一種公路降溫裝置設計研究

摘 要：本文針對現有的道路灑水降溫系統不合理等問題設計了一種先進的噴灑裝置輔助路面灑水車。該裝置的變壓噴頭的噴灑區域為遞進式的圓弧形，可以滿足不同的噴灑射程，它的應用能降低灑水車對路面車輛正常行駛的干擾和實現對水資源合理化的使用，從而改善交通狀況，促進和諧交通的發展。另外，在冬天可以加入適當的融雪劑對路面的積雪和冰層進行融化處理。

關鍵詞：噴頭壓力控制；噴頭結構參數；噴頭工作區域；管道系統；

文章編號：1674-3520（2015）-04-00-01

一、研究背景

中國是一個干旱缺水嚴重的國家，扣除難以利用的洪水涇流和散布在偏遠地區的地下水資源后，中國現實可利用的淡水資源量則更少。近幾年，瀝青路面在城市道路中大量應用，吸收了大量的太陽輻射，使得城市熱島效應更為嚴重；高溫的瀝青路面，釋放出大量的瀝青揮發物，使人居住環境急劇惡化。并對車輛輪胎造成一定的損壞，造成爆胎或自燃，對交通安全造成嚴重影響。目前為止，用于道路降溫、防塵的灑水車體積大，速度慢，影響了城市交通和城市美化；由于重量大引起彎拉應力超過混凝土的極限彎拉強度時，混凝土板會發生斷裂破壞。而且現在的灑水車機動性與靈活性不夠強，無法及時地對降溫路面進行及時有效的降溫。

二、設計原理

（一）設計思路

建造合適的蓄水池，在夏天利用蓄水池儲存的水源經地下管道，通過專門設計的變壓式噴頭對路面進行噴水降溫，在冬天加入適當的融雪劑對路面的積雪和冰層進行融化處理。

（二）研究方法

本研究主要采用功能分析法、調查法，結合AutoCAD和Solidworks等軟件進行設計和仿真，以進行實際案例應用分析。

1、出水管道噴頭外部形狀及尺寸設計

根據市面上常見的性能參數表，結合本課題的具體情況，選用孔徑為0.91mm，壓力為3Pa，高度為40cm的噴頭，這樣噴灑的容量為0.79L/min。孔徑為0.91mm，既符合市場上常規的規格，也符合本設計噴灑的需要；噴頭高度為40cm，略高于機動車車輪圓徑，不會給車輛正常行車造成視覺影響。

以海爾大道為例，長度5km，若每隔12m安置一個噴頭，共需要5000/12×2=833個噴頭。需水量為833×0.56=658L/min。夏季高溫時間為10點-16點，每天噴灑時間為6h，每小時噴水時間為10min，所以實際噴水時間為1h，即60min，每天需水量為658×6039484L=40m3。

2、此次設計的變壓噴頭設計核心為變量噴灑，即在噴頭的進口處增設壓力調節裝置。通過壓力裝置調節噴頭水壓，從而改變噴灑射程，并且將噴灑域設置為扇形。

工作原理：上圖為壓力調節裝置結構形式，轉子位于定子之上，兩者相互重疊，隨著水流的沖擊轉子開始轉動，通過轉子和定子的橫截面可以看到，設置圖示方位為初始相對位置，即轉角為0°，是過流面積最大時刻，此時壓力最積小。轉子轉過45°，過流面達到最小時刻，此時壓力最大。隨著轉子轉動，轉子與定子耦合面積的循環變化，即水流通過調節裝置的橫截面積的循環變化，實現對過流壓力的調節，從而使噴頭的噴灑射程得到自動改變。（1）

3、覆蓋半徑及區域

噴頭開口設置為150°，因此由噴頭噴灑出的水為扇形。工作面積S=5/12πR2。若車道雙向2n車道，工作半徑R=（n-1）L（L：車道寬度）。

設水泵出水口面積為S1，出水流速為V1，每個水泵連接n個噴頭，噴頭出水面積為Si，流速為Vi，則S1×V1×t=n×Si×Vi×t。

噴水口距離地面高度為h，由h=1/2gt2，R=Vi×t求得Vi，由Vi求得噴頭出水面積Si，Si對應噴頭型號。

4、供水來源

（1）工廠處理后的二級水。企業分布有一個重要特點就是集約化，這些企業集中分布也就便利了地下蓄水池的修建。幾個工廠共同使用同一個蓄水池，節約成本。

（2）天然雨水。不得不承認現階段雨水的價值越來越大，與其直接流入下水道，不如直接利用起來。通過建立一個簡易的過濾雨水收集池裝置，直接將水資源引入到蓄水池當中。

簡介如下：在低洼處挖蓄水池，以作收集雨水之用。其頂部為一簡易過濾層，過濾層組成至上而下依次為鵝卵石，石英砂，活性炭，紗布，蓬松棉。以此可以過濾掉雨水中混雜的雜物、泥土等。

5、應用方法。一般情況下，本設計產品的應用時間為交通高峰期和每日溫度較高時段（例如10：00——16：00），每6分鐘定時開啟一次，每次噴灑大約1分鐘左右。

三、創新特色

（一）該裝置為自動調節壓強的變壓裝置，分為定子與轉子兩部分，3D效果圖見附錄2。灑水距離隨水流大小，壓強產生變化，可自動控制。

（二）冬季輔助融雪功能

在其噴灑的液體中添加融雪劑，其具備冬季路面融雪及破冰的輔助作用。氯化鎂對人體及其他事物影響較小，價格適宜，價格約為260元/噸，是最合適的融雪材料。

針對該設計產品的輔助功能，即冬季融雪的效果，其運作過程大致如下：秋冬季保養噴頭及管道，及時放掉管道中的水——下雪應急，打開裝置，向通過管道的水中加入融雪劑——開始噴灑，工作一定時間——工作完畢，排空水。

四、應用前景

（一）可行性分析

蓄水池建造耗資大，以1000元/立方米計算，一次建成150立方米及各種費用在16萬元，加之各種管道、噴頭裝置后耗費更大，從短期來看，投資大，加之各種控制裝置、有科技含量的東西應用于路面，也會使得作為行人的我們短時間內無法接受。另一方面，一臺灑水車市場價在5萬元左右，但是隨著冬季的臨近，灑水車逐漸閑置下來，加之各種不經意的機器磨損，如果從長期來看，灑水車的效用不及此公路降溫裝置。

（二）產品推廣及發展前景

毫無疑問水資源嚴重制約了城市的發展，在未來人與水資源的矛盾會越來越嚴重，雖然說在城市地下建立蓄水池耗費巨大、難度頗高，建立各種輸水管道需要政府部門與各工廠企業協調利益，但是符合城市長遠的發展戰略。北京市目前就已經在城市地下斥巨資建立了蓄水池來綜合管理利用水資源，這一舉措值得所有城市借鑒。

建立一套完整的此系統，可以使環保、公路等部門受益。此降溫裝置既可以給路面降溫也可以給綠化帶植物澆水，城市地下的蓄水池除了此功能之外，也可以作為消防蓄水池使用，總之最大限度地將此裝置應用于現實生活之中，這也符合和諧社會的發展理念。

參考文獻：

[1]《全射流噴頭壓力調節裝置損失系數分析及試驗》---劉俊萍、袁壽其、駱寅、湯悅、李紅等（農業工程學報，2011年04期）