一种针对路面薄冰的非接触除冰方法

肖　维， 彭文强， 廖逢胜

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺　416700；　2.国防科技大学 指挥军官基础教育学院， 湖南 长沙　410073)



一种针对路面薄冰的非接触除冰方法

肖维1， 彭文强2， 廖逢胜1

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺416700；2.国防科技大学 指挥军官基础教育学院， 湖南 长沙410073)

摘要：道路薄冰会严重降低行驶车辆与路面的附着力，极易引起车辆失控从而引发事故。道路薄冰与路面结合比较紧密，依靠传统的机械破冰铲除难以有效的实现道路薄冰的去除。提出了一种非接触的加热直接除冰方法，该方法利用燃油充分燃烧并及时将热量直接传递至路面进行融冰，除冰速度快，燃油消耗率低，同时没有与路面直接接触，对路面造成损害小，也极大降低了对燃油的能量需要。

关键词：路面薄冰； 除冰； 非接触； 低能耗

0引言

大量调查和研究显示，路面状况的好坏是影响道路交通的重要因素之一。特别是在寒冷的冬季，当路面积雪或结冰时，常给道路的畅通和行车安全带来严重影响。道路路面冰雪清除手段主要有人工清除法、机械清除法和化学清除法。人工清除法效率低，不适合道路路面的大规模的除冰除雪；传统机械铲雪装置对于路面较厚积雪结冰具有应用效果，但对于路面薄冰清除效果差、能耗高而且极易对路面造成二次破坏(尤其是当路面平整度不高)。撒盐除冰通过降低冰点来除雪除冰，对去除高速路面薄冰积雪具有很好的效果，但需要专用的大型撒盐装置，一方面能耗较高，另一方面对地段适用性也具有一定的局限性，也容易使土壤盐碱化，腐蚀路面和桥梁中的钢筋，对于道路的耐久性产生不可逆的破坏[1，2]。现如今国外发达国家开始采用主动型除冰融雪技术[3，4]，所谓主动型融冰除雪技术是指通过设计路面的组成和结构重新铺装，使其具有边下雪边融化的功能和特性，能主动抑制路面结冰，彻底消除路面因积雪结冰而引起的一系列安全问题。但该技术只能应用于新铺装路面，对于已铺装路面难以推广实施。针对目前我国去除高速公路薄冰积雪所面临的问题，本文提出了一种结构简单的针对道路薄冰的非接触除冰方法。

1非接触除冰方案

现行多功能除雪机的工作部分主要由前铲、前绞龙、轧冰棍、后绞龙和平刷五部分组成，主要用于清理路面较厚积雪、压碎和铲除薄冰。路面积雪较厚位于路面最上方，与路面的结合程度也不是非常紧密，在除雪过程中依靠前铲和前绞龙(雪铲总成)是比较容易铲除，铲除过程中基本上不会对路面造成破坏，而且效率相对比较高。路面薄冰一般位于积雪下方，与路面结合比较贴合紧密，机械除冰需要轧冰棍、后绞龙和平刷3个复杂工作部分同时工作，能量消耗大，由于薄冰厚度比较薄与路面结合紧密，接触式机械除冰方式极易对路面造成破坏，影响道路的使用性能和寿命。针对路面薄冰依靠机械方法难以实现有效去除的问题，基于燃烧热传导理论提出了图1所示的改进型除雪机方案。雪铲总成主要去除较厚的积雪冰，对于难以铲除的路面薄冰主要通过非接触融冰化雪机构完成。

图1　改进型多功能除雪机方案

图2为非接触式融冰化雪机构的具体结构设计方案图，通过油料燃烧产生热量，并将热量及时传递路面薄冰，使温度迅速升高而融化达到除冰目的。非接触式融冰化雪结构主要由燃烧器、送风机、供油系统、隔热罩、移动平台和控制系统6个部分组成。供油系统提供满足燃烧所需要的燃料，并分离油中的水分，过滤燃油中的杂质。燃烧器的作用在于将供油系统提供的油加压雾化，并点火燃烧以提供热量。控制系统主要控制燃烧器点火和燃烧油量，保证暖风机能够送出温度合适的热风，并能在过热及出现故障时自动保护，以保证暖风机的安全。隔热罩采用耐高温隔热材料制成主要保持暖风集中，阻止热量扩散，减少能源消耗，提高融冰效果。移动平台与底盘车相连接，在底盘车驱动作用下使略扫区域薄冰温度迅速升高融化而达到去除目的。

图2　非接触式融冰化雪机构具体方案

2理论可行性分析

热力融冰研究方面我国还处于起步阶段，至今为止还未见系统理论研究的报道。加热除冰主要依靠燃料燃烧产生的热量，通过热量传递对路面薄冰积雪进行加热从而使其融化温度达到除冰的效果[5，6]。从燃料的燃烧值、热传递效率、薄冰积雪融化所需要的热量进行理论计算，假定在同等条件下，同等质量的燃料除冰的质量。假定燃料质量m，燃料的燃烧值为r，燃油热量转化效率η，薄冰的融化热λ，薄冰的平均温度t，薄冰厚度h，路面宽度为b。

众所周知，冰融化成的水的温度临界点为0 ℃，薄冰温度升至0 ℃需要热量R1，根据比热容的相关定义可以通过下式表示：

R1=cicemice(0-t)

(1)

式中：cice为冰的比热容；mice为薄冰的质量。

冰融化为水是一个吸热的液化过程，薄冰熔化为水需要的热量R2可以表示为：

R2=λmice

(2)

冰融化过程中需要的热量Q(R1+R2)主要通过燃料燃烧产生，因此质量为m的燃料产生的热量在有效的传递效率下(mrη)可以除冰的质量为：

(3)

由于柴油的燃烧值相对比较高(r=4.6× 107J/kg)，本文选用柴油作为燃料，假定其热传递效率为80%，薄冰的初始温度为-10 ℃，图3为在不同燃料质量下可以有效除冰质量的关系图。从图中可以看出随着燃油质量的增加除冰质量明显增加。在10 kg燃油的作用下，可以除冰的质量超过了1 000 kg(1 t)，除冰效非常明显。燃料燃后直接将热量传递至薄冰表面，避免了机械除冰过程中能量的多次传递，能量利用率高。同时隔热罩作用下能充分传递薄冰表面实现非接触融冰作用，避免了机械除冰过程中阻力对能量的消耗，因此燃油能量利用率非常高。同时非接触除冰，避免了除冰过程中的路面破坏作用，同时对平整度较差的路面也有良好的适应性。

图3　燃油质量与除冰质量关系图

3实验验证

为验证所提出方法的实际应用过程中的可行性，根据非接触除冰方案设计了一种加热除冰装置。实验过程中采用柴油作为燃烧燃料，从冰柜取一定量的冰块铺撒在沥青路面上，然后启动加热除冰装置，计算路面冰块完全熔化的耗油量及所需时间。耗油量通过读取储油箱的刻度进行计算，除冰时间通过秒表进行计时，冰块质量通过电子称进行称重。实验发现质量为3 kg冰块，在110 s内完全熔化，所消耗的柴油为154 mL(约0.13 kg)，实验过程如图4所示。实验发现1 kg燃油约可以熔化30 kg的冰块，实验除冰效率比理论分析的效率低，分析可能原因主要有以下三方面： ①冰块过大过厚，分布不均匀，导致燃烧产生的热量不能有效传递到冰层内部进行熔冰，除冰效率不高； ②燃烧过程中有一定量的烟雾产生，说明燃油燃烧不是很充分； ③燃烧过程中火焰比较集中，不分散导致路面铺撒的冰块受热不均匀，火焰集中区冰块熔化快，而其余部分熔化缓慢；这些因素都导致了实际除冰效果比理论计算效率低的原因，后续装置需进一步进行优化。总体来说实验证明了非接触加热除冰效果还是满意的，验证了提出方法的可行性。

图4　加热除冰试验过程

4结论

本文提出了一种非接触的加热除冰的方法，针对多功能除雪机提出了改进优化设计方案，并对非接触式融冰化雪机构的具体方案进行了分析，理论分析结果表明柴油燃烧对路面薄冰进行加热，可以达到高效除冰的效果，设计了一套加热除冰装置通过实验验证了非接触除冰方法的可行性及后续装置优化的方向。热传导非接触直接除冰以其能量利用率高、路况适应性好、破坏性低等优点，必将在道路除冰上具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 喻文兵，李双洋，冯文杰，等.道路融雪除冰技术现状与发展趋势分析[J].冰川冻土，2011，33(4)：933-940.

[2] 杨全兵，昊学礼，黄士元.除冰盐对混凝土路面的破坏[J].低温建筑技术，1996(3)：9-11.

[3] Renee M.Lang，George L.Blaisdell，Christian D′Urso，et al. Processing snow for high strength roads and runways[J].Cold Regions Science and Technology，1997，25：17-31.

[4] 王华军，赵军．地热能道路融雪化冰过程实验研究[J]．太阳能学报，2009(2)：177-178.

[5] 万俊华，郜冶，夏允庆.燃烧理论基础[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.

[6] 胡汉平.热传导理论[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2010.

中图分类号：U 418.3+26

文献标识码：B

文章编号：1008-844X(2016)01-0056-03