提高電加熱道岔融雪系統熱效率的研究

安巖

在我國高鐵建設中，通過采用電加熱道岔融雪系統設備（簡稱“融雪設備”）在道岔可動區域安裝電加熱元件，將電能轉化為熱能，來消除道岔積雪和結冰問題，防止因積雪積冰而發生擠岔的安全問題，保障了道岔及轉轍機動作的可靠性和安全性［1］，為我國鐵路運輸的高效、安全提供了保障。目前國內鐵路已安裝的融雪設備，其電加熱元件均固定在道岔可動區域基本軌的軌腰處或軌坡處［2］，由于空氣導熱性差，僅靠熱傳導融雪化冰效率不高，加熱熱量無法有效匯聚到岔尖與基本軌之間的區域，導致大量熱量通過鋼軌外側無效融雪區域消耗掉［3］，只能通過增加單位長度電加熱元件的功率來滿足現場使用要求，進而使用電量隨之增加。此外，融雪設備在運用過程中，一直存在使用方式粗放、電能利用率不高、設備耗電量大等問題，造成資源浪費嚴重。

針對以上問題，邱戰國等［4-5］提出通過精準加熱、輸出功率可調節等方式進行節能控制；寧詠梅等［6］從優化工程設計和控制柜分時啟動方面討論了融雪設備節能效果；王濤［7］從電加熱元件卡具優選方案等方面進行探討。這些研究雖然從控制方面和加熱功率配置方面進行了一些分析研究，對融雪設備節能提出優化方案，但是對融雪設備熱效率低的深層次問題探討尚顯不足。為此，本文通過模擬分析和現場試驗，對融雪設備熱效率低的因素進行深入研究，進一步提出改善融雪設備熱效率的有效措施。

1 融雪設備工作原理

融雪設備由遠程控制中心工作站、車站控制終端、軌旁控制柜、鋼軌溫度傳感器、電加熱元件、道岔融雪隔離變壓器等組成［8］，一般布置在車站兩端咽喉區，根據不同氣候區域合理配置電加熱元件的加熱功率，達到較好的融雪效果和節能降耗要求。融雪設備依據氣象和溫度判斷條件自動啟動加熱或人工應急啟動加熱，電加熱元件得電后，將電能轉化為熱能，通過熱傳遞融化掉尖軌與基本軌以及翼軌與轍叉心之間的積雪和結冰。

2 熱傳遞過程分析

目前，在不影響道岔正常動作的情況下，道岔區域的加熱條通常安裝在基本軌軌腰內側，見圖1。在遇到冰雪天氣時，啟動融雪設備融化掉基本軌與尖軌之間的冰雪，保證道岔能夠正常動作。根據傳熱學理論，熱能的傳遞有3種基本方式：熱傳導、熱輻射和熱對流［9］。圖1中，加熱條通電正常工作時產生的熱量，一部分通過熱傳導傳給基本軌和卡具，另一部分通過熱輻射和對流換熱對周圍空氣和冰雪加熱。由于空氣導熱性差，實際上大部分熱量通過熱傳導傳給了基本軌，基本軌受熱后也對其周圍空氣和冰雪進行加熱。然而只有基本軌內側面和加熱條對基本軌與尖軌之間的冰雪進行融化，而基本軌外側面對其周圍空氣和冰雪進行加熱是無效加熱，造成熱量損失。

圖1 加熱條基本軌軌腰內側安裝斷面及測溫點

3 熱傳遞模型的建立與仿真

Abaqus是用于工程模擬的有限元軟件，利用Abaqus建立道岔結構有限元模型，研究融雪設備工作時道岔岔尖區域的熱傳遞過程。不同道岔只是加熱區域長度不同，工作原理和加熱方式是一致的，為簡化研究過程，選取道岔岔尖部位的加熱區域作為研究對象。由于滑床臺與基礎（軌枕或無砟道床）之間有橡膠墊，橡膠材質導熱率較低，因此忽略基礎對熱傳遞模型的影響。

融雪設備的熱傳遞過程主要體現在3個方面：①道岔結構內部的熱傳導；②道岔結構與環境空氣之間的對流換熱；③基本軌與電加熱元件對環境的熱輻射。鑒于目前電加熱條加熱方式的不足，并通過對熱傳遞過程的研究，且受熱氣流上升原理啟發，提出將加熱板安裝在基本軌與岔尖下部位置的加熱方案。

3.1 道岔結構內部的熱傳導

加熱元件通過卡具固定在基本軌上，與基本軌直接密貼，加熱元件啟動加熱后，道岔結構內部將存在導熱現象，由傅里葉定律可知材料的導熱系數直接影響道岔結構內部的熱傳導效果［9］。傅里葉定律為

式中：q1為熱流密度，單位W/mm2；λ為導熱系數，單位W/（m·℃）；dt/dx為沿熱量流向的溫度梯度；負號表示熱量傳遞方向指向溫度降低方向。道岔結構各部件的材質屬性及導熱系數見表1。

表1 道岔結構各部件的材質屬性及導熱系數

在熱傳遞模型中對道岔結構材質屬性及導熱系數進行相關參數配置，基本軌及尖軌、滑床板和空氣的模型參數依據表1進行設置。

3.2 道岔結構與環境空氣之間的對流換熱

加熱元件啟動加熱后，道岔結構內部存在熱傳導的同時，由于道岔結構暴露在室外空氣中，也與環境空氣之間存在對流換熱。計算對流換熱量的牛頓冷卻公式［9］為

式中：q2為單位面積熱流密度，單位mW/mm2；h為對流換熱系數，單位mW/（mm2·℃）；Δt為空氣與道岔結構的溫差。

道岔結構與環境空氣之間對流換熱時，影響對流換熱系數h大小的主要因素為風速v，一般情況下，在風力等級為0，風速v=0.1 m/s時，對流換熱系數h取0.005 mW/（mm2·℃），以此分別建立基本軌、尖軌、滑床板與空氣之間的對流換熱條件。在加熱初期Δt數值幾乎為0，隨著加熱時間的延長，道岔結構溫度升高，Δt數值變大，對流換熱明顯增強，若在有風條件下，對流換熱效果更加顯著。

3.3 基本軌與電加熱元件對環境的熱輻射

熱輻射的微觀機理為構成物體的分子或原子基于絕對溫度的劇烈運動，伴隨這種運動產生能夠以熱或光的形式檢測到的電磁波，是物體的固有屬性。隨著電加熱元件加熱，熱輻射加劇。基本軌與電加熱元件對環境的熱輻射［9］為

式中：q3為單位表面積的輻射換熱量；ε為物體的發射率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數；T1為熱源的熱力學溫度；T2為受輻射物體的熱力學溫度。

由式（3）可知，物體的發射率與輻射換熱量成線性關系。受此啟發，后續研究中萌發增加道岔結構、增加輻射能力的想法。通過資料查詢，基本軌及電加熱元件的發射率取近似值0.17。在仿真模型中建立瞬態熱傳遞分析步驟，為方便與后續試驗對比，設置模擬時間為7 200 s，設置場變量輸出為每180 s輸出一次溫度節點數據，單元類型選擇八節點線性傳熱六面體（DC3D8），并對結構各部件進行網格劃分，環境溫度設置為0 ℃，其他對仿真結果無影響的參數采用系統默認設置。

建立加熱條加熱和加熱板加熱的道岔結構的有限元模型，分別見圖2及圖3，通過對比進一步分析加熱板加熱的仿真加熱效果。

圖2 加熱條加熱道岔結構有限元模型

圖3 加熱板加熱道岔結構有限元模型

3.4 加熱條和加熱板模型仿真

通過以上步驟進行模型建立并仿真計算，在相同加熱功率（500 W）和外界條件下，研究安裝在不同位置的加熱條和加熱板對熱傳遞過程的影響。通過上述相同的條件參數設置，經過仿真計算，2種模型的空氣網格橫截面（XOZ方向）熱場分布見圖4、圖5。

圖4 加熱條加熱道岔結構空氣溫度云圖

圖5 加熱板加熱道岔結構空氣溫度云圖

為對比2種模型對基本軌與岔尖之間區域溫度的影響，在距基本軌軌頂內沿，沿X軸負方向45 mm，沿Z軸負方向距軌頂45 mm、90 mm、135 mm處選取3個節點，分別記為節點1、節點2及節點3，并導出各節點溫度隨時間變化的曲線。加熱條加熱和加熱板加熱溫度對比見圖6。由圖6可知，對于加熱板加熱道岔結構，越靠近軌底空氣溫度越高；對于加熱條加熱道岔結構，越靠近軌腰側空氣溫度越高。

由于在重力作用下，積雪和結冰由基本軌底部向上發展，根據仿真結果，采用加熱板加熱能更高效地融化堆積于基本軌及尖軌軌底區域的積雪，但遠離加熱板的軌底區域溫度較低，相應的融雪效果也會有所下降。通過仿真熱場分析，發現熱源的發射率是模型的重要參數之一，發射率參數設置直接影響熱場分布。查詢資料顯示，對于實際物體的輻射能力，主要與其發射率有關，僅取決于物體自身，與周圍環境無關；增加輻射材料可以提高熱源的發射率。此外，加熱條、加熱板產生的熱量，通過鋼軌外側面散發流失為無效加熱，因而提出通過在鋼軌外側面增加保溫材料的方法，減小熱量流失來提高熱效率。

基于以上研究得出，可利用輻射材料和保溫材料提高融雪設備熱效率。為驗證輻射材料和保溫材料的實際使用效果，以及有限元模型計算結果的準確性，為電加熱元件后續改進提供數據支撐，需要對提高熱效率的方案進行試驗，采集溫度試驗數據。

4 保溫材料和輻射材料對熱效率的提高

熱效率定義為特定熱能轉換裝置有效輸出能量與輸入能量之比，是無量綱指標。對于融雪設備而言，有效輸出能量為匯聚到尖軌與基本軌之間區域的熱能，輸入能量為融雪設備使用的電能。在電加熱元件消耗相同電能的情況下，試驗采集尖軌與基本軌之間區域的溫度變化，可以反映融雪設備有效輸出能量的變化。

為此，提出2種方案進行對比試驗研究。在搭建的試驗平臺上，研究在相同道岔、相同環境條件下，融雪設備的尖軌與基本軌之間區域的溫度，以及基本軌軌底溫度和基本軌外側面溫度變化情況。選用溫度傳感器對溫度進行測量，測點布置在有限元模型中選取的節點附近區域，其中測點1布置在鋼軌軌底，測點2布置在鋼軌外側面，測點3及測點4分別布置在基本軌與尖軌之間區域，對應仿真模型的節點2及節點3。同時，按照圖7、圖8所示開展相關試驗。

圖7 相同功率的加熱條對比試驗

圖8 相同功率的加熱板和加熱條對比試驗

4.1 保溫材料和輻射材料對傳熱性能的影響

對比相同功率（500 W）條件下，有/無保溫材料、輻射材料對傳熱性能的影響。加熱條安裝在道岔基本軌內側（軌腰位置），一側的基本軌外側面有保溫材料、內側面有輻射材料處理，另一側無處理。測量不同測溫點的溫度值，進行100 min試驗，記錄初始溫度后，啟動加熱元件加熱，每5 min記錄一次數據，總共記錄20組數據，溫度曲線見圖9。

由圖9（a）及圖9（b）可知，加熱100 min后，有保溫材料、輻射材料的基本軌軌底溫度為46.9 ℃，而無處理的基本軌對應溫度為33.1 ℃，表明有保溫材料、輻射材料的基本軌軌底溫度上升13.8 ℃，溫度上升明顯；相對應的軌腰外側為14.2 ℃和30.9 ℃，基本軌外側溫度下降達16.7 ℃，說明有保溫材料明顯減少了基本軌熱量的損耗。這是因為保溫材料的導熱系數遠低于鋼軌的導熱系數，相應的基本軌外側面的熱量損失大幅度小于未處理過的基本軌。由圖9（c）及圖9（d）看出，有保溫材料、輻射材料的基本軌熱量損失減小。試驗初期有保溫材料和輻射材料的測溫點2和測溫點3低于沒有采取措施的基本軌，是由于這段時間基本軌主要吸收熱量，當基本軌溫度升高后，通過基本軌內側面和加熱條向外界輻射的熱量增加，保溫材料使基本軌外側面流失熱量較少，因此基本軌與尖軌中間區域的溫度快速提升，加熱100 min時，道岔有效加熱區域溫度上升4 ℃～6 ℃，明顯提升了加熱條的熱效率。

4.2 加熱條和加熱板不同安裝位置對傳熱性能的影響

對比相同功率（500 W）條件下，加熱條和加熱板不同安裝位置對傳熱性能的影響。加熱條及加熱板的位置按照圖2、圖3的方式安裝。進行120 min試驗，記錄初始溫度后，啟動加熱元件加熱，每10 min記錄一次數據，總共記錄12組數據，試驗溫度對比曲線見圖10。

圖10 相同功率的加熱條和加熱板加熱試驗溫度對比

由圖10可見，加熱板加熱方式基本軌和尖軌之間區域的溫度高于加熱條加熱方式，其溫度變化是從軌底溫度最高向軌頂方向逐漸減小。從測試數據分析來看，加熱板加熱方式比加熱條加熱方式，在啟動加熱120 min后，道岔有效加熱區域溫度高3 ℃～6 ℃，與仿真結果的溫度變化趨勢一致。因此，采用加熱板加熱能更高效地融化堆積于基本軌及尖軌軌底區域的積雪。

5 結論

隨著融雪設備熱效率的提高，其經濟效益不僅會逐漸增加，而且也符合節能環保要求。通過對道岔結構熱傳遞過程的分析和模擬仿真，加熱板加熱和采用輻射材料和保溫材料來提高融雪設備熱效率的方案，能夠明顯提升有效加熱區域溫度。通過模擬仿真與現場試驗數據分析，得出以下結論。

1）電加熱元件的熱量傳遞是一個比較復雜的過程，電加熱元件、基本軌、尖軌、滑床臺的熱量無法自發匯聚到基本軌和岔尖有效融雪區域，不可避免地會有熱量損失。

2）在基本軌外側面安裝保溫材料能夠有效降低基本軌熱量的損失；在基本軌軌腰內側面及加熱條上使用輻射材料，可提高通過熱輻射傳遞的熱量。在500 W加熱功率條件下，有輻射材料和保溫材料措施的加熱方案，能夠在100 min內提高道岔有效加熱區域溫度4 ℃～6 ℃，相較于沒有采取任何措施的融雪裝置，能夠有效提高融雪設備熱效率。

3）在500 W加熱功率條件下，基本軌、尖軌下部安裝加熱板的方式，相比在基本軌軌腰內側安裝加熱條的方式，能夠在加熱120 min內提高道岔有效加熱區域溫度3 ℃～6 ℃，有效提高融雪設備熱效率。

4）在試驗平臺測試加熱板加熱方案時發現，遠離加熱板的軌底區域溫度較低，相應的融雪效果也會有所下降，滑床臺位置不具備安裝加熱板的條件，此處也是融雪系統加熱的薄弱環節。在嚴寒地區，可以采用加熱板及加熱條有效組合的形式，進一步提高融雪設備的效率。