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微波除冰关键技术及应用前景分析

2013-07-28赵新美丁勇杰

交通运输研究 2013年2期
关键词:冰层微波沥青

赵新美,丁勇杰,周 平

(1.重庆鹏方路面技术研究院有限公司,重庆 400054;2.重庆交通大学,重庆 400074;3.江西交通咨询公司,江西 南昌 330003)

0 引言

在冬季的雨、雪、雾天气里,当地面温度低于0℃时就会出现积雪或结冰现象,其中,对道路通行影响最严重的是冻雨,冻雨是一种特殊的天气现象,由于近地温度特别低,高空的雨水降临到近地面时会结冰形成冰冻层。道路表面因冻雨所形成的冰冻层,粘结极为牢固,普通除雪机械难以清除[1]。所以,应研制适应这种特殊冰冻层的特殊除冰方法。

由于道路上冻雨所形成的冰层极为坚固,采用除冰机械清除冰层后仍会留有一层薄薄的冰层与路面紧紧地粘在一起。正常行驶的车辆即使装上防滑链也仍难免在这层薄冰上打滑。为解决此问题,各国都在研制微波融冰装置,希望利用此装置对冰层与路面的接触处部位进行加热,使冰层与路面分离,然后再进行破冰。清除积冰后,路面的余热会将地面上留下的水膜烘干,以干燥路面从而达到彻底清除路面冰层的目的。

1 微波除冰机理

微波是指波长为1mm~1m的范围内的电磁波,对应的频率范围为300MHz~300GHz,介于普通无线电波与红外线之间。对于微波加热,考虑到便于微波器件和设备的标准化,以及避免使用频率太多造成对雷达和微波通信的干扰,各国对微波加热使用的频段都有以下明确的规定:890~940MHz为波段L,中心波长为0.330m;2400~2500MHz为波段S,中心波长为0.122m;5725~5825MHz为波段C,中心波长为0.052m;22000~22250MHz为波段K,中心波长为0.008m。目前微波加热常用的是L和S波段,最常用的频率为2 450MHz。

微波加热即是物体吸收的微波能量转化成热量,研究表明,微波能量被吸收转变成热能效率与微波工作频率成正比,提高微波频率,就相当于单位面积上更多的微波能量集中在物体表层。同时,提高微波输出功率,相应地增强了微波电场强度,单位面积的材料获得的热能也会增大。影响物质吸收微波能力的主要性能参数是相对介电常数和介质损耗角正切(如表1所示)[2]。

表1 物质相对介电常数和介质损耗角正切

由表1看出,冰的相对介电常数和介质损耗角正切都极小,所以使用微波加热结冰路面,微波能量可以穿过冰层,加热路面材料。路面材料比如沥青混凝土,具有一定的吸收能力,可以将一部分微波能量转化为热量将冰层底部融化。同时,从表1可以看出,液态水吸收微波的能力极强,当冰开始向液态水转化之后,由于水对微波的强吸收能力,冰便会加速转化为水。当冰层与路面接触处完全融化之后,使用机械除冰装置便可实现快速除冰。

2 微波除冰关键技术

由以上分析可以看出,道路材料对微波的吸收效率和微波频率及电场强度是制约微波除冰效率的关键因素。同时,微波发射装置的使用方式例如波导口距路面高度和微波设备与机械除冰设备的相互配合也是制约微波除冰效率的主要因素之一,目前关于微波除冰的研究主要集中在以下几方面。

2.1 微波发射设备研究

微波除冰效率是制约微波除冰研究进展的关键,通过对微波除冰技术进行分析,得到微波除冰效率和微波频率、微波电场强度、微波加热模式、波导口距路面高度等有关的结论。选择合适的微波工作频率是微波发射设备研究的前提,焦生杰[3]等研究发现使用5.80GHz微波较2.45GHz微波能提高4~6倍微波除冰效率。也有一些研究者提出了关于微波发射设备构造的设想,刘长生[4]等设想将微波发射管安装在一个矩形箱体内,箱体内安装反射板,通过矩形箱体的开口向路面发射微波。唐相伟[5]等也设想了类似的简易微波发射装置,但是这些装置的设想都没有考虑到微波辐射泄漏和对环境的危害,微波波长较长(1m~1mm),容易绕过一些尺寸较小的障碍物进行传播,而且在传播过程中难免会发生反射,由于人体内含有大量水分,微波对水有很强的加热效应,所以微波辐射会导致对人体健康造成严重影响。因此,在进行微波发射装置研究中,应充分考虑微波辐射的泄漏,避免除冰作业时对工作人员以及周围环境产生伤害。

2.2 道路材料微波吸收效率

微波加热深度为微波功率从物体表面降至表面值的1/e(约为36.8%)时的距离, 物体内部微波吸收效率随深度变化如公式1所示:

式中:D——微波加热深度;

λ——微波自由空间波长;

εr'——沥青混凝土的相对介电常数;

tanδ——沥青混凝土的介质损耗角正切。

以公路上常用的路面材料沥青混凝土为例,将沥青混凝土的相对介电常数、介质损耗角正切和常用的2.45GHz微波波长代入式(1)计算,2.45GHz的微波加热沥青混凝土的深度为11.2cm[6]。 距路表面1cm的范围内的沥青混凝土仅吸收微波总能量的4%~5%,进行除冰作业时仅需要加热道路表层与冰层接触部分区域。由以上计算可以看出,若在普通沥青混凝土路面上采用微波除冰方式,能源利用率较低,这也是目前制约微波除冰方式应用的关键问题之一,针对这一问题,国内外研究者也开发了一系列应用对策。明尼苏达大学的Hopstock提出将铁燧岩作为沥青路面面层材料增强路面对微波的吸收能力,提高除冰效率[7],国内长安大学唐相伟等研究者研究发现,由于铁磁性材料具有较强的微波吸收能力,因此在沥青混合料中掺入铁磁性材料能提高除冰效率3~5倍[3]。

2.3 微波除冰车制造

微波除冰需要使冰层和路面完全分离,并将分离后的冰层清除出路面。如果使用微波将路面冰层全部融化,将造成较大的能源浪费。因此,在微波除冰过程中,微波除冰装置需要与机械除冰装置配合使用,机械除冰装置主要起到如下两个作用。

2.3.1 消除微波加热死角

微波发射器经常不能实现无缝排列,加热死角造成路面加热的不均匀。这样就会造成局部的冰层不能脱落,需要与机械除冰装置配合使用,去除未能融化的冰层。

2.3.2 将冰层破碎并清除出路面

冰层与路面接触处融化之后,需要将冰层立即清除出路面范围以外,否则,在低温条件下,冰层可能重新与路面冻结在一起。因此,机械除冰装置需与微波除冰装置紧密配合。微波除冰车需要能够在破碎冰层的同时完成对碎冰的清除。

因此在现有的机械除冰车基础上进行改造是制造微波除冰车的一个较简易途径。各种除冰机械都具有各自的特点以适应除冰条件,选择机械除冰方式应该考虑到既能与微波除冰装置较好地配合,达到快速除冰的目的,又能有效地破除微波加热不均造成的局部与路面粘结坚固的冰层。但也可根据微波除冰的特点,设计与微波除冰设备相适应的机械除冰方式,唐相伟[7]等研究者设想了螺旋式除冰装置与微波加热装置配合使用,装置刀片向下的力由弹簧进行调整,可以适用不同厚度的冰层。由于微波除冰还未达到实际应用的水平,因此除冰车的效率还无从验证。

3 应用前景分析

目前微波除冰技术尚处于研发阶段,离实际应用尚有一定距离,具体原因是其技术难度高、产业化困难。因此,未来微波除冰技术的研究应着重考虑以下几方面问题。

3.1 开发路面新材料

路面材料微波吸收效率低是制约微波除冰技术的发展和应用的关键因素之一,开发对微波能量具有高吸收效率的路面材料是微波除冰技术研究的一个重要方向。目前由于普通材料的微波吸收效率较低,因此需在普通路面材料中加入对微波具有较高吸收效率的材料。钛酸钡是一种铁电陶瓷材料,其介电特征如表1所示,对微波具有较强的吸收能力,因此,选择将钛酸钡加入沥青混凝土中进行试验,验证加入后沥青混凝土查看其吸收微波能力的变化。

试验设计钛酸钡的加入量为沥青混凝土质量的5%,将混凝土试件和冰块冰冻在一起,冰块与混凝土之间加入温度传感器,通过温度记录仪实时记录温度变化,将混凝土和冰块冰冻至-20℃,移至微波炉内进行加热,记录温度传感器温度升至0℃时间以评价路面材料对微波的吸收效率。试验结果显示,不加入钛酸钡的混凝土试件升温至0℃需280s,加入钛酸钡的试件仅需要90s,微波吸收效率有明显提高。

由以上试验可以看出,加入强吸收微波材料可以使路面材料对微波的吸收效率明显提高。但是在路面材料中掺入对微波具有较强吸收能力的材料,除了可能会影响路面材料的路用性能之外,还会造成路面成本的上升,因此,寻找低价、具有较强吸收微波能力且与路面材料相容性较好的材料是研究的关键。

3.2 设备使用灵活性

微波除冰技术是配合使用微波加热设备与机械除冰设备,快速清除公路上的冰层。其中微波加热设备也可以单独制造,从而实现灵活利用。例如,利用单独制造的微波加热设备对冰层加热,冰层破碎和碎冰收集由其他机械配合完成,这种组合方式还可以通过对与微波加热设备相配合的机械除冰设备的选择来适应不同的使用条件。研究表明,环境温度越低,冰层和路面结合处上升到0℃的加热时间越长,相应的微波除冰效率就越低。微波除冰设备可能面临各种各样的自然环境,在温度较高,冰层较薄的情况下,可以与轻型、力量较小的除冰车配合使用,温度较低、冰层较厚的情况下,可与重型除冰机械配合使用,达到灵活使用的目的。

另外,微波加热设备单独制造还可在除冬季以外的时间实现设备的一机多用。例如,由于微波加热有加热深度大、易于控制、不损伤沥青混合料性能等优势,微波加热设备可以用来当做沥青路面养护及现场热再生的加热车。

3.3 将微波除冰技术纳入综合除冰除雪体系

微波除冰技术具有可除掉坚固冰层、速度快的优点,但应用中也存在微波利用率低、技术难度高的难点。要实现微波除冰技术的大规模应用还比较困难,但是微波除冰技术可以在普通除冰设备不能发挥作用的局部地区实现应用。因此,需要将微波除冰技术纳入综合除冰除雪体系,例如,对容易发生冻雨地区的需要快速除冰的公路路面面层进行特殊设计,在面层材料中掺入强吸收微波材料,在这些路段的冬季养护中就可以应用微波除冰技术,实现快速除冰,保障路段畅通。

[1]裴玉龙,盂祥海,丁建梅.寒冷地区道路交通事故分布的研究[J].中国公路学报,1998,(1):91-96.

[2]张兆镗,钟若青.微波加热技术基础[M].北京:电子工业出版社,1988.

[3]焦生杰.微波除冰效率关键技术研究[J].中国公路学报, 2008, (11): 121-126.

[4]刘长生.我国南方道路除冰装置的研究[J].中国林业科技大学学报,2009,(8):115-119.

[5]唐相伟.微波除冰应用及分析[J].筑路机械及施工机械化, 2008, (7): 15-18.

[6]李笑.微波除冰方法研究[J].哈尔滨工业大学学报, 2003, 35(11): 1342-1343.

[7]唐相伟.微波除冰国内外研究现状[J].筑路机械及施工机械化,2007,(11):1-4.

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