微波除冰技术的研究

东北冰雪路面微波除冰技术的探讨

陈海涛付金超张建杰

指导老师詹长书

（东北林业大学交通学院黑龙江哈尔滨150040）

摘要由于冰层与路面对微波吸收的热量不同，路面的吸收能量远远大于冰面。当微波照射路面时，路面吸收微波产生的热量，冰面几乎不吸收热量。通过此热量让路面与冰面相结合的氢键被破坏。使路面与冰面分离，同时让微波交替工作。然后应用机械的方法除冰，达到真正意义上的除冰。实现低能量，无污染，快速稳定的除冰。

关键词：微波除冰;氢键破坏;交替工作。

一．概述

三十多年前由Howard K.Long提出了微波除冰技术的研究，他设想了微波的选择加热性可以分离冰面与路面，并因此申请了微波除冰车原型的专利，由于当时技术条件的限制，未能实现真正意义上的除冰，也没有达到预期的效果。但是接下了，美国公路战略研究计划项目继续研究，并认为微波除冰是可行的，同时也提出了微波除冰车的设计方案。但是微波的设备成本太高，微波大量辐射与泄露问题没有得到解决，因此仅仅停留在验证实验的阶段，项目未能继续研究。为了提高微波除冰的效率，2005年美国明尼苏达大学Hopstock提出了采用铁燧岩作为沥青路面的面层材料以提高微波吸收效率，从而提高微波除冰效率的技术解决方案，并对此进行了研究，结果表明该技术方案在微波除冰和路面坑槽修补方面有着良好的表现，此后，美国自然资源协会将微波除冰的研究方向转向为对微波吸收能力.但是到目前为止，对微波的利用率依旧很低。我国对此项目也做了许多研究，但是目前微波除冰依旧没有实现。因此我们想继续的研究微波除冰技术，希望能够实现真正意义上的微波除冰。二．除冰技术

但是随着科技的发展，各种各样的技术的不断成熟与深入的发展，微波的发展也不例外。通过分析发现微波的除冰仍然具有实用价值，而且就目前的技术来看，它是最好的除冰的一种方法之一。

目前的除冰方法最普通的是“融解法”和“机械法”。

融解法

融解法是依靠热作用或撒布化学药剂使冰融化进行除冰，分为物理除冰和化学除冰。依靠热作用为物理除冰，分为电加热、微波加热、红外线加热、喷气发动机加热等类型。但是这对路面的损坏较大，而且不环保，破坏了环境，损坏了路面，而且是一种不可以恢复的破坏。

机械法

通过机械直接除冰，按作用方式分为振动式、静碾压裂式、柔性链条击打式、铲剁式，高压水射流等类型。

图1用化学的方法融雪

图2用机械的方法进行除冰后的现场

从画面上我们能够看出这两种除冰技术对路面时有害的，腐蚀路面，破坏路面的粗糙度。三．微波加热的理论

微波加热原理：

大部分物料在微波作用下,都会吸收微波能,产生热量。微波加热利用是介质损耗的原理。由微波加热原理可知，介质极化吸收微波功率

式中:E为微波电场强度的有效值;f为微波工作频率;tanδ为介质损耗角正切;ε′r为物料的相对介电常数。tanδ为表征介质吸收微波能量能力的物理量,tanδ值小的冰对微波入射可以说是“透明”的,tanδ值大的沥青混凝土路面吸收微波的能力强,从实验结果中看出水泥的tan值大于沥青路面。同时，连续加热时间小于间歇加热。

微波加热的性质

1.穿透性

微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。

2.选择性加热

物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。

3.热惯性小

微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。

四．微波除冰实验

1.首先制造一个微波发生器，并将其装载在我们选定的汽车上。

2.微波发生器产生微波，进行微波除冰作业。

3.在除冰时进行发生器的交替转换，以免由于发生器工作时间过长，而使除冰效果不好。

4.利用能量集中技术，将微波的能量聚集在一起，并且使之尽可能的照射到冰面上去。

实验是在实验室，以频率2450MHz为标准下进行的数据分析。

此实验是经过多次试验之后所取的平均值。

表1微波除冰实验数据

间隔加热连续加热

水泥路面30s25s

沥青路面40s30s

在试验中，我们发现当冰面经过多次结冰时，在试验过程中，经过微波加热，冰面将分层；而在连续加热时，冰面与路面之间将出现水珠，即：已经完全分离。当室外的温度过高时，除冰效果将变得不明显，有时甚至冰面出现融化现象，但是依然能够达到我们的预期的实验效果，当对不同表面粗糙度的沥青路面进行加热的时候，发现当表面变的粗糙时，需要加热的时间变长了，经过我们的分析这与冰面与路面的亲和力有关。

利用微波频率能量转换技术将2.45ghz转换成5.8GHZ,然后再具体化，制作成品。五．微波除冰的分析

应用了现在的理论进行创新，通过对不同的路基还有不同的微波的频率进行双重考虑，达到真正的除冰的人性化的结果。经过以上的论述，我们制定一个详细的方案，就是发明一个多孔的微波发生器，将这个微波发生器装载在汽车底盘的下部，使发生器的最小离地间隙在10cm---15cm之间，在发生器的前方装载一个传感器，用这个传感器对冰面的厚度进行测量，将冰面的厚度反馈到发生器，发生器进行反应，根据当时的车速与所感应的冰面厚度，自动的调整微波发生器的磁控管的频率的大小以降低其能量的过度消耗，在提高能量利用率的同时，尽量的降低微波器的频率，但是不影响微波除冰的整体效果。

由于微波的辐射的原因，制作微波发生器的时候一定防止微波的频率过大，与能量的扩散，我们应用了防辐射聚光的复合材料，把产生的微波聚集在一起，进行集中加热，这样不但减少了能量的损失，而且还提高了微波的利用率。

虽然我们是用2.45GHz的微波频率进行实验的，但是我们会用微波能量公式进行转化，将其转化为5.8GHz的微波，这样有助于除冰效率的提高。

六．结论

（1）分析了机械除冰与化学除冰相比微波除冰的弊端，与应用微波综合除冰的优势。（2）应用现在的技术，辅助微波进行除冰，改善微波的除冰效率与能量的利用率。

(3)微波除冰未来的研究仍然应该集中在微波除冰效率的提高上以及能量的利用率。我们路面的选择，如果应用水泥路面，能提高微波除冰效率与能量的利用率，改善除冰的现状。参考文献：

张兆镗，微波加热技术基础[M]，北京：电子工业出版社，1988

李笑徐于工刘福利，微波除冰方法研究[J],哈尔滨工业大学学报，2003

焦生杰唐向伟高子渝王强，微波除冰效率关键技术研究，中国公路学报，2008

田晋跃，外国道路除雪机械技术发展概况，专用汽车。2001

裴玉龙，寒冷地区道路交通交通事故的研究[J]中国公路学报1998

关明慧,徐宇工,卢太金,徐财辉;微波加热技术在清除道路积冰中的应用,北京交通大学学报2003