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内置碳纤维发热线融冰技术的

发布时间:2021-11-01     点击量:
内置碳纤维发热线融冰技术的现状与发展

  

  文章来源:微信公众号“沥青路面”

  引言

  在冬季,中国大部分地区的道路会因降雪、冻雨等自然气候而结冰,给道路畅通和行车安全带来严重的影响。寒冷地区和海拔较高的高速公路桥梁及隧道洞口路面,因处在自然水体或峡谷之上,自然风较大,当寒冷气候来临时,路面和桥面易结冰,是高速公路冰灾的高发区段。交通管理部门为了保证道路的畅通和安全,每到冬天需调动大量的人力、物力参与抗冰保通,虽然成效较好,但是成本很大。

  国内针对桥面结构融冰化雪的研究相对较少,相关研究成果不尽如人意,如使用工业盐、化学融雪剂等方法融冰化雪对环境造成的负面影响不可估量,从材料组成方面尝试降低桥面沥青上面层冰点或采用弹性路面形成自破冰路面结构的方法难以在实践中达到令人满意的效果。

  发热电缆加热法是以电力为能源,以发热电缆为发热体,将电能转化为热能,通过结构层将热量传递到物体表面,再通过物体表面与冰雪之间的热交换进行融冰化雪的方法。发热电缆加热系统具有无污染、运行费用低、热稳定性好、控制方便等优势。目前发热电缆加热系统主要应用于民用建筑、室外设施和路面、桥面除冰雪等方面。

  发热电缆加热法的国内外研究现状

  早在20世纪40年代,发热电缆地暖系统风靡欧美,覆盖世界寒冷地带1/3的区域。发热电缆的室外应用技术起源于北欧,北欧各国地处高寒地区,严寒和积雪使得道路堵塞,交通事故频发,排水管道冻结,屋顶荷载过大,严重影响了当地人们的正常生活,甚至引发安全问题。为了保障严寒期间人们的生命安全并提高生活质量,通常运用发热电缆的融雪化冰技术,及时将道路、屋顶及排水管(沟)的积雪融化,预防事故的发生。另外,为了在严寒的冬季也能保持体育场内草坪的绿色,开发了发热电缆土壤加热技术,使得体育场一年四季绿草如茵。近20年,发热电缆系统发展迅速,几乎各类建筑都有应用实例。德国发热电缆地暖系统在欧洲很有名,发展尤其迅速,而且使用效果令人十分满意;挪威发热电缆的应用也非常广泛。

  近几年来,芬兰、丹麦、挪威、俄罗斯等国不断进行发热电缆的制造、安装和技术研究工作,对于发热电缆的设计、材料、安装施工、检验、调试和验收都已经具备了相当丰富的经验。发热电缆低温辐射系统以其有的优势,很快得到了广泛的应用,如地板辐射采暖系统,管道伴热系统,足球场、草坪、花坛供热系统,特殊建筑(如厂房、机库等)供热系统,屋顶及屋顶天沟冰雪融化系统等。

  随着科学技术的不断发展,发热电缆加热系统也逐渐应用到路面桥面的融冰化雪中。1961年,Henderson等在NewJersey(USA)的Newark一座沥青混凝土桥面上安装了一套电缆加热装置,按照每小时融雪25mm设计桥面及路面所需的功率分别为378W·m-2和430W·m-2。但由于车辆对桥面板的作用使电缆线被拔出,所以试验并不成功;加上在安装后的第二年遇到了暖冬,并没有获得有意义的数据。

  1964年该电热装置又被安装在Teterboro、NewJersey的两个斜坡和一座桥面板上,这一系统的运行令人满意,能量消耗平均为323、430W·m-2,年运行费用平均为每平方米5美元。

  1970年,在Omaha,Nebr.的一座混凝土桥面板上安装了电缆发热装置,系统由温度传感器返回的信号来控制,然而这个自动控制系统有时并不可靠,需要人工操作。美国俄勒冈州距LaGrande以南11mi的路面和桥面也采用埋置发热线的方式融雪化冰,工程于2005年1月开工,发热线沿车道纵向埋置于事先开槽的沥青混凝土路面上,埋设深度为44.5mm,间距229mm,沟槽用密封剂填充,桥面76.2mm深度处布置热电偶监测温度。当环境温度低于-0.28℃时系统开启。该系统冬季月平均耗电费用为5000美元,峰值耗电费用为9000美元。2005年及2006年冬季,系统运行良好,路段未出现需要封闭的情况。

  中国发热电缆技术从2000年开始在电热地暖行业快速发展,被大量用于游泳馆、宾馆、健身房、医院、商场等大型公共建筑,同时也用于民用住宅、土壤加热系统(如绿地、花坛、足球场及农业种植大棚等)以及屋檐屋面化雪融冰等方面。罗延龄、黄新武等在研究防冻保温用自控温加热电缆的国内外现状的基础上,提出了PTC加热控温原理,并介绍了电缆的结构、材质及材料特性;刘红梅研究了低温发热电缆在住宅工程中的应用,介绍了其施工工艺和质量保证措施;李国荣研究了低温埋地发热电缆采暖在住宅中的应用,具体研究了低温发热电缆的系统设计,并对其在节能建筑中的运行费用进行了分析;杨金刚、朱林等研究了发热电缆低温辐射供暖系统的构成及工作原理,以及发热电缆在地下车库中的应用及安装方法;武毅等研究了发热电缆在住宅低温地板辐射采暖的电气设计和在管道保温中的应用;赵志强、贾衡等对低温电热地板辐射供暖的热舒适性和能耗进行了试验研究;庄猛、刘冠军等介绍了加热电缆的种类、型式和主要应用,并对其特殊的部分试验项目作了说明。孔祥强、李瑛等对列车客车用低温发热电缆地面辐射供暖系统进行了模拟计算和试验研究,提出了详细的数学模型,并对其进行了试验验证。

  北京工业大学的李炎峰、贾衡、李俊梅、赵志强等对发热电缆在露天管道防冻方面的应用进行了系统的研究,提出了露天管道层绝热保温加电伴热防冻方案,并进行了经济分析和试验研究,以及新型管道防冻方案的动态运行特性和节能研究等。研究结果表明了防冻方案的可行性,并获得一些有价值的成果。

  哈尔滨理工大学的刘群对低热电缆的物理模型进行了分析,用有限元法和建筑学算法进行了热场研究和分析。上海交通大学的管数园建立了电缆加热系统的数值模型,进行了融雪的数值分析和模拟,并开发了一套电缆加热系统分析软件。

  国内对发热电缆加热系统在路面、桥面融冰方面的研究较少。郭振国、德颖等研究了发热电缆在车道融冰化雪中的应用,并详细介绍了施工工艺。卢晓玲、樊浩博等依托图们至珲春段高速公路,研究了发热电缆在寒区公路隧道路面防滑中的应用,提出了设计方案和施工组织方案,可为寒区隧道路面防滑措施的实施提供参考。杨洁、李海涛等对电热法除路面冰雪的技术进行了探讨,对发热电缆相关技术指标进行了研究,并说明了发热电缆用于道路融冰化雪在理论、经济、技术上是可行的。同时,杨洁等还指出,发热电缆用于道路除实际工程时,需要针对耗电量、安装方法等进行试验分析。

  2005年,北京工业大学的武海琴等以北京地区路面除冰雪为研究背景,开展了发热电缆用于道路融雪化冰的试验研究,并建立发热电缆埋设于混凝土路面的数学模型。北京工业大学的李炎峰、武海琴等人研究了发热电缆用于路面融雪化冰的模型,采用有限元分析方法对路面温度变化进行研究,得到不同气候条件下道路表面及结构层内的温度分布、升温规律,并进行了试验研究。将数值模拟结果与试验测量结果进行比较,发现二者吻合较好。研究表明:依据北京地区近10年的气温数据,采用铺装功率为250~350W·m-2的发热电缆可满足北京地区路面融雪化冰的要求。

  2006年12月,哈尔滨市内的文昌桥建成,成为国内首座铺设“电加热温控融雪技术”的桥梁。该项目采用的电加热温控融雪技术是从丹麦引进的,在上桥处匝道部分的面层下铺设了长达32000m的电缆线,电缆铺设的总面积达到了1760m2,发热电缆实际使用效果目前正在研究测试中。该方法环保无污染,热稳定性较好,便于控制,但是耗能较高、技术难度高,而且发热电缆一旦受到损害,进行维修时比较麻烦。

  2010年,大连理工大学的赵宏明进行了布置发热线混凝土板融雪化冰的有限元分析,以及混凝土板内布置发热线间距的试验研究,混凝土板温升及融雪化冰试验研究,混凝土大板室外融雪化冰的试验研究,发热线混凝土板融雪化冰的温度场有限元分析及预测,验证了布置发热线混凝土板融雪化冰方法的可行性,为实际工程中混凝土板内发热线设计及输入功率的选取提供了参考和借鉴。

  发热电缆加热法的除冰雪在中国工程中的应用虽然较少,但可借助国内外的经验,并根据工程的地理、气候、环境、经济情况进行具体的研究分析。该方法的成功应用不但可减少环境负荷,还能大大提高行车安全性,对保障交通的畅通具有十分重大的意义。

  碳纤维发热线加热技术的应用与发展

  碳纤维的特性

  碳纤维(CarbonFiber)是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。用碳纤维制成的各种规格的发热电缆与传统的金属电缆有本质上的不同,它属于新型发热材料,具有低密度、耐高温、耐磨擦、耐腐蚀、热膨胀系数低、寿命长、安全、环保、节能等优点,是传统电加热材料的替代产品。发热线材料种类繁多,与其他材料相比,碳纤维发热迅速,电热转换效率高,发热温度、发热能量可随电线长度、电压进行调节控制;在相同的电流负荷面积下,碳纤维的强度比金属丝高6~10倍,在使用过程中不易折断,使用寿命长。

  碳纤维发热线与以往发热电缆相比具有多项优势:价格相当于同等长度金属发热线的十分之一,生热迅速,最高运行温度可达100℃以上,热转化效率高,质量轻、体积小,对混凝土本体结构受力影响小。由于该方式具有环保、节能、易于施工、安全可靠、经济性好的优势,使其应用于实际工程成为可能。利用布置碳纤维发热线的混凝土板融雪化冰的技术可以用于桥面、路面、人行道、机场跑道等重要地段。该技术的应用避免了由于使用融冰盐对环境和结构所产生的负面影响,有效解决了冬季路面积雪结冰问题,改善了行车环境,保障道路通畅和车辆行人的出行安全,避免人民生命财产受到威胁,国家经济遭受损失。

  碳纤维发热线融冰技术的应用

  碳纤维发热电线虽多用于家用取暖,但将其应用于道路融冰化雪也能取得良好的效果。由于碳纤维过于柔软,为将其固定在路面中,需要采取不同的铺设方法。根据项目所在地环境的差异和融冰时间长短需求的不同,碳纤维的规格和功率选择可根据具体情况而定。

  例如乌阿高速福海县福海渔场收费站项目采用了碳纤维发热电缆进行融冰化雪。该项目路面为水泥混凝土路面,由于水泥路面需现场浇筑,所以一般采取将碳纤维绑扎在钢筋网上的方法将其固定。在浇注混凝土之前,需要事先将发热线并列固定到钢丝网上,并将每根发热线的两端与铜芯电极用绝缘胶带固定好。根据项目的环境情况,采用输入功率为487.5W·m-2的24K碳纤维发热电缆可达到融雪除冰的要求。该固定碳纤维的方法适用于水泥混凝土路面,且在钢丝网铺设时,可能会因下层混凝土强度不足导致钢丝网翘起,露出地面,从而产生裂缝,使路面强度降低。

  兰海高速贵遵段采用玄武岩纤维和碳纤维混编成土工格栅发热材料,该路段主要将大修的路面加以改造,去除路面旧沥青后,在原有的路面结构上喷洒粘层油,然后铺设事先制备好的发热格栅,再进行上面层的碾压。根据项目的环境情况,采用输入功率为330W·m-2的12K碳纤维发热电缆可达到融雪除冰的要求。采用发热格栅的方法铺设碳纤维虽然施工简单,但由于发热格栅本身具有一定厚度,跟原路面相比,刚度和强度有一定的差异性,通车后可能会对路面造成一定的损害,且在摊铺机碾压过程中,可能将发热格栅卷起,并且损坏发热线。

  除了发热格栅的碳纤维铺设方法之外,还可采用刻槽方法铺设碳纤维。该方法是在中面层刻槽后将碳纤维安装于槽中,虽然对中面层造成一定程度的破坏,但对上面层无影响。对于施工而言,采用刻槽方式时,需清理凹槽中的碎屑,避免破坏发热线,而且在现场布设时,需要处理大量的接头。该方法虽增加了施工的难度,但能取得不错的发热效果。

  对比现有的融冰项目可知,内置碳纤维发热线融冰化雪方法安全、环保、施工方便,具有广阔的应用前景,可以全面提升公路、桥梁沥青路面抵抗冰雪天气的能力,提高行车的安全性。但结合成本考虑,碳纤维发热线加热融冰技术适用于道路线形的凹凸点(道路线形中易发生交通安全事故的危险路段,一旦道路线形的凹凸点结冰,将大大影响行车安全性,发生事故的概率大幅度增加),以及阴暗段(无阳光照射,温度较低,易结冰)、隧道口(涵洞口与隧道口与大地热量相连,冬暖夏凉,当外界的冷空气与涵洞口的热空气对流,热空气会凝结为水,寒冷天气里易结冰)、收费站(车辆减速掉头路段在冬季结冰时易打滑,从而造成交通事故)等特殊地段,且降雪量过大时,采用碳纤维发热方法来融冰化雪的效果并不理想。

  结语

  内置碳纤维发热线融冰技术更加高效、环保,且施工方便,借助碳纤维优异的发热性能,利用电热融雪技术避免桥面结冰,以主动方式解决路面、桥面结冰问题,弥补现有路面、桥面融冰除雪技术的不足。碳纤维具有质量轻、升温快、电热转换效率高、使用寿命长等优点,长远经济效益好。该技术可以避免因使用融雪剂、工业盐对桥梁等重要设施带来的损害,降低环境负荷,节省桥梁等重要设施的维修费用,延长桥梁使用年限。同时,对于提高道路交通的行车安全性、保障交通的畅通具有十分重大的意义,有利于公路项目发挥更大的经济效益、社会效益,推动中国经济可持续发展与和谐交通的建设。


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