船舶防凍除冰技術現狀與發展

陸　煊，崔　玫，曹洪波，宋　劭

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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船舶防凍除冰技術現狀與發展

陸煊，崔玫，曹洪波，宋劭

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：介紹船舶領域傳統防凍除冰的技術，以及新型除冰防冰技術的原理和優缺點，探討船舶防凍除冰技術的發展前景和方向。

關鍵詞：船舶；防凍；除冰

在寒冷的氣候條件下，船舶露天表面容易結冰，尤其是駕駛室舷窗、燃氣輪機進氣口、艙口蓋、天線等部位，若出現結冰，較為危險。一直以來，船舶的防凍和除冰是亟待解決的問題。目前，國內外已應用和正在研究的除冰技術有40余種[1]，而在船舶領域中，特別是國內，由于空間、能耗等多方面制約，加之國內鮮有船舶在寒冷海域航行，可應用于船舶領域的除冰技術較少。但隨著我國造船、航運、科考，以及軍事等領域的發展，具備防凍除冰措施的船舶將越來越多。

1傳統防冰除冰技術

1.1熱力融冰法

熱力融冰是最早使用的，同時也是世界公認的最有效的除冰技術，其原理是焦耳原理[2]，已經發展出過電流密度法、電磁波法微波法和激光法等多種技術，這些技術多適用于輸電線、公路及航空航天等領域，用于船舶領域的以電加熱和氣加熱為主。電加熱是指船舶發動機產生的能量通過船用發電機轉化為電能，再通過電加熱設備轉化為熱能，從而進行融冰除冰。氣加熱則是指將船舶設備產生的熱氣通過特殊的引氣裝置引至船舶易結冰的位置，通過熱氣流吹除進行融冰除冰。

電加熱主要用于對局部重要設備進行加熱，在易結冰的關鍵部位上安裝專門的電加熱器件，通過把電能轉換為熱能對部件表面進行加熱除冰，保證關鍵部位的設備能夠正常工作。如船舶上的各種天線，為了保證其正常的信號數據傳輸，在天線的通信電路回路之外增加一個獨立的電加熱回路，達到融化天線上冰雪目的。為了防止駕駛艙舷窗外的水汽凝結成白色晶體，影響駕駛員視線，在前視窗玻璃內部會敷設極細的電阻絲，對玻璃進行加熱，再輔以高壓力的凈水，用雨刮來沖洗和刮除舷窗上的冰晶。

氣加熱由于使用的是現成的熱氣源，最好在設計初期就予以考慮，后期改裝難度較大。氣加熱最典型的應用是對燃氣輪機進氣口進行加熱除冰，對于采用燃氣輪機的船舶，由于燃氣輪機工作需要大量的空氣，因此動力艙進氣口空氣流速很快，使進氣口附近溫度急劇降低，使海面空氣中的大量水汽凝結成冰，嚴重的時候會附著在發動機槳葉和進氣道內，阻塞進氣，影響燃氣輪機正常工作。所以一般會在燃氣輪機進氣口設置傳感器，一旦發現結冰會馬上報警，然后采用從發動機引氣加熱的辦法，吹除溶解后的凝水。

電加熱由于需要消耗大量的能量，除冰成本較高，一般用于對局部重要設備進行加熱。氣加熱由于船體結構等因素的限制，考慮到空間、資源的成本，一般用于特定大面積部位的除冰。熱力融冰法是通過加熱的方法進行融冰，所以融冰較慢，設備往往需要在產生薄冰之前，即結冰前期就進行工作，同時也要配有相應的排凝水措施，防止冰融化后再次凝結。

1.2機械破冰法

機械破冰法是指通過各種機械使冰內部產生破壞應力，從而使冰從船體表面脫離的物理除冰方法。距統計，機械破冰法普遍比熱力融冰法能耗要低100多倍，但這種方法需要安裝相應的機械部件，并滿足其安裝使用的資源需求。

目前在船舶上甲板等區域的除冰主要以機械除冰法為主，因為甲板位置較低，且排水口和疏水管道易結冰堵塞，采用熱力融冰法融化的冰水無法有效的排出，容易再次結冰，因此現有的電加熱除冰裝置并不能有效地適用于甲板區域的除冰。機械除冰法中，由于電斥分離系統(EESS)生產和改裝方便且能耗低、效率高，已經成功應用于一些飛機和船舶上。EESS在船舶領域主要用來對艙口蓋進行除冰，其已經成功應用在了美國MK41新型垂直發射裝置上，取得了良好的效果。EESS的導電構件形狀見圖1。

圖1　EESS導電構件的形狀

電流從串聯的U形條的一臂流入，從另一臂流出。當電容向U形條快速放電時，兩臂中的電流瞬間產生相反的磁場，使原本相互接近的U形條兩臂迅速分開，嵌入除冰帶內進行除冰。相斥的脈沖力使厚度為0.50 mm的彈性帶保護套可迅速膨脹到2.25 mm，厚度增加5.5倍，然后可在小于1 ms的時間內很快恢復到初始狀態。EESS與目前現有電加熱系統相比，能耗是其千分之一，重量是其1/10[3]。這種系統可在小于1 ms內推斥25 mm厚的冰層，并且易于根據具體結構進行加改裝[4]。

1.3自然被動法

自然被動法是指依自然力如風、引力、光散射和溫度變化等被動地進行除冰。這種方法無需提供能量，但是效果也較為有限。在所有的被動方法中，憎水性和憎冰性固體涂料在船舶領域應用的較為廣泛，通過其材料特殊的物理化學性能，阻止冰的凝結和附著。但是由于船舶惡劣環境因素的影響，這些涂料隨著時間的推移會老化脫落，需要通過人力、物力進行定期的維護保養來保證其性能，而且這些涂料雖然有一定效用，但是并不能完全阻止冰的形成，因此自然被動除冰法只能是作為船舶除冰的輔助方法，與其他的除冰技術結合使用。

1.4其他方法

除了以上防除冰方法外，還有布撒防凍劑、用鏟子除冰等人力方法。防凍劑的原理是通過降低冰點來加速積雪的融化，優點是工藝簡單且工作量較小，是之前廣泛采用的除冰方法。目前防凍劑分為兩種，一種是鹽類融雪劑，一種是環保型融雪劑，價格便宜[5]，但是無論是哪一種對甲板、船體、涂料等腐蝕極強。而直接人力鏟冰的方法由于十分危險，人員在冰面上容易滑落。目前這種依靠人力或者對環境有腐蝕污染的方法基本上已經不再使用。

2新型防冰除冰技術

近年來，隨著科技和除冰理念的發展，出現了一些新型的可用于船舶的防冰技術，這些技術還處于實驗室階段，沒有正式投入使用

2.1納米超憎水涂層

近幾年，納米技術迅猛發展，科學家把納米技術應用到了防冰涂料中。一些納米材料與樹脂經過復合處理后，其表面表現出同時存在超強的疏水、疏油特性，這種特殊的物理化學特性會使結冰位置的液滴自然滾落而被拋離。這種基于納米技術的超憎水涂層，可使防結冰效率提高20倍，使水的冰點大大降低，能有效阻止表面結冰。

2.2記憶合金技術

隨著記憶合金技術的成熟，美國威奇托州立大學開發了一種形狀記憶合金制造的除冰系統——將一種鎳鈦合金絲嵌入復合材料結構內部，結構未一半圓筒殼向內變形，前緣表面產生變形而除冰。當電流切斷時，合金絲冷卻不再產生壓應變，復合材料結構重新回到原狀。這種記憶和靜可應用于導彈發射筒和船舶管路上，但是由于其結構復雜、經濟性和工藝原因，在船舶上真正投入使用還有很長的路要走。

2.3微波加熱除冰

微波加熱技術是近期出現的防冰除冰技術，其原理是通過微波作用，使材料中的雜亂熱運動特定分子隨著高頻場的作用快速震動，從而產生熱能升高溫度。由于冰層內分子不吸收微波，微波穿過冰層，作用到船舶表面的材料，材料吸收微波后溫度升高，融化與船體結合處的冰層，再結合機械破冰法或者人力進行除冰[6]。這種方法對厚冰尤其有效，而且兼具節能、加熱均勻、快速、加熱設備體積小及便于控制的優勢，在船舶領域有著很好的應用前景。

2.4氣流牽引式循環升溫防凍技術

氣流牽引式循環升溫防凍的技術基于氣象學基礎而提出的[7]。由于存在海氣耦合現象，上方低溫氣團因密度較大在重力作用下緩慢下降，當其降到海平面與海水進行感熱潛熱動量和水汽等交換，隨著溫度上升而作上升運動，在達到一定高度時又因逐漸冷卻而下降，如此往復。

而當海面存在船舶時，甲板上方的氣體下沉時因有船舶的阻隔而無法到達海面進行熱量交換。而船舶甲板表面溫度就因為低溫氣體的聚集而不斷降低，當溫度降至冰點以下時，艦船甲板就十分容易結冰。

圖2　艦船甲板平臺區域升溫防凍原理示意

氣流牽引式循環升溫防凍技術工作原理是啟動氣體牽引相關設備將氣體吹送到甲板平臺區域，使原先在甲板上聚集的低溫氣體落入海面，導致甲板平臺區域表面壓強降低，從而使作上升運動的溫度較高的氣體被牽引回補到該區域，使該甲板的溫度上升，從而達到對甲板進行升溫防凍和除冰等目的。

這種方法與采用憎水性和憎冰性固體涂料一樣，不能完全阻止冰的形成，可以作為輔助方法。

3結束語

隨著除冰技術的不斷發展，除冰理念慢慢從單一的除冰方法轉變為防冰除冰相結合的方法。單一的傳統主動除冰方法效果較為有限，被動除冰法為輔，主動除冰法為主的多種除冰方法相結合的新型除冰技術的研究將成為主流。特別是近幾年材料科學飛躍發展，出現了納米超憎水涂層、記憶合金技術等利用材料本身的特性進行防冰除冰的技術，這種被動除冰技術基本上無能量消耗或者能量消耗極小，特別適用于船舶這種資源有限的領域中。雖然這些方法十分先進，但是距離實際應用還有一段很長的路要走，而研究高效率、高性能、低能耗、低風險而且設備體積小的除冰技術仍是今后工作的重點。

參考文獻

[1] 鄧萬婷,汪濤,何清.輸電線路除(融)冰技術可行性比較[J].湖北電力,2009,33(1):6-8.

[2] 劉建偉,周婭,黃祖欽,等.高壓輸電線路除冰技術綜述[J].機械設計與制造,2012(5):285-287.

[3] 周強,陽初春,黃衛平,等.EESS應用于艦面艙口蓋除冰的可行性分析[J].海軍航空工程學院學報,2006,21(6):657-661.

[4] 王玉芳.電斥除冰的最新研究進展[J].國際航空,1991(2):59-60.

[5] 韓志斌.中國道路融冰除雪技術發展現狀及未來趨勢[J].公路與汽運，2013(6):142-145.

[6] 李笑,徐宇工,劉福利.微波除冰方法研究[J].哈爾濱工業大學學報,2003,35(11):1342-1343.

[7] 解從偉,金良安,余軍浩,等.艦船微環境氣流牽引式循環升溫防凍技術研究[J].中國測試,2013,39(1):43-46.

Present Situation and Development of De-icing and Prevent Frostbite Technology of Ships

LU Xuan, CUI Mei, CAO Hong-bo, SONG Shao

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The principle, advantages and disadvantages of the traditional prevent frostbite technology and the new technology of de-icing of the ship is introduced, and the development and prospect of the de-icing technology of the ships are discussed about.

Key words:ship; prevent frostbite; de-icing

中圖分類號：U698.91

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0037-03

第一作者簡介：陸煊(1985-)，男，碩士，工程師E-mail:5081484@qq.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.011

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統