電熱法用于水泥混凝土路面融雪化冰的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王宇軍，常 睿，岳衛(wèi)民(.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 70065；.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 70064； .西安公路研究院，陜西 西安 70065)

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電熱法用于水泥混凝土路面融雪化冰的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王宇軍1，常 睿2，岳衛(wèi)民3
(1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710065；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 3.西安公路研究院，陜西 西安 710065)

為了研究電熱法在路面中融雪化冰的應(yīng)用情況，提出電磁能融雪化冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)而對(duì)道路表面及結(jié)構(gòu)層內(nèi)的溫度分布、升溫規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬分析，確定用于電磁能融雪化冰系統(tǒng)的材料型號(hào)，并通過(guò)對(duì)材料在不同溫度情況下的形態(tài)及性能進(jìn)行分析，確定電磁能融雪化冰系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的最高溫度限制；利用有限元軟件ANSYS分析融雪化冰系統(tǒng)的傳熱規(guī)律，據(jù)此確定電磁能融雪化冰系統(tǒng)設(shè)置的最大間距，為實(shí)際道路融雪化冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

道路工程；水泥混凝土路面；融雪化冰系統(tǒng)；加熱裝置

0 引 言

大量數(shù)據(jù)表明，15%左右的交通事故都與路面積雪有很大的關(guān)系[1-2]。交通事故會(huì)破壞交通設(shè)施及車(chē)輛，嚴(yán)重的情況下還將導(dǎo)致道路封閉，對(duì)客貨運(yùn)輸帶來(lái)諸多不便，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，采取路面清除冰雪的措施就顯得尤為關(guān)鍵[3-4]。

在融雪化冰研究方面，中國(guó)處在起步階段。1997年，吉林大學(xué)首先實(shí)踐了太陽(yáng)能蓄熱融雪化冰的設(shè)想，研究了公路融雪技術(shù)及地下蓄能[5]；北京市市政工程研究院研究了發(fā)熱電纜的橋梁坡道融雪[6]；武漢理工大學(xué)提出且開(kāi)發(fā)了導(dǎo)電鋪面融雪化冰技術(shù)，這種方法的缺點(diǎn)就是高耗能，且對(duì)路面絕緣材料尚未進(jìn)行深入研究，需要進(jìn)一步的探討和思索[7]。

目前，對(duì)于道路融雪化冰問(wèn)題還沒(méi)有一個(gè)比較完善、系統(tǒng)的分析，絕大多數(shù)研究基于有限元計(jì)算以及數(shù)值模擬[8]。因此，為了進(jìn)一步研究路面融雪化冰效果，同時(shí)研究溫度分布趨勢(shì)、升溫規(guī)律、冰雪融化速度等，本文以外界環(huán)境所測(cè)因數(shù)與實(shí)際的路面結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，模擬實(shí)際融雪化冰條件，設(shè)計(jì)試驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)試驗(yàn)分析初步掌握整個(gè)道路融雪過(guò)程的基本規(guī)律，為實(shí)際道路融雪化冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 加熱材料的確定

目前，國(guó)內(nèi)外的電磁加熱融雪系統(tǒng)局限于采用加熱電纜，其高昂的價(jià)格限制了工程方面的推廣應(yīng)用[9]。本試驗(yàn)對(duì)目前市場(chǎng)上可用于融雪系統(tǒng)的材料進(jìn)行廣泛調(diào)查和大量試驗(yàn)，擬從中選取經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加熱材料。

結(jié)合市場(chǎng)調(diào)查情況，選擇5種材料進(jìn)行下一步試驗(yàn)，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 不同加熱材料的直徑

1.1 加熱材料物理性能

加熱材料是利用電流通過(guò)時(shí)受到的電阻阻礙將電能轉(zhuǎn)化為熱能，因此有必要對(duì)所選材料的電阻進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同材料電阻回歸曲線

在等長(zhǎng)的情況下，鐵鉻絲和碳纖維的電阻值遠(yuǎn)大于其他3種材料，說(shuō)明鐵鉻絲和碳纖維的電阻率大于其他材料的電阻率；同種材料情況下，截面積大的電阻小于截面積小的電阻，且截面積相差越大，電阻值相差也越大。

1.2 材料發(fā)熱性能測(cè)試

在材料發(fā)熱性能測(cè)試過(guò)程中，電壓一定時(shí)，隨著溫度的升高，材料的電阻增大，功率下降[10]。

對(duì)擬用材料進(jìn)行了同等電流強(qiáng)度下最大發(fā)熱溫度和同等發(fā)熱溫度下所需電流強(qiáng)度的試驗(yàn)。

1.2.1 試驗(yàn)方法

(1)將加熱裝置用端子固定在桌面上，注意加熱裝置距桌面不小于1 cm。

(2)用銅裝置將pt100測(cè)溫探頭固定于加熱裝置上，并與其平行；pt100探頭與加熱裝置接觸面上涂抹導(dǎo)熱硅脂，以增大溫度傳導(dǎo)面積。

(3)連接pt100與溫度巡檢儀，并讀數(shù)。

(4)在20 ℃且表面無(wú)對(duì)流的情況下，將加熱裝置通上不同大小的電流，間隔5 min記錄1次溫度巡檢儀的讀數(shù)，待溫度巡檢儀讀數(shù)在30 min內(nèi)變化不超過(guò)2 ℃時(shí)即可停止，此時(shí)記錄通電時(shí)間和加熱裝置的最高溫度。

試驗(yàn)結(jié)果如圖2～6所示。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在不考慮施工情況和價(jià)格因素的前提下，鐵鉻絲和碳纖維是首選材料，它們具有發(fā)熱速度快、發(fā)熱量大的特點(diǎn)；但是針對(duì)擬用的工程項(xiàng)目，在采用新技術(shù)、新材料的同時(shí)，還應(yīng)具備施工簡(jiǎn)便、投資少的條件。通過(guò)對(duì)其他3種材料的比選可知：HRB335在通電過(guò)程中雖然可產(chǎn)生熱量，但其電阻值過(guò)小，為達(dá)到相應(yīng)的溫度必須通過(guò)增大電流來(lái)提高發(fā)熱功率，這給日后系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)較大的運(yùn)行成本；相同電流下，2種高碳鋼絲中截面積較小的材料發(fā)熱量較大，但考慮到1 mm的高碳鋼絲過(guò)細(xì)，在施工中不宜操作，故選擇2 mm高碳鋼絲作為后續(xù)試驗(yàn)的材料。

2 發(fā)熱材料允許最高溫度的確定

由于加熱裝置在融雪化冰系統(tǒng)中起著非常重要的作用，因此如何能夠保證加熱材料的使用壽命是進(jìn)行融雪化冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的問(wèn)題[11]。

根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，將選定材料的加熱裝置截取30 cm長(zhǎng)，共9組、27件。截取后分散于常溫干燥箱內(nèi)放置以供使用。

試驗(yàn)內(nèi)容為：將加熱裝置分別在100 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃下加熱2 h，觀測(cè)加熱裝置表面變化情況和檢測(cè)力學(xué)性能的變化；將加熱裝置分別在常溫狀態(tài)、100 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃下加熱2 h，置于干燥室內(nèi)冷卻至室溫后再進(jìn)行加熱，重復(fù)試驗(yàn)15次，觀測(cè)加熱裝置表面變化情況和檢測(cè)力學(xué)性能的變化。

試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖7所示。

表2 高碳鋼絲裝置加熱試驗(yàn)結(jié)果

圖7 抗拉強(qiáng)度對(duì)照

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，高碳鋼絲的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，且溫度越高抗拉強(qiáng)度越低；這是由于高溫作用下，金屬晶體結(jié)構(gòu)在鋼材內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)變，使力學(xué)性能出現(xiàn)變化。因此，為確保融雪化冰系統(tǒng)的正常運(yùn)行，將鋼絲的最大加熱溫度限定在200 ℃。

3 加熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，高碳鋼絲用于路面加熱中的布列方式常見(jiàn)的有直列型、往復(fù)型和旋轉(zhuǎn)型[12](圖8)，這種布設(shè)方式存在明顯的不足，主要表現(xiàn)在施工過(guò)程比較復(fù)雜，且因間距不一，導(dǎo)致混凝土受熱不均勻。

圖8 發(fā)熱電纜布設(shè)方式

本文對(duì)融雪路面設(shè)計(jì)進(jìn)行了再研究，擬采用網(wǎng)狀形式鋪設(shè)加熱裝置。本裝置縱向方向是主要發(fā)熱源，橫向方向主要起連接固定和傳導(dǎo)熱作用。此裝置在水泥混凝土中的應(yīng)用不僅使加熱裝置發(fā)熱，而且加熱裝置在通電過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以使鋼絲和敏感礦料等產(chǎn)生磁電效應(yīng)而發(fā)熱。

當(dāng)加熱裝置達(dá)到恒定溫度時(shí)，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生不同溫度的等溫線，影響材料導(dǎo)熱系數(shù)，使溫度不能無(wú)限制地傳導(dǎo)，在特定溫度、特定材料的基礎(chǔ)上，溫度存在最大傳播距離，因此布設(shè)加熱裝置的間距不得大于最大傳播距離。

為合理確定縱向加熱裝置的間距，采用ANSYS進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，確定縱向加熱裝置間距的最大容許值。

3.1 ANSYS 熱傳導(dǎo)分析

混凝土比熱容為786 J·(kg·℃)-1，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為2.6 W·(m·℃)-1，混凝土的比重為2 300 kg·m-3，混凝土初始溫度為0 ℃；加熱裝置的發(fā)熱溫度為200 ℃，構(gòu)建模型為四節(jié)點(diǎn)四邊形單元。

ANSYS提供了命令方式和圖形用戶(hù)界面供用戶(hù)輸入模型參數(shù)與相關(guān)要求，進(jìn)行前處理、計(jì)算、后處理得到軟件計(jì)算結(jié)果。由于發(fā)熱裝置的溫度大于其周?chē)嗷炷恋臏囟?，故熱量向四周擴(kuò)散；距離加熱裝置越近的地方溫度越高且等溫面積越小，隨著距離的增加，溫度降低，最終與周?chē)炷吝_(dá)到同一熱平衡狀態(tài)。

在ANSYS中，利用節(jié)點(diǎn)顯示功能顯示節(jié)點(diǎn)，并確定出加熱裝置中心位置節(jié)點(diǎn)編號(hào)和溫度傳播最大距離位置節(jié)點(diǎn)編號(hào)。通過(guò)測(cè)量最高溫度節(jié)點(diǎn)與最低溫度節(jié)點(diǎn)之間的距離，得知溫度最遠(yuǎn)傳播距離為9.25 cm，因此2個(gè)加熱裝置之間的最大距離為18.5 cm。

3.2 不同狀態(tài)下的求解結(jié)果與分析

為得到不同狀態(tài)下的數(shù)值情況，采用非隔熱和隔熱2種方式進(jìn)行分析。加熱深度為40、100 mm，加熱裝置間距為150 mm。

從圖9～12可以看出，側(cè)邊界上溫度曲線的曲率為0，這是因?yàn)閭?cè)壁采用的邊界條件為隔熱。當(dāng)采取隔熱方式時(shí)，等溫線比較稀疏，而不采取隔熱方式時(shí)，等溫線則密集。等溫線的疏密間接反映了熱流密度大小。

圖12 加熱深度100 mm、下表面非絕熱時(shí)的等溫線

4 實(shí)體工程模擬試驗(yàn)

4.1 溫度傳感器的布置

試驗(yàn)時(shí)為夏季，為模擬冬季的氣候條件，將水泥混凝土試件分別置于冰柜中進(jìn)行試驗(yàn)。

為準(zhǔn)確測(cè)量加熱裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中溫度的傳導(dǎo)規(guī)律，在試件中布置28個(gè)pt100溫度傳感器，從上至下布設(shè)4層(依次記為A、B、C、D層)，每一層有7個(gè)傳感器，如圖13、14所示。

4.2 試驗(yàn)方法

首先將試件放入冰柜中24 h，并在混凝土表面灑一層水，以便試件與周?chē)鷾囟冗_(dá)到同一溫度，記錄下此時(shí)各點(diǎn)的溫度值；開(kāi)啟電源，每5 min記錄1次溫度巡檢儀的讀數(shù)，同時(shí)注意觀察混凝土表面冰的融化情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖15、16所示。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 融化進(jìn)程

試驗(yàn)中，選擇4個(gè)層面進(jìn)行溫度測(cè)量，通過(guò)不同層面的溫度變化分析研究融雪進(jìn)程和現(xiàn)象特征。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：與加熱裝置處于同一層面的B層的溫度平均值最高，且升溫速度最快；與加熱裝置距離基本相同的A層和C層的溫度平均值相近，升溫速度基本相同；D層的溫度平均值最低。

融化階段，當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)溫度冰雪開(kāi)始融化時(shí)，大部分傳導(dǎo)的熱量用以提供融化所需要的潛熱，基本保持冰的熔點(diǎn)溫度到融破點(diǎn)，即路面溫度處在0 ℃時(shí)的冰雪融化過(guò)程發(fā)生相變。

4.3.2 特征點(diǎn)溫度分析

結(jié)構(gòu)層內(nèi)只是導(dǎo)熱過(guò)程，只有在環(huán)境溫度與加熱功率確定時(shí)發(fā)生。在各個(gè)結(jié)構(gòu)層中特征點(diǎn)溫度逐漸上升，結(jié)構(gòu)層內(nèi)傳熱溫差逐漸減小，同時(shí)增加了表面對(duì)外散熱。

事實(shí)上，B層最靠近加熱裝置，在加熱初始階段，加熱裝置會(huì)產(chǎn)生大量熱量，但無(wú)法傳導(dǎo)出去，導(dǎo)致B層溫度升高速度快；水泥混凝土中僅有熱傳導(dǎo)過(guò)程，A、C、D層的溫度曲線保持穩(wěn)定上升。初始狀態(tài)下，溫度在各個(gè)測(cè)量點(diǎn)基本相同，即-3.5 ℃左右，符合試驗(yàn)基本要求。無(wú)論A層、C層或D層，由于導(dǎo)熱過(guò)程存在的熱惰性，在初始階段都會(huì)存在一個(gè)溫度不變化階段，且距熱源越遠(yuǎn)，這段時(shí)間持續(xù)越長(zhǎng)。在本次試驗(yàn)中，A層7 min后開(kāi)始升溫，C層12 min后開(kāi)始升溫，而D層16 min后才開(kāi)始升溫。

(1)在初始階段的路面加熱過(guò)程中，熱傳導(dǎo)發(fā)生在結(jié)構(gòu)層內(nèi)，是0 ℃以下的升溫過(guò)程；當(dāng)達(dá)到0 ℃時(shí)，測(cè)量點(diǎn)中間產(chǎn)生水膜，且水膜厚度很小，不會(huì)由于坡度而流走，這時(shí)候水膜上方存在冰水共存狀態(tài)，具有穩(wěn)定的溫度曲線，熔點(diǎn)溫度稍低于平穩(wěn)過(guò)程的溫度是因?yàn)樗さ臒嶙枳饔谩?/p>

(2)在融盡點(diǎn)時(shí)，由于大量熱量被路面殘留水膜吸收蒸發(fā)，測(cè)點(diǎn)溫度急劇下降，此時(shí)曲線呈現(xiàn)凹形，水膜蒸發(fā)掉后，溫度曲線逐漸恢復(fù)升高趨勢(shì)。

融雪規(guī)律是：距離加熱源越近，溫度越高；從加熱裝置中心沿著絲徑方向溫度存在規(guī)律性變化；隨著加熱時(shí)間的增加，路面結(jié)構(gòu)層里各個(gè)測(cè)量點(diǎn)逐漸升溫后趨于平衡。相同試驗(yàn)條件下，融冰結(jié)束時(shí)的路面層溫度迅速下降，其原因是周?chē)罅繜崃勘挥糜谡舭l(fā)相變，這樣曲線就產(chǎn)生一個(gè)凹形，然而融冰效果不會(huì)受到影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)不同材料物理力學(xué)和熱工性能的分析，確定了用于加熱裝置的材料，進(jìn)而通過(guò)研究混凝土和鋼裝置在受熱情況下的性能變化，確定了加熱裝置的最大允許運(yùn)行溫度。

(2)通過(guò)ANSYS熱傳導(dǎo)分析，確定了加熱裝置的最大允許布設(shè)間距，為電熱法用于水泥混凝土路面融雪化冰的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(3)利用室內(nèi)模型模擬了電磁能融雪裝置的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的溫度觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)結(jié)構(gòu)層和上表面的溫度隨時(shí)間的變化曲線為下凸曲線，初始階段溫度升高較慢，而隨時(shí)間的推移，升溫速率加大。

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[責(zé)任編輯:杜敏浩]

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Design of Snow and Ice Melting System for Cement Concrete Pavement by Electrothermal Method

WANG Yu-jun1, CHANG Rui2, YUE Wei-min3
(1. Shaanxi Provincial Highway Construction Group Co., Ltd., Xi’an 710065, Shaanxi, China;2. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China;3. Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, China)

In order to study the application of electrothermal method in melting snow and ice on the pavement, the design concept of electromagnetic snow and ice melting system was put forward. The temperature distribution and temperature rise law of the road surface and the structural layer were tested and numerically simulated to determine the material model for the electromagnetic melting system. Through the analysis of the shape and properties of the material under different temperature conditions, the temperature limit of the electromagnetic melting system was determined. The finite element software ANSYS was used to analyze the heat transfer law of the electromagnetic melting system, and the maximum spacing of the system was determined, providing reference for actual design.

road engineering; cement concrete pavement; snow and ice melting system; heating device

1000-033X(2017)06-0047-06

2016-12-03

王宇軍(1975-)，男，陜西蒲城人，工程碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈缆饭こ獭?/p>

U418.3

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