飛機(jī)和船舶上。EESS在船舶領(lǐng)域主要用來(lái)對(duì)艙口蓋進(jìn)行除冰,其已經(jīng)成功應(yīng)用在了美國(guó)MK41新型垂直發(fā)射裝置上,取得了良好的效果。EESS的導(dǎo)電構(gòu)件形狀見(jiàn)圖1。
圖1 EESS導(dǎo)電構(gòu)件的形狀
電流從串聯(lián)的U形條的一臂流入,從另一臂流出。當(dāng)電容向U形條快速放電時(shí),兩臂中的電流瞬間產(chǎn)生相反的磁場(chǎng),使原本相互接近的U形條兩臂迅速分開(kāi),嵌入除冰帶內(nèi)進(jìn)行除冰。相斥的脈沖力使厚度為0.50 mm的彈性帶保護(hù)套可迅速膨脹到2.25 mm,厚度增加5.5倍,然后可在小于1 ms的時(shí)間內(nèi)很快恢復(fù)到初始狀態(tài)。EESS與目前現(xiàn)有電加熱系統(tǒng)相比,能耗是其千分之一,重量是其1/10[3]。這種系統(tǒng)可在小于1 ms內(nèi)推斥25 mm厚的冰層,并且易于根據(jù)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加改裝[4]。
1.3自然被動(dòng)法
自然被動(dòng)法是指依自然力如風(fēng)、引力、光散射和溫度變化等被動(dòng)地進(jìn)行除冰。這種方法無(wú)需提供能量,但是效果也較為有限。在所有的被動(dòng)方法中,憎水性和憎冰性固體涂料在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的較為廣泛,通過(guò)其材料特殊的物理化學(xué)性能,阻止冰的凝結(jié)和附著。但是由于船舶惡劣環(huán)境因素的影響,這些涂料隨著時(shí)間的推移會(huì)老化脫落,需要通過(guò)人力、物力進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)來(lái)保證其性能,而且這些涂料雖然有一定效用,但是并不能完全阻止冰的形成,因此自然被動(dòng)除冰法只能是作為船舶除冰的輔助方法,與其他的除冰技術(shù)結(jié)合使用。
1.4其他方法
除了以上防除冰方法外,還有布撒防凍劑、用鏟子除冰等人力方法。防凍劑的原理是通過(guò)降低冰點(diǎn)來(lái)加速積雪的融化,優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單且工作量較小,是之前廣泛采用的除冰方法。目前防凍劑分為兩種,一種是鹽類(lèi)融雪劑,一種是環(huán)保型融雪劑,價(jià)格便宜[5],但是無(wú)論是哪一種對(duì)甲板、船體、涂料等腐蝕極強(qiáng)。而直接人力鏟冰的方法由于十分危險(xiǎn),人員在冰面上容易滑落。目前這種依靠人力或者對(duì)環(huán)境有腐蝕污染的方法基本上已經(jīng)不再使用。
2新型防冰除冰技術(shù)
近年來(lái),隨著科技和除冰理念的發(fā)展,出現(xiàn)了一些新型的可用于船舶的防冰技術(shù),這些技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段,沒(méi)有正式投入使用
2.1納米超憎水涂層
近幾年,納米技術(shù)迅猛發(fā)展,科學(xué)家把納米技術(shù)應(yīng)用到了防冰涂料中。一些納米材料與樹(shù)脂經(jīng)過(guò)復(fù)合處理后,其表面表現(xiàn)出同時(shí)存在超強(qiáng)的疏水、疏油特性,這種特殊的物理化學(xué)特性會(huì)使結(jié)冰位置的液滴自然滾落而被拋離。這種基于納米技術(shù)的超憎水涂層,可使防結(jié)冰效率提高20倍,使水的冰點(diǎn)大大降低,能有效阻止表面結(jié)冰。
2.2記憶合金技術(shù)
隨著記憶合金技術(shù)的成熟,美國(guó)威奇托州立大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種形狀記憶合金制造的除冰系統(tǒng)——將一種鎳鈦合金絲嵌入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部,結(jié)構(gòu)未一半圓筒殼向內(nèi)變形,前緣表面產(chǎn)生變形而除冰。當(dāng)電流切斷時(shí),合金絲冷卻不再產(chǎn)生壓應(yīng)變,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重新回到原狀。這種記憶和靜可應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)射筒和船舶管路上,但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性和工藝原因,在船舶上真正投入使用還有很長(zhǎng)的路要走。
2.3微波加熱除冰
微波加熱技術(shù)是近期出現(xiàn)的防冰除冰技術(shù),其原理是通過(guò)微波作用,使材料中的雜亂熱運(yùn)動(dòng)特定分子隨著高頻場(chǎng)的作用快速震動(dòng),從而產(chǎn)生熱能升高溫度。由于冰層內(nèi)分子不吸收微波,微波穿過(guò)冰層,作用到船舶表面的材料,材料吸收微波后溫度升高,融化與船體結(jié)合處的冰層,再結(jié)合機(jī)械破冰法或者人力進(jìn)行除冰[6]。這種方法對(duì)厚冰尤其有效,而且兼具節(jié)能、加熱均勻、快速、加熱設(shè)備體積小及便于控制的優(yōu)勢(shì),在船舶領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。
2.4氣流牽引式循環(huán)升溫防凍技術(shù)
氣流牽引式循環(huán)升溫防凍的技術(shù)基于氣象學(xué)基礎(chǔ)而提出的[7]。由于存在海氣耦合現(xiàn)象,上方低溫氣團(tuán)因密度較大在重力作用下緩慢下降,當(dāng)其降到海平面與海水進(jìn)行感熱潛熱動(dòng)量和水汽等交換,隨著溫度上升而作上升運(yùn)動(dòng),在達(dá)到一定高度時(shí)又因逐漸冷卻而下降,如此往復(fù)。
而當(dāng)海面存在船舶時(shí),甲板上方的氣體下沉?xí)r因有船舶的阻隔而無(wú)法到達(dá)海面進(jìn)行熱量交換。而船舶甲板表面溫度就因?yàn)榈蜏貧怏w的聚集而不斷降低,當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)以下時(shí),艦船甲板就十分容易結(jié)冰。
圖2 艦船甲板平臺(tái)區(qū)域升溫防凍原理示意
氣流牽引式循環(huán)升溫防凍技術(shù)工作原理是啟動(dòng)氣體牽引相關(guān)設(shè)備將氣體吹送到甲板平臺(tái)區(qū)域,使原先在甲板上聚集的低溫氣體落入海面,導(dǎo)致甲板平臺(tái)區(qū)域表面壓強(qiáng)降低,從而使作上升運(yùn)動(dòng)的溫度較高的氣體被牽引回補(bǔ)到該區(qū)域,使該甲板的溫度上升,從而達(dá)到對(duì)甲板進(jìn)行升溫防凍和除冰等目的。
這種方法與采用憎水性和憎冰性固體涂料一樣,不能完全阻止冰的形成,可以作為輔助方法。
3結(jié)束語(yǔ)
隨著除冰技術(shù)的不斷發(fā)展,除冰理念慢慢從單一的除冰方法轉(zhuǎn)變?yōu)榉辣嘟Y(jié)合的方法。單一的傳統(tǒng)主動(dòng)除冰方法效果較為有限,被動(dòng)除冰法為輔,主動(dòng)除冰法為主的多種除冰方法相結(jié)合的新型除冰技術(shù)的研究將成為主流。特別是近幾年材料科學(xué)飛躍發(fā)展,出現(xiàn)了納米超憎水涂層、記憶合金技術(shù)等利用材料本身的特性進(jìn)行防冰除冰的技術(shù),這種被動(dòng)除冰技術(shù)基本上無(wú)能量消耗或者能量消耗極小,特別適用于船舶這種資源有限的領(lǐng)域中。雖然這些方法十分先進(jìn),但是距離實(shí)際應(yīng)用還有一段很長(zhǎng)的路要走,而研究高效率、高性能、低能耗、低風(fēng)險(xiǎn)而且設(shè)備體積小的除冰技術(shù)仍是今后工作的重點(diǎn)。
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Present Situation and Development of De-icing and Prevent Frostbite Technology of Ships
LU Xuan, CUI Mei, CAO Hong-bo, SONG Shao
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)
Abstract:The principle, advantages and disadvantages of the traditional prevent frostbite technology and the new technology of de-icing of the ship is introduced, and the development and prospect of the de-icing technology of the ships are discussed about.
Key words:ship; prevent frostbite; de-icing
中圖分類(lèi)號(hào):U698.91
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1671-7953(2016)02-0037-03
第一作者簡(jiǎn)介:陸煊(1985-),男,碩士,工程師E-mail:5081484@qq.com
基金項(xiàng)目:國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目
收稿日期:2016-01-06
DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.011
修回日期:2016-01-21
研究方向:船舶輔助系統(tǒng)