電熱法在水閘局部防凍中的應用研究

張文偉

（貴州省水利投資（集團）有限責任公司,貴州 貴陽 550081）

0 引言

貴州地區(qū)是我國凝凍災害發(fā)生頻繁的地區(qū)[1],幾乎每年有11 月中旬持續(xù)到來年2 月上旬[2-3]的凝凍偶發(fā)。持續(xù)的惡劣天氣給人民帶來極大的影響。灌溉渠道的水閘多處于城市郊區(qū)和山區(qū)林地,所處位置的天氣、環(huán)境條件普遍較差,配套生產設備缺乏維護。受凝凍天氣持續(xù)作用,易發(fā)生閘門凍結、面板變形和結構銹蝕的現(xiàn)象,使水閘正常的功能失效[4]。

為了防止水閘覆冰影響啟閉運行,除合理選擇水閘結構材料外,還應采取必要的除冰措施,如機械除冰、加熱除冰等[5]。凝凍主要由雨凇、霧凇和混合淞在物體表面形成覆冰層[6],且凝凍天氣持續(xù)時間長,覆冰始終處于融化和增長的變化過程中,簡單的除冰方法不能避免積冰再次發(fā)生。

1 伴熱帶防/除冰技術方案

1.1 電加熱除冰法

電熱除冰的原理是利用加熱元器件持續(xù)或周期性工作升高金屬部件溫度,使附著在結構表面的積冰融化松動,在重力或外部載荷的作用下脫落[7]。主要由熱源系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)和智能測控系統(tǒng)組成。

1.2 伴熱帶保溫

“伴熱帶”是電伴熱系統(tǒng)的重要組成部分,可以保持生產設備、工藝管線和液體容器所需要的工作溫度范圍,預防液體結冰的發(fā)生[8]。工業(yè)中主要使用的自控溫伴熱帶由鍍鋅軟銅導線、PTC 芯帶（發(fā)熱層）、絕緣層、金屬屏蔽層和外部絕緣層組成（見圖1）,可以根據(jù)周圍溫度的波動調整發(fā)熱量,補償保溫設備熱量損耗,避免伴熱帶過熱。加熱電纜按照輸出功率可以分為低功率、中功率和大功率：小于35 W/m的為低功率線纜；35 W/m～65 W/m 的為中功率線纜；大于65 W/m 的為大功率線纜,加熱電纜大多支持多種供電方式。

圖1 自控溫伴熱帶

1.3 水閘防/除冰系統(tǒng)技術方案

系統(tǒng)技術按照“以防為先”的設計思想,重點保護圖2所示水閘移動工作部件,在閘門后表面安裝電伴熱帶,分為如圖3 所示的外圍保溫區(qū)和中心加熱區(qū),實現(xiàn)防凍與融冰兩種工況。圖3 中電伴熱帶在實際應用中連續(xù)盤繞安裝,分段繪制是為了標明分布的范圍。系統(tǒng)依據(jù)凝凍天氣條件分區(qū)運行。凝凍天氣高發(fā)季節(jié)“以防為先”,主動開啟圖3 沿閘門密封區(qū)域外圍伴熱帶,維持水閘密封連接部溫度在結冰點以上,避免水閘密封連接部凍結；惡劣天氣突發(fā),導致水閘凍結無法開啟,此時啟動全部伴熱帶融冰,實現(xiàn)脫冰提閘。按氣象條件和實際設備運行的工況進行分區(qū)域投入運行可有效降低系統(tǒng)功耗。

圖2 水閘三維模型圖

圖3 伴熱帶閘門分區(qū)布置示意圖

2 水閘防/除冰系統(tǒng)工作傳熱特征

2.1 有限元模型

參照科研項目設計水閘結構參數(shù),在Ansys 中建立如圖4（a）所示的幾何模型,由門槽、閘門和電伴熱帶三部分組成。閘門尺寸為1.6 m×1.5 m×0.16 m,門槽尺寸為3.16 m×1.65 m×0.3 m。沿兩側邊布置三條伴熱帶,底部布置雙排伴熱帶,組成保溫“防冰”工作區(qū)。單條長度約1.4 m,共計8 條,總長約11.2 m。側邊與門槽間距約為100 mm,底部與門槽間距約為50 mm。在閘門保溫“防冰”工作區(qū)內部,“橫向”間隔50 mm 布置28 條伴熱帶,長度約1.4 m（同前）,與外圍防冰工作區(qū)共同組成加熱“融冰”工作區(qū),總長約50.4 m。

圖4 水閘有限元模型（后視圖）

2.2 參數(shù)設置及網格劃分

傳熱仿真分析主要考慮水閘結構材料Q235 的熱導率,其常溫下的熱導率為60.5 W/（m·℃）。電伴熱帶功率為60 W/m,按照伴熱帶寬度12 mm 計算得到單位面積熱功率為5416 W/m2。設置水閘表面對流傳熱系數(shù)為10 W/（m2·℃）（可取值范圍0～25 W/（m2·℃）,取中等對流強度）。

網格劃分的質量會影響分析的速度和結果的精度。因水閘和電伴熱帶結構尺寸相差很大,應分區(qū)設置網格尺寸。網格劃分結果見圖4（b）,水閘整體網格尺寸為0.05 m,伴熱帶網格尺寸為0.005 m。

凝凍高發(fā)季節(jié)冰凍發(fā)生時的天氣溫度在-6℃～1℃范圍變化,為保證系統(tǒng)在廣大高原地區(qū)的系統(tǒng)運行的適應性,提高系統(tǒng)抵抗氣象條件波動的能力,熱分析時設置環(huán)境溫度為-10℃。

2.3 熱分析結果

2.3.1 保溫工作區(qū)電伴熱帶升溫特性

系統(tǒng)處于保溫“防冰”狀態(tài)運行時,經ANSYS 仿真計算得到環(huán)境溫度-10℃水閘溫度分布。此時水閘溫度在-10℃～9.8℃之間變化,水閘前后表面電伴熱帶覆蓋區(qū)域溫度較高,閘門頂部門槽的溫度高于0℃,門槽支撐梁遠離加熱區(qū),溫度接近環(huán)境溫度。

通過ANSYS 軟件內置探針工具,觀察水閘前后表面,閘門和門槽密封連接處溫度分布。沿單側閘門從上到下均勻布置四個探針,得到前表面測點溫度分別為3.09℃、5.24℃、5.16℃和5.14℃,后表面溫度分別為5.08℃、5.84℃、9.21℃和6.99℃。在閘門底邊中心布置單個探針,得到前后表面底部溫度為3.74℃和7.29℃。

分析各測溫點探針溫度值,可知前表面密封連接區(qū)溫度在3℃～5℃左右,后表面密封連接部分的溫度在5℃～9℃。因此當系統(tǒng)處于保溫“防冰”狀態(tài),可在環(huán)境溫度為-10℃時,維持水閘密封接觸區(qū)域的溫度高于結冰溫度,實現(xiàn)保溫防冰的目的。

2.3.2 電伴熱帶全局加熱升溫特性

系統(tǒng)處于加熱“融冰”狀態(tài)時,電伴熱帶全部工作,經ANSYS 計算得到環(huán)境溫度-10℃水閘溫度分布。此條件下水閘溫度在-10℃～70.78℃之間變化,中心“橫向”布置伴熱帶顯著提高了閘門整體溫度,閘門頂部門槽的溫度高于16℃。水閘門槽支撐梁溫度基本保持在環(huán)境溫度。

通過ANSYS 軟件內置探針工具,依據(jù)前述觀察方法,沿單側閘門從上到下均勻布置四個探針,得到前表面測點溫度分別為36.23℃、44.32℃、45.23℃和40.66℃,后表面溫度分別為41.99℃、49.32℃、47.09℃和44.14℃。在閘門底邊均布置三個探針,得到前表面底部溫度為43.59℃、50.03℃和47.74℃,后表面底部溫度為47.28℃、57.16℃和54.09℃

分析各測溫點探針溫度值,可知前表面密封連接處溫度在36℃～50℃左右,后表面密封連接部分的溫度在41℃～57℃。因此當防/除冰系統(tǒng)處于加熱“融冰”狀態(tài),可在環(huán)境溫度為-10℃時保持閘門溫度,滿足解凍除冰的要求。

3 工業(yè)實驗

3.1 實驗條件

在科研實驗現(xiàn)場建設輸水流道及量水控制研究實驗平臺進行現(xiàn)場試驗,和開展水閘升溫監(jiān)測實驗測試,現(xiàn)場選用平面直板漏頂鋼制閘門段,閘門材質為Q235 鋼,閘板尺寸：寬1.5 m×高1.6 m,門體重量約0.5 t,閘門啟閉機選用DC48 V供電的LQ30 kN 的螺桿；輸水渠道為矩形明渠實驗段水渠。實驗時間為2021 年12 月,期間環(huán)境溫度在-5℃～-1 ℃內變化。當閘板與門槽開始出現(xiàn)部分凍粘時進行實驗。

3.2 實驗數(shù)據(jù)記錄

實驗分別記錄防/除冰系統(tǒng)工作在“防冰”和“融冰”狀態(tài)下的水閘溫度分布。溫度傳感器布置如圖5 所示,在水閘兩側分別布置6 個測點,共12 個測點。面向水閘前表面左側為1#～6#,右側為7#～8#,12 月13 日至12 月19 日期間系統(tǒng)以“防冰”狀態(tài)運行,12 月20 日至12 月26 日系統(tǒng)以“融冰”狀態(tài)運行,各狀態(tài)運行期間,間隔兩小時采集水閘各測點溫度和環(huán)境溫度,得到溫度監(jiān)測結果見表1。實驗進行期間環(huán)境溫度在-4.90℃～0.99℃間變化。

圖5 溫度傳感器安裝位置

表1 測點溫度變化特征 單位：℃

3.3 實驗運行結果分析

表1 統(tǒng)計了各測點在“防冰”和“融冰”狀態(tài)下監(jiān)測溫度變化的總體特征,可知電伴熱帶使水閘溫度總體高于環(huán)境溫度,1#和7#溫度測點位于水閘加熱區(qū)域邊緣,溫度較其他2#～6#和8#～12#溫度測點低。當系統(tǒng)處于“防冰”狀態(tài)時,各位置溫度隨環(huán)境溫度變化有明顯波動,1#和7#測點溫度均值分別為5.21℃和5.78℃,最低溫度大于0℃。2#～6#測點和8#～12#測點溫度均值如表1 所示,計算測點總體溫度均值為11.64℃。當系統(tǒng)處于“融冰”狀態(tài)時,系統(tǒng)功率提升,2#～6#測點和8#～12#測點溫度傳感器監(jiān)測水閘核心加熱區(qū)域的溫度范圍在40℃～60℃,測點總體平均溫度為49.37℃。試驗過程中各測點監(jiān)測溫度變化雖略有差異但數(shù)值基本穩(wěn)定,受環(huán)境溫度影響較小。1#和7#測點的溫度在19℃～30℃范圍內,平均溫度分別為23.71℃和23.59℃。

綜合上述分析,水閘防/除冰系統(tǒng)的保溫范圍高于結冰點,融冰溫度穩(wěn)定,加熱核心區(qū)域的溫度可以滿足融冰的要求,因此項目研究提出方案可以實現(xiàn)保溫防凍和加熱融冰的設計目標。

4 結論

通過傳熱特征理論分析和實驗研究,證明本文提出利用電伴熱帶建立水閘防/除冰系統(tǒng)是可行的,能夠滿足防范凝凍災害的要求,在理論研究基礎上進行現(xiàn)場試驗段實驗得到以下結論：

（1）合理設計伴熱帶布置方式建立水閘防/除冰系統(tǒng),實現(xiàn)長時間保溫防凍和加熱融冰,可適應凝凍天氣持續(xù),積冰反復的特點,保障水閘運行。

（2）通過劃分保溫“防冰”和加熱“融冰”功能,可減少能耗損失,改善水閘啟閉機系統(tǒng)的運行環(huán)境,提高經濟性和可靠性。