一种新型的融雪化冰系统

2014-06-09侯雪梅

西安邮电大学学报 2014年3期

侯雪梅

（1.西安邮电大学自动化学院，陕西西安710121； 2.长安大学信息工程学院，陕西西安710054）

我国现阶段普遍采用两种融雪化冰技术即人工清除法（人工机械、人工撒盐、沙子）和化学融化法（融雪剂、降低冰点的路面材料）［1］。前者需要花费大量的人力和物力；后者有很多负面效应如钢筋锈蚀、剥蚀桥面及环境污染等［2］。且人工清除法和化学融化法融雪化冰技术在极端条件下更难适应现代交通安全和高效出行的需求，因此研究新型、高效、自动化程度高的融雪化冰设备呈现出了重要的应用价值和科学意义。

热力融雪化冰技术是一种主动预防和清除道路积雪结冰的方法，其原理是利用外界提供的热能对路面进行加热，使路面温度高于零摄氏度，从而防治道路积雪结冰［3］。根据热能的性质不同可以将热力融雪化冰技术分为地热、电能、红外线、太阳能等融雪化冰技术［4］。本文设计和研发了一种基于电能的热力学融雪技术的新型融雪化冰系统，即泡沫玻璃／复合碳材料融雪化冰系统。系统通过实时监测外界天气状况，控制其加热装置的开启和闭合，达到快速融化冰雪的目的。

1 新型融雪化冰系统的总体设计

1.1 工作原理

泡沫玻璃－复合碳层的融雪化冰系统铺设示意图如图1所示。系统采用三层设计：隔热层、导热层和发热层。其工作原理为：传感器实时监测外界天气状况，从而控制发热装置开启，发热源产生热量用于路面融雪化冰。同时，根据能量守恒定律，为了提高系统效率并减少热量耗损，系统设计了导热、隔热部分，目的让发热电缆产生的热量能快速且最大限度的向上传递给路面，保证了系统能源有效利用和工作效率。

图1 系统铺设示意图

1.2 发热层

考虑到电源来源的快捷和方便，系统采用了基于电能的热力学融雪方案。发热电缆具有安全、耐用、抗压性能力强，能保证低温融雪等优点［5］，因此采用发热电缆作为发热源。选用Ma－Li双导双发热合金电阻丝电缆（U.S.A）。优化的发热电缆的型号18W／m，铺设的加热功率150W／m2，设定的最高温度是60℃，最低温度是40℃。

1.3 隔、导热层

在热力融雪化冰系统中，选择并组合性价比高的隔热、导热材料是热力融雪化冰技术中核心技术，即性能优良的隔热、导热材料组合系统是提高能热源利用率以及融冰效率的技术关键［6］。

导热层设计为平板中间有均匀凹槽，凹槽用于铺设发热电缆，通过导热板将发热电缆产生的热量均匀快速传递给路表。因此导热层需选用导热系数高的材料。选用复合碳材料，其主要的性能指标包括：复合碳材料的密度大约0.12kg／m3，平均导热系数为400～500W／m·K，复合碳材料的厚度为0.5mm（厚度薄则承重强度达不到，太厚则浪费材料），材料上每隔100mm留有凹槽用来摆放导热丝，这样的距离正好能让复合碳均匀受热，不至于浪费热量［5］。通过导热层可以将热量更为均匀的传递到上层路面，有效融雪面积会更大，加快了融雪化冰的速度。

隔热层与导热层的性能刚好相反，主要是为了防止热量向下传递流失，因此在理论上需选用导热系数低的材料。泡沫玻璃又称多孔玻璃。是一种气孔率在90%以上，由均匀的气孔组成的隔热玻璃。泡沫玻璃的导热系数低，透湿系数几乎为零。同时，泡沫玻璃本身的强度高，垂直于表面的拉伸粘结强度高，因此泡沫玻璃用作隔热材料具有不透气、不燃烧、不变形、不变质、不污染等特点［7］。近年来，泡沫玻璃在墙体保温、机房降噪、高速公路吸音都有广泛的用途，被称之为绿色环保型绝热材料［8］。选用泡沫玻璃作为隔热层，其性能指标主要包括：密度为160±5kg／m3，导热系数不超过0.060W／m·K，抗压强度不低于0.7MPa，抗折强度不低于0.5，体积吸水率不超过0.5%。

1.4 控制部分

控制系统结构如图2所示。主控制器选用超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器的MSP430芯片。MSP430单片机的特点：处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境［9］。选用DHT21数字温湿度传感器对当前环境温度和湿度进行监测，DHT21是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点［10－11］。