熱力管加熱橋面抗冰融冰試驗研究*

張登春，章照宏，袁江雅，鄒聲華，李孔清，李文宇

(1. 湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201；2. 湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410016)

0　引言

我國大部分地區(qū)屬于冰雪地區(qū)，橋面結(jié)冰而引發(fā)的交通事故一直是困擾道路交通部門的難題，尋求科學(xué)有效的抗冰雪技術(shù)已成為近年來研究的熱點[1]。熱力管抗冰融雪技術(shù)作為相對經(jīng)濟環(huán)保的一種除冰方式在國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。國外主要以美國、北歐、日本等國家為代表，在該領(lǐng)域開展了許多理論和示范應(yīng)用工作[2-8]。國內(nèi)徐慧寧[9]建立了流體加熱道路融雪試驗系統(tǒng)，分析了融雪過程路面溫變特性，揭示了融化雪水在道路結(jié)構(gòu)中的傳遞對融雪過程的影響；王華軍[10]對流體加熱道路融雪系統(tǒng)路面溫度場特性進行了研究，并通過道路融雪實驗系統(tǒng)獲得了水泥混凝土路面導(dǎo)熱系數(shù)，分析了含水率對路面?zhèn)鳠徇^程的影響；黃勇等[11]研究了熱負(fù)荷、冰層厚度等對冰層融化的傳熱規(guī)律、溫度變化、融冰率的影響；劉凱[12]對融雪化冰水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)與材料進行了實驗研究。筆者對赤石大橋主橋和引橋3種不同間距熱力管融冰系統(tǒng)的熱量傳遞過程和橋面溫度變化規(guī)律進行了數(shù)值模擬[13]，并在人工環(huán)境室對發(fā)熱電纜和超薄導(dǎo)電磨耗層除冰系統(tǒng)進行了試驗研究[14-15]。本文制作了橋梁試件，在人工環(huán)境室對熱力管抗冰融冰過程進行模型試驗，研究了100 mm和150 mm間距熱力管在不同環(huán)境條件下融冰效果，為公路橋梁熱力管除冰系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1　試件模型及測試裝置介紹

按照赤石大橋的橋面結(jié)構(gòu)制作試件，尺寸為600 mm×600 mm×380 mm，上層為100 mm瀝青鋪裝層(40 mmSMA-13細(xì)粒式改性瀝青+60 mmAC-20(C)中粒式瀝青硂)，瀝青鋪裝層下面為280 mm(C55混凝土)橋面體，其測點布置如圖1所示。共布置了5層測溫?zé)犭娕迹嚰媳砻娌贾?01到106共6個測點，中面層上表面布置107到111共5個測點，混凝土上表面(熱力管層)布置112到120共9個測點，混凝土中間層布置205到210共6個測點，試件下表面布置201到204共4個測點。熱力管加熱橋面抗冰融冰實驗裝置如圖2所示，其中工業(yè)落地扇用于模擬橋面風(fēng)速，調(diào)一、二、三檔風(fēng)速，其對應(yīng)的試件上表面風(fēng)速為3.0，5.5,和8.0 m/s。熱源采用電加熱的恒溫水箱將熱水通過管道連接到熱力管層對試件進行加熱。溫度測量通過K型測溫?zé)犭娕冀拥紸gilent34972A數(shù)據(jù)采集器，通過網(wǎng)線傳輸將數(shù)據(jù)輸出。

圖1　熱力管加熱橋面抗冰融冰試驗熱電偶布置Fig.1　Thermocouple arrangement of anti icing and ice melting on heat pipe heating bridge pavement

1.恒溫水箱；2.水泵；3.橋梁試件；4.熱電偶接線；5.Agilent34972A數(shù)據(jù)采集器；6.工業(yè)落地扇；7.溫度計；8.壓力表；9.人工環(huán)境室；10.人工環(huán)境室終端控制PC；11.數(shù)據(jù)采集PC。圖2　熱力管加熱橋面抗冰融冰試驗裝置示意Fig.2　Experimental device schematic of anti icing and ice melting on heat pipe heating bridge pavement

2　熱力管加熱橋梁試件融冰試驗

2.1　試驗工況

本試驗分別對無隔熱層和有隔熱層的100 mm和150 mm間距4個試件進行熱力管融冰試驗，每個試件測試4個工況，隔熱層采用厚度為2 mm、導(dǎo)熱系數(shù)為0.062 W/(m· K)的隔熱材料，其實驗測試工況如表1所示。

表1　實驗測試工況Table 1　Experimental test condition

2.2　工況7融冰過程分析

以工況7為例對融冰過程進行分析。試件上表面結(jié)冰后，啟動加熱裝置對試件進行加熱。由圖3可知，在風(fēng)速為5.5 m/s工況下融冰時，試件上表面平均溫度由-1.66 ℃上升到2.46 ℃需要235 min，溫升速率為1.05 ℃/h，融冰過程中前20 min試件上表面溫度緩慢下降，20 min后溫度基本上呈線性上升。由圖4可知，融冰時瀝青中面層上表面溫度不斷上升，熱力管加熱裝置剛開啟時溫度上升速度較快，經(jīng)過100 min后溫度上升速度減慢，融冰前后瀝青中面層上表面平均溫度分別為2.43 ℃和9.79 ℃，溫度變化率為1.93 ℃/h。

圖3　融冰時試件上表面溫度變化Fig.3　Temperature changes on the specimen surface

圖4　融冰時瀝青中面層上表面溫度變化Fig.4　Temperature changes on the asphalt surface

由圖5可知，在風(fēng)速為5.5 m/s工況下融冰時，熱力管層溫度從6.4 ℃增加到21.4 ℃，溫度變化率為3.83 ℃/h，熱力管外表面最高溫度為24.5 ℃。由圖6可知，融冰時混凝土中間層溫度從3.48 ℃升高到6.3 ℃，溫度變化率為0.72 ℃/h。由圖7可知，融冰時試件下表面溫度有所波動，其波動范圍為-2.32～0.05 ℃，溫度變化率為0.61 ℃/h，說明熱力管融冰對混凝土中間層和試件下表面溫度均有一定影響。由圖8可知，融冰時熱力管進出口溫差前2 min很大，然后不斷下降，到6 min時溫差下降速度變緩，熱力管進出口平均溫差為0.48 ℃，管內(nèi)流量為0.33 m3/h，熱力管加熱功率為184.2 W。

圖5　融冰時熱力管層溫度變化Fig.5　Temperature changes on the heat pipe layer

圖6　融冰時混凝土中間層溫度變化Fig.6　Temperature changes on the middle concrete layer

圖7　融冰時試件下表面溫度變化Fig.7　Temperature changes beneath the specimen surface

圖8　融冰時熱力管進出口外表面溫度變化Fig.8　Temperature changes on the heat pipe inlet and outlet

3　不同間距熱力管融冰試驗結(jié)果的對比

3.1　100 mm間距熱力管不同風(fēng)速時向上傳遞的熱流密度對比

由圖9可知，在5.5 m/s風(fēng)速工況下，對于100 mm間距無隔熱層的熱力管，在環(huán)境溫度為-3.88 ℃、相對濕度為68%、熱力管加熱功率為1 588.1 W/m2時，向上傳遞的熱流密度為251.6 W/m2，占總加熱量的15.8%；鋪設(shè)隔熱材料后，在環(huán)境溫度為-5.84 ℃、相對濕度為66%、熱力管加熱功率為511.7 W/m2時，向上傳遞的熱流密度為226.5 W/m2，占總加熱量的44.3%。由圖10可知，在8.0 m/s風(fēng)速工況下，對于100 mm間距無隔熱層的熱力管，在環(huán)境溫度為-2.38 ℃、相對濕度為67%、熱力管加熱功率為1 691.1 W/m2時，向上傳遞的熱流密度為227.2 W/m2，占總加熱量的13.4%；鋪設(shè)隔熱材料后，在環(huán)境溫度為-2.76 ℃、相對濕度為66%、熱力管加熱功率為442.5 W/m2時，向上傳遞的熱流密度為207.5 W/m2，占總加熱量的46.9%。可見，無隔熱層的熱力管加熱功率大部分用于加熱試件本身，向上傳遞熱量的比例很小，熱力管層加隔熱材料后，向上傳遞的熱流密度占總加熱量的比例明顯增加，有利于融冰。

圖9　5.5 m/s風(fēng)速工況向上傳遞的熱流密度對比Fig.9　Upward heat flow density contrast when v=5.5 m/s

圖10　8.0 m/s風(fēng)速工況向上傳遞的熱流密度對比Fig.10　Upward heat flow density contrast when v=8.0 m/s

3.2　150 mm間距熱力管不同風(fēng)速時向上傳遞的熱流密度對比

由圖11可知，在5.5 m/s風(fēng)速工況下，對于150 mm間距無隔熱層的熱力管，在環(huán)境溫度為-4.61 ℃、相對濕度為62%、熱力管加熱功率為1 561.7 W/m2時，向上傳遞的熱流密度為236.4 W/m2，占總加熱量的15.1%；鋪設(shè)隔熱材料后，在環(huán)境溫度為-1.49 ℃、相對濕度為76%、熱力管加熱功率為588.1 W/m2時，向上傳遞的熱流密度為186.3 W/m2，占總加熱量的31.7%。由圖12可知，在8.0 m/s風(fēng)速工況下，對于150 mm間距無隔熱層的熱力管，在環(huán)境溫度為-4.77 ℃、相對濕度為57%、熱力管加熱功率為1 299.4 W/m2時，向上傳遞的熱流密度為238.3 W/m2，占總加熱量的18.3%；鋪設(shè)隔熱材料后，在環(huán)境溫度為-2.66 ℃、相對濕度為65%、熱力管加熱功率為410.6 W/m2時，向上傳遞的熱流密度為212.9 W/m2，占總加熱量的51.9%。可見，在熱力管層加隔熱材料對阻止熱量向下傳遞起很大作用。

圖11　5.5 m/s風(fēng)速工況向上傳遞的熱流密度對比Fig.11　Upward heat flow density contrast when v=5.5 m/s

圖12　8.0 m/s風(fēng)速工況向上傳遞的熱流密度對比Fig.12　Upward heat flow density contrast when v=8.0 m/s

3.3　不同間距熱力管試件上表面溫升速率和融冰時間對比

試件上表面溫升速率與熱力管間距、隔熱層、風(fēng)速、環(huán)境溫度和熱力管外表面溫度有關(guān)。由圖13可知，100 mm間距加隔熱層熱力管的試件上表面溫升速率最大，在環(huán)境溫度為-3.56 ℃、風(fēng)速為3.0 m/s工況下試件上表面溫升速率為1.71 ℃/h；在環(huán)境溫度為-5.84 ℃、風(fēng)速為5.5 m/s工況下試件上表面溫升速率為1.05 ℃/h；在環(huán)境溫度為-2.76 ℃、風(fēng)速為8.0 m/s工況下試件上表面溫升速率為1.15 ℃/h。對于150 mm間距加隔熱層的熱力管，試件上表面溫升速率在1.0～1.6 ℃/h之間。而150 mm和100 mm間距未加隔熱層的熱力管試件上表面溫升速率很小，100 mm間距未加隔熱層的熱力管在5.5 m/s和8.0 m/s風(fēng)速工況下試件上表面溫升速率為0.8 ℃/h左右；150 mm間距未加隔熱層的熱力管在5.5 m/s和8.0 m/s風(fēng)速工況下試件上表面溫升速率均在0.7 ℃/h以下，因而融冰時間長。在相同風(fēng)速5.5 m/s條件下，由于100 mm加隔熱層比150 mm加隔熱層的環(huán)境溫度低很多，因而150 mm加隔熱層的試件上表面溫升速率1.629 ℃/h比100 mm加隔熱層的1.052 ℃/h要大；但在相同風(fēng)速8.0 m/s條件下，雖然100 mm加隔熱層的環(huán)境溫度-2.76 ℃比150 mm加隔熱層的環(huán)境溫度-2.66 ℃要低，且150 mm加隔熱層的熱力管外表面溫度25.6 ℃比100 mm加隔熱層的熱力管外表面溫度24.6 ℃要高，但100 mm加隔熱層的試件上表面溫升速率1.145 ℃/h還是比150 mm加隔熱層的1.07 ℃/h要大。

圖13　不同間距熱力管試件上表面溫升速率對比Fig.13　Temperature rise rate in different heat pipe spacing

融冰時間取決于熱力管間距、隔熱層、風(fēng)速、環(huán)境溫度和熱力管外表面溫度。由圖14可知，100 mm間距加隔熱層的熱力管融冰時間最短，在環(huán)境溫度為-3.56 ℃、風(fēng)速為3.0 m/s工況下融冰時間為100 min；在環(huán)境溫度為-5.84 ℃、風(fēng)速為5.5 m/s工況下融冰時間為235 min；在環(huán)境溫度為-2.76 ℃、風(fēng)速為8.0 m/s工況下融冰時間為175 min。150 mm和100 mm間距未加隔熱層的熱力管融冰時間很長，150 mm間距未加隔熱層的熱力管在環(huán)境溫度為-2.47 ℃、風(fēng)速為8.0 m/s工況下融冰時間為271 min；100 mm間距未加隔熱層的熱力管在環(huán)境溫度為-2.38 ℃、風(fēng)速為8.0 m/s工況下融冰時間為211 min。可見，150 mm間距未加隔熱層的熱力管提供的熱量不足以補償融冰所需的熱負(fù)荷，很難達到融冰要求。在相同風(fēng)速5.5 m/s條件下，150 mm加隔熱層的融冰時間102 min比100 mm加隔熱層的融冰時間235 min少133 min，這是因為100 mm加隔熱層的環(huán)境溫度-5.84 ℃比150 mm加隔熱層的環(huán)境溫度-1.49 ℃要低得多；在相同風(fēng)速8.0 m/s條件下，150 mm加隔熱層的融冰時間161 min比100 mm加隔熱層的融冰時間175 min少14 min，這是因為100 mm加隔熱層的環(huán)境溫度-2.76 ℃比150 mm加隔熱層的環(huán)境溫度-2.66 ℃要低，另一個原因是150 mm加隔熱層的熱力管外表面溫度25.6 ℃比100 mm加隔熱層的熱力管外表面溫度24.6 ℃要高。

圖14　不同間距熱力管融冰時間對比Fig.14　Ice melting time in different heat pipe spacing

4　結(jié)論

1)在低溫人工環(huán)境室進行了4個試件16個工況的熱力管抗冰融冰試驗結(jié)果表明，在相同工況條件(風(fēng)速8.0 m/s、環(huán)境溫度-2.5 ℃)下，無隔熱層100 mm間距熱力管的融冰時間比150 mm間距熱力管的融冰時間縮短60 min。

2)在熱力管層鋪設(shè)厚度為2 mm、導(dǎo)熱系數(shù)為0.062 W/(m· K)的隔熱材料對阻止熱量向下傳遞有很好的作用，無隔熱層的熱力管融冰需要很大的加熱功率，而且大部分熱量用于加熱試件本身，使試件內(nèi)部溫度大幅上升；在熱力管層鋪設(shè)隔熱材料后，在相同工況條件下，100 mm和150 mm間距的熱力管融冰時間分別縮短36 min和110 min。

3)熱力管抗冰融冰時，試件上表面溫升速率和融冰時間取決于與風(fēng)速、環(huán)境溫度和熱力管外表面溫度。風(fēng)速越大、環(huán)境溫度和熱力管外表面溫度越低，試件上表面溫升速率越小，融冰時間越長。

[1]王選倉,張聰,林榮安,等. 綠色太陽能融雪化冰水泥路面關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 筑路機械與施工機械化, 2010,27(12):28-31.

WANG Xuancang, ZHANG Cong, LIN Rong’an, et al. Study on snow removing cement pavement based on solar technology[J]. Road Machinery & Construction Mechanization, 2010, 27(12):28-31.

[2]Nagai N, Miyamoto S. Numerical simulation of snow melting on pavement surface with heat dissipation pipe embedded[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 2008, 74(3): 640-647.

[3]XU H N, TAN Y Q. Development and testing of heat and mass coupled model of heat and mass coupled model of snow melting for hydronic cally heated pavement[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2012(2282): 14-21.

[4]Sherif Y, Christopher Y T, David F, et al. Conductive concrete overlay for bridge deck deicing: mixture proportioning, optimization, and properties[J]. ACI Materials Journal, 2000, 97(2):172-181.

[5]Ferrara A A, Haslett. Preferential bridge icing using heat pipes[M]. Washington D C: Federal Highway Administration, 1975.

[6]Asfour S, Bernardin F, Toussaint E, et al. Hydrothermal modeling of porous pavement for its surface de-freezing[J]. Applied Thermal Engineering, 2016(107):493-500.

[7]Chanjuan Han, Xiong (Bill) Yu. Feasibility of geothermal heat exchanger pile-based bridge deck snow melting system: a simulation based analysis[J]. Renewable Energy, 2017(101):214-224.

[8]Koji Morita, Makoto Tago. Operational characteristics of the Gaia snow-melting system in Ninohe, Iwate, Japan[J]. Geo-Heat Center Quarterly Bulletin, 2000, 21(4):5-11.

[9]徐慧寧. 流體加熱道路融雪系統(tǒng)溫-濕耦合融雪模型及仿真分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.

[10]王華軍. 流體加熱道路融雪傳熱傳質(zhì)特性研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2007.

[11]黃勇,高青,馬純強,等. 道路融雪化冰過程冰層的熱融特性[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2010, 23(5):22-26.

HUANG Yong, GAO Qin, MA Chunqiang, et al. Heat melting characteristic of ice layer in ice-snow melting process on road pavement[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2010, 23(5):22-26.

[12]劉凱. 融雪化冰水泥混凝土路面研究[D]. 西安: 長安大學(xué), 2010.

[13]張登春, 章照宏, 袁銅森, 等. 橋梁熱力管防凍融冰系統(tǒng)的數(shù)值模擬[J]. 熱科學(xué)與技術(shù), 2016, 15(3): 204-210.

ZHANG Dengchun, ZHANG Zhaohong, YUAN Tongsen, et al. Numerical simulation of heat pipe deicing system on bridge[J]. Journal of Thermal Science and Technology, 2016, 15(3): 204-210.

[14]張登春,章照宏,袁江雅,等.公路橋梁發(fā)熱電纜除冰系統(tǒng)試驗研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2015,11(11):90-95.

ZHANG Dengchun, ZHANG Zhaohong, YUAN Jiangya, et al. Experimental research on deicing system by heating cables for highway bridges[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2015, 11(11):90-95.

[15]駱宏勛,李晟,章照宏,等.公路橋梁超薄導(dǎo)電磨耗層除冰系統(tǒng)試驗研究[J].湖南交通科技,2016,42(3):85-88.

LUO Hongxun, LI Sheng, ZHANG Zhaohong, et al. Experimental research on deicing system by ultra-thin abrasion conductive layer for highway bridges[J]. Hunan Communication Science and Technology, 2016, 42(3):85-88.