严寒地区闸门防冰冻技术研究

钟东阶 ， 蒋国璋， 李克华

(1 武汉科技大学机械自动化学院， 湖北 武汉 430081； 2 长委长江勘测规划设计研究院， 湖北 武汉 430060)

在我国冬季严寒地区，由于气温低(表1)，输水渠及河流经常会结冰，冰情特征呈现出冰花、流冰、冰塞、冰坝等现象．在温度很低时，主要输水建筑物如节制闸、控制闸、退水闸、分水闸和泵站等的闸门埋件与闸门止水橡皮容易冻结在一起，一旦闸门启闭，止水橡皮即有可能被撕裂破坏，因此对于需要在冰冻期运行和操作的闸门应采取保温加热措施，以防止闸门止水橡皮与门槽埋件冻结．

表1 部分寒冷地区气温特征

1 加热方法比较

目前，在我国冰期输水仍没有成功和成熟的实际运行经验．结合国内外的一些闸门防冰冻的技术，笔者总结了防止闸门与埋件被冰冻结在一起的加热方法：热空气法、热水法、热油法和热管直接加热法[1-3]．表2就是对这几种方法进行比较．

采用热空气法、热水法及热油法，其能耗比较大，而且投资大，使用寿命短，通过上述方法比较，决定采用直接加热法，即利用纳米瓷管电加热器和超导液体传热介质直接加热门槽防止闸门止水橡皮与埋件冻结在一起．

2 热管直接加热法的防冰冻技术研究

针对直接加热法，将需要加热的闸门门槽埋件设计成空腔，把加热装置布置于空腔中，通过控制系统，使附着在埋件和水封上的冰融化，确保闸门冰期操作时水封不被破坏．整个加热系统由加热装置(电加热器、温度传感器)、控制系统和超导液体介质等组成．电加热器采用PTC陶瓷电加热器(MCH)，使用寿命为电阻丝的5～10倍．

传热液体介质：采用超导液体，其导热系数是铜的100～1 000倍．

保温材料：采用纳米多孔气凝胶隔热保温材料，这种材料在纳米尺度下的气孔比空气中的分子平均自由程还要小，是目前世界上热导率最低的固态材料．在厚度很薄的情况下，就能实现隔热保温．它无毒、无腐蚀，对水和环境无污染．

表2 闸门门槽加热方法比较

2.1 热敏电阻陶瓷电加热器[4-7](PTC)

热敏电阻陶瓷的电阻随温度的变化呈正温度系数的特性，是一种新型电加热元件，具有以下一些特点：

1)电阻-温度特性热敏电阻陶瓷材料依环境温度的变化自动控温，达到自动恒温的效果，可以节约大量能源．

2)自动控温的特殊功能 当PTC元件施加电压升温时，在居里点温度以下，电阻率很低；一旦超越居里点温度，电阻急剧增大10～108倍，使其电流下降至稳定值，达到自动控制温度、恒温目的(图1)．

图 1 PTC电阻-温度特性

3)无明火、无氧耗、不燃烧、安全可靠.PTC元件发热时不燃烧．元件周围温度超越限值时，其功率下降至平衡值，不会产生燃烧危险．

4)节约能源 PTC元件具有很高的电热转化效率，可以大大节约能源．

5)寿命长 PTC元件本身为氧化物，寿命长，无镍铬丝之高温氧化断路的弊端，也没有红外线管的易碎现象．

2.2 真空超导技术(热管技术)

热管技术利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属(图2)．

图 2 热管热传导原理

3 闸门防冰冻技术的模型试验研究[8]

由于闸门尺寸较大，且环境温度最低在-27℃以下，在一般的条件下是不可能进行试验的．笔者基于相似理论，采用模型试验研究的方法，通过改变闸门门槽的一些重要特征参数，制作一个模拟门槽热管，采用先进的加热方法，通过模型试验对闸门防冰冻结构的工作性能进行试验研究．试验结果证明：

1)陶瓷管的电阻温度特性、电流时间特性和超导液体的导热速率及均匀性均符合要求；

2)低温环境温度下，将埋件加热到一定温度，采用超导液体为传热介质，负压状态下的能效比最高．

4 结语

根据模型试验得出的相关数据，对国内的一个输水工程的闸门采用热管直接加热法进行防冰冻设计，试验结果表明：防冰冻效果良好，工作可靠，有效防止了闸门止水橡皮与门槽埋件冻结．与其它加热方法相比具有明显的优越性和经济性，它将成为今后水利水电工程防冰冻的发展趋势．

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