城市道路激光、微波复合除冰方法及理论探讨

林建宇

(呼伦贝尔学院 呼伦贝尔 021000)

1 研究背景

利用激光的热效应，可以对介质加热，同样也可以利用微波热效应来对介质加热，道路微波除冰就是发挥了此功能。但微波工作的效率并不高，除去一些其他原因外，一个重要的因素是微波加热的介质是冰层下的路面。路面材料一般是沥青混凝土等，沥青混凝土的介电常数并不高，只比冰的介电常数稍高些，这样，最终的加热时间并不能有效缩短，影响了除冰的效率。之前的道路微波除冰效率研究只是把着眼点放在了路面材料、环境温度、微波功率与频率以及系统结构上，忽略了对微波作用对象的研究[1]。为提高效率只是单纯加大微波功率或提高微波频率。加大功率可以使加热时间缩短提高一定的效率，但提高有限不能从根本上解决问题，这已被唐相伟等[2]做的实验证实。提高微波频率可以有效地缩短加热时间，提高效率。但单纯提高微波频率会造成路面材料某些重要参数降低，影响路面质量[3]，这样做在目前是有局限性的。而水的介电常数却非常高，几乎高出沥青混凝土的一个数量级。所以，微波在水中的加热时间在同等条件下相对较短。如让水成为微波作用的对象那效率一定会提高。可冬季道路上覆盖的是冰雪混合物，其中几乎没有液态水，微波对冰又不起作用。如何在冰层中产生水就成了解决问题的关键，这时我们想到了激光。通常利用激光的热效应除冰时，主要是将冰溶解，使其与附着物脱离。也就是说激光能作用冰，其热效应会使冰层中产生水。综合激光、微波的两种方式的特点，我们可以将二者结合起来用其复合作用来工作。具体做法是先使用激光在冰层中产生水，再利用水对微波的强烈吸收作用缩短加热时间，使冰层迅速脱离路面。从而提高了除冰效率，这就是城市道路激光、微波复合除冰法。下面以沥青混凝土为例从理论上分析此方法的可行性。

2 微波单独加热与激光、微波复合加热及其比较

在分析这两种加热方法以及做比较之前，我们必须掌握下激光溶冰的时间概念以及微波作用在水、沥青混凝土、冰这三种介质上的吸收功率大小。

2.1 激光融冰的时间分析

2.1.1 溶冰条件

将被作用的冰层看成半无限大固体，激光垂直入射，辐照表面光功率密度是均匀分布的(即设定研究对象的有效尺寸远小于激光束口径)。

2.1.2 溶冰时间分析

为简单起见采用一维模型。此时，在激光辐照下的冰，相当于一探测器，必有一溶化阀值，其能量阀值表达式可借用光电探测器激光损伤模型的阀值表达式[3]：

(1)

ρ为介质密度，c为比热容，Ti阀值温度，R介质反射率，α介质对激光的吸收系数，t0达到阀值温度时的阀值时间，t激光脉宽，即单次辐照的时间。

为简便取窄脉冲激光辐射，这时有t

(2)

因为激光作用冰的目的是使冰在激光作用范围内产生水，冰开始融化的温度是摄氏零度，这时冰的状态是冰水混合物，并不是我们所期望的状态，所以应将阀值温度设定于稍高于摄氏零度，这是合理的。这时冰水混合的状态已基本消失，达到了我们的预期。

设Ti=1℃， 取激光的光功率密度为P0=1W，代入(2)式， 其它值分别为ρ= 0.9×103，c=2100，R=0.017，α=2.76×102，得t0≈0.07s，这是激光作用在冰表面达到阀值温度时的阀值时间值。光能量进入冰层后随深度按朗伯特定律衰减，若按衰减一半计算，这时阀值时间t0是原来的2倍，仍在毫秒级，只有能量衰减达到两位数以上时阀值时间才能达到秒级。

结论: 激光作用于冰在有效作用范围内达到阀值温度的时间很短，在毫秒级。

2.2 相同条件下同一微波作用于水、沥青混凝土、冰的吸收功率比较

设单位体积内介质损耗及功率吸收值为P(x、y、z),则有[4-5]

式中ω微波谐振的角频率，ε0真空介电常数，ε" 复合介电常数，|E|平均电场强度。

设水的吸收功率为PW介电常数为ε"=εW，冰的吸收功率为Pi，沥青混凝土的吸收功率为PP，介电常数为ε"=εp则在同频同场强条件下PW/PP=εW/εP，而εW>εP所以说水对微波的吸收大于沥青混凝土对微波的吸收，而冰对微波可以说是完全透明的，也就是冰对微波的吸收功率Pi几近于零，因此有PW>PP>Pi。

结论:在相同条件下同一微波在水中的损耗最大。

2.3 微波单独加热

设微波给定条件为垂直入射，且为简便将微波辐射设成间歇式，以消去复杂的中间变量，这在实际中也是可行的。这时微波直接加到路面介质上，在波导口有效范围内产生热，能量由下式决定

(3)

式中ω微波频率，ε0路面介质的真空介电常数，ε″路面介质的复合介电常数，E微波场强。

由于加热时间较短，可以忽略与外界的热交换作用，这时路面介质的吸收热量只与式(3)有关。设热量在介质中被吸收的值为Q吸，加热时间为ta，则吸收功率P=Q吸/ta，代入式(3)，有

(4)

热量产生后形成一个受热区块，即为介质中的热源。之后热量在介质中传导，热量在区块界面处，向纵、横两个方向传导，傅里叶传导定律成立。从而有q=k▽T，式中：q热流密度，k导热系数，▽T温度梯度。

热流密度是单位时间单位面积所通过的热量，即为q=Q/St，式中：Q热量，S热流所通过的横截面积，t导热时间。

因加热层很薄，所以热量横向传导通过的横截面与纵向相比很小，即S很小，故可忽略横向热量传导，只考虑纵向的。

设导热时间为tC。热流通过的横截面为S，放出的热量为Q放，

Q放=STck▽T

(5)

(6)

此即为微波单独加热的均方值。

2.4 激光、微波复合加热

设激光作用条件仍如2.1.1所述，微波垂直入射，为简便仍将微波辐射设成间歇式，以消去复杂的中间变量。

以沥青混凝土路面为例，工作开始时，激光、微波同时作用在冰层覆盖的路面上。对于微波来说，由于其对介质的选择性，辐射直接穿过冰层作用在路面上，也就是作用在沥青混凝土之上，这时加热的是路面材料。而激光射入冰层后，由上述分析知，热效应的作用很快在作用点附近产生水，且加热时间极短，大大快于几乎同时向下辐射的微波的加热路面的加热速度。所以，当路面材料还未被加热到规定温度时，由于冰层中水的出现，微波马上对其作用，同时对下层路面还继续作用。此时激光被设计成停止工作，这在技术上是不难实现的。之后，水吸收的热量就由微波源源不断地提供。激光产生的水被微波再次加热，水将热量传递给周围的冰层，冰层又被融化成水，水再被微波加热。如此循环往复，直至微波能量作用范围内的冰层全部被波及。

简言之，激光、微波同时作用在介质上，激光瞬间就会在冰层中产生一个小孔，且使小孔中的冰溶化成水，随后工作由微波接替。显然这个过程中，水中的温度场是有源的，热源由激光、微波依次提供。但激光产生的热量较微波产生的热量来说由于作用时间短，范围小，在总热量中占比很小，故可略去。因此，整个温度场的热源，主要由微波来提供，其能量表达式仍为式(3)，只不过ε0为水的真空介电常数，ε″ 为水的复合介电常数。同样由于加热时间较短，可以忽略与外界的热交换作用。此时热传导将沿着垂直、水平两个方向进行，且以激光打出的孔为中心，以R为半径。由于在重力作用下孔中的水聚集在孔的下部，就形成了个园柱体。因微波垂直入射，且在作用期内不会消失。相对孔中的水柱来说，上面是个热源，向上散失的热量很少，水柱的下柱面是沥青混凝土路面，由上分析知微波加热沥青混凝土的时间长于加热水的时间，由此，可忽略向下向上的纵向热传导，只考虑水中热量的横向热传导，这时热传导的范围是个扁圆柱体。热流通过的横截面为S，S=Ld，式中L为水柱的周长，d为水柱的高度。当热量传导至水冰界面时，水中热量放出，同上述，仍应用付里叶传导定律，设导热时间为tC。在微波间歇式辐照下，使ta≈tC，最后的关系式仍如式(6)，此即为复合加热的均方值，只不过式中的S应为横向截面。

2.5 两种作用方式的比较

设复合作用时热量通过的横截面是SW。水的k值是kW，ε"值为εW。单独作用时通过的横截面积是SP，沥青混凝土的k值为kp，ε"值为εP，将各参数分别代入式(6)，然后将获得的复合作用的场强EW均方值和单独作用的场强Ep均方值相比较，有下式

(7)

如设法使两种作用方式下，温度梯度保持相同，即可在式中消去温度梯度。式(7)可简化为

(8)

式中起决定作用的是介电常数和截面积。因Sw=Ld=2πrd，式中L为横截面周长，d为横截面高，r为微波作用面半径，SP=πr2，由SW/SP，有(2d)/r，而dεP(εW≈78，εP≈4.5～6.5 )，(kW/kp)≈4(kW≈0.55，kp≈0.15)，由数据来看前两项比值的乘积其数量级至少是10-3，kW/kp比值的数量级不足以扭转整体比值小于零的趋势，所以有

|Ew|2<|Ep|2

(9)

而lEl2∝微波所做的功A，在微波功率给定的条件下，A∝加热时间t，故tW

以上说明复合作用的加热时间要短于单独作用的加热时间，这是由于冰中含有水所导致的。

3 微波单独加热与复合加热的试验对比

试验样本材料分别取块状的水泥(A样本)和沥青混凝土(B样本)。水泥块取长方形，约为160mm×140mm×20mm，沥青混凝土块取圆形，约12mm×2mm。二者其上均覆厚度约30～40mm的冰层。微波发生装置的型号为wp700。由于试验条件所限，激光发生装置由加热棒代替，直径约4mm，这不影响最后的试验结果。原因在于:(1)试验的本质是对含水冰层与不含水冰层微波作用效果的对比;(2)试验中对冰层含水与不含水的微波作用效果是分别计算的，互不影响;(3)激光加热的目的是冰层中含有水，试验前采取其他方式使冰层中产生水再开始试验是可行的；(4)方法中使用激光主要是利用激光的热效率高这一特点，而冰层含水试验是对冰层中已含水的样本进行的，即试验中不考虑使冰层中产生水的时间。测温器件采用热电偶，型号为WRNT-01(K型)。温度显示器件为数字温度计，型号为TM902C。测试点选在样本两层介质之间，而对沥青混凝土又多加了一组测试，其测试点选在了沥青混凝土与冰层介面下5mm处。每种样本均按冰中含水和不含水两种方式测试，测试时以样本原始初温开始计时，以样本中二介质刚刚分离的末温为标准停止计时和加热，此时记录下的时间即为微波加热时长，同时记录分离温度。测试数据如表1-表6所示。

表1 水泥(冰层内不含水)

表2 水泥(冰层内含水)

表中T0为样本初始温度(℃)，T为样本两介质分离时温度(co)，t为微波加热时长(s)。

由表1可得微波加热时长t的平均值为4.83s，由表2可得微波加热时长t的平均值为3.58，很显然样本冰层中含水使加热时间缩短了。

表3 沥青混凝土(冰层内不含水)

表4 沥青混凝土(冰层内含水)

由表3，表5可得微波加热时长t的平均值为4.06s，由表4，表6可得微波加热时长t的平均值为3.2s(其中去除了表现奇异的5号数据)，很显然样本冰层中含水导致加热时间缩短了。

表5 沥青混凝土(冰层内不含水)

表6 沥青混凝土(冰层内含水)

当测试点在沥青混凝土介面下5mm处时。

通过试验数据分析我们可以得出样本无论是釆用水泥还是沥青混凝土均有样本上冰层含水后微波加热时间缩短的结果。这也为上述复合加热方式的理论探讨提供了依据。

4 总结

本文研究了激光、微波复合除冰法，由上述分析知，此方法的特点是缩短了加热时间，提高了除冰雪的效率。理论虽只是定性的分析，但微波单独加热与激光、微波复合加热两者的差异性还是显而易见的，这从试验数据上可以明显的看岀。在实际测试中，由于条件所限样本中二介质刚分离的时间点较难掌握，误差较大。激光对路面有一定的损害，但只要掌握好功率的大小就能使损害降到最低。利用热效应在冰层中产生水不一定非用激光，亦可用其它的热源进行尝试，原理应该是一样的，

把微波加热作用的主要对象从路面介质转移到覆盖路面的冰上(当然同时也仍对路面介质起作用)，拓展了我们的研究方向，为提高微波除冰效率打开了一扇新的门。利用两种以上手段的复合作用来处理城市道路微波除冰雪的问题，这是一种新的思路，可为今后道路的养护提供新的方法。