一种新型的融雪化冰系统

动 力 学 和 隔 热 性 能 实 验 分 析 ，该 系 统 融 雪 化 冰 效 果 较 好 ，且 在 整 个 运 行 过 程 中 系 统 热 损 耗 较 小 。
关 键 词 ：融 雪 化 冰 ；发 热 电 缆 ；泡 沫 玻 璃
中 图 分 类 号 ：ＴＰ２９
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：２０９５－６５３３（２０１４）０３－００７４－０４
第１９卷 第３期 ２０１４年５月
西 安 邮 电 大 学 学 报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＩＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＰＯＳＴＳ ＡＮＤ ＴＥＬＥＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ
ｄｏｉ：１０．１３６８２／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－６５３３．２０１４．０３．０１５
一种新型的融雪化冰系统
Ｖｏｌ．１９ Ｎｏ．３ Ｍａｙ ２０１４
第 １９ 卷 第 ３ 期
侯 雪 梅 ：一 种 新 型 的 融 雪 化 冰 系 统
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气状况，从 而 控 制 发 热 装 置 开 启，发 热 源 产 生 热 量 用于路面 融 雪 化 冰。 同 时，根 据 能 量 守 恒 定 律，为 了提高 系 统 效 率 并 减 少 热 量 耗 损，系 统 设 计 了 导 热、隔热部 分，目 的 让 发 热 电 缆 产 生 的 热 量 能 快 速 且最大限度的向上 传 递 给 路 面，保 证 了 系 统 能 源 有 效利用和工作效率。
控制系统结构如图２所示。主控制器选用超低 功 耗、具 有 精 简 指 令 集 的 混 合 信 号 处 理 器 的 ＭＳＰ４３０芯 片。ＭＳＰ４３０ 单 片 机 的 特 点：处 理 能 力 强、运算速 度 快、超 低 功 耗、片 内 资 源 丰 富、方 便 高 效的开发环境 。 ［９］ 选用 ＤＨＴ２１ 数 字 温 湿 度 传 感 器 对当 前 环 境 温 度 和 湿 度 进 行 监 测，ＤＨＴ２１ 是 一 款 含有已校准数字信号输出的 温湿 度 复 合 传感 器。 传感器包括一个电容式感湿元件和一个 ＮＴＣ 测温 元件，并与一个高 性 能 ８ 位 单 片 机 相 连 接。 因 此 该 产品具有品质卓越、超 快 响 应、抗 干 扰 能 力 强、性 价 比 极 高 等 优 点 。 ［１０－１１］
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西 安 邮 电 大 学 学 报
２０１４ 年 ５ 月
为了模拟实际 路 面 环 境，系 统 路 表 用 两 块 地 板 砖（总长 １２００×６００ｍｍ）替 代。 实 验 开 始 将 碎 冰 均 匀 的 铺 撒 到 路 表 ，厚 度 约 为 ５ｍｍ。
实 验 １ 路 表 温 度 测 试 电源开 启 后，系 统 通 过 传 感 器 监 测 到 路 表 有 冰，开启加热系统，路表取样点平均温 度 变 化 如 图 ３ 所示。
侯 雪 梅Baidu Nhomakorabea，２
（１．西安邮电大学 自动化学院，陕西 西安 ７１０１２１； ２．长安大学 信息工程学院，陕西 西安７１００５４）
摘 要：基于热力融雪化冰技术，研发设计一种新型融雪化冰 系 统。 该 系 统 由 发 热、隔 热、导 热 以 及 控 制 模 块 四 部
分组成。利用发热电缆产生热量，用复合碳进行热量的均匀传导，并采用泡沫 玻 璃 进 行 隔 热。 通 过 路 表 温 度、融 冰
图 ２ 控 制 系 统 结 构 图
控制部分通过 传 感 器 采 集 外 界 参 数，识 别 外 界 天气状况，并根据建 立 的 数 学 模 型 预 算 出 所 需 的 电 流值和加热温度，控 制 发 热 单 元 的 工 作。 融 雪 化 冰 工作结束后，主 控 器 停 止 发 热 单 元 的 工 作，系 统 停 止加热。系统设计 了 容 错 处 理，当 有 异 常 情 况 发 生 时 ，可 自 动 调 整 到 预 设 定 的 模 式 工 作 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｉｃｅ ａｎｄ ｓｎｏｗ ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ， ａ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｎｏｗ ｍｅｌｔｉｎｇ ｏｒ ｄｅｉｃｉｎｇ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｏｕｒ ｕｎｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｈｅａｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒｔ ａｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｇｅｎ－ ｉｏｕｓｌｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｈｅａｔ ｉｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｈｅａｔｉｎｇ ｃａｂｌｅ，ａｎｄ ｈｅａｔ ｉｓ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｅｖｅｎｌｙ ｔｏ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｂｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃａｒｂｏｎ ｗｉｔｈ ｆｏａｍ ｇｌａｓｓ ｔｏ ｉｎｓｕｌａｔｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｒｏａｄ ｔａｂｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｍｅｌｔｉｎｇ ｉｃｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｃｅ ａｎｄ ｓｎｏｗ ｍｅｌｔｉｎｇ ｉｓ ｇｏｏｄ ｗｉｔｈ ｌｅｓｓ ｈｅａｔ ｌｏｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｎｏｗ ｍｅｌｔｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｉｃｉｎｇ，ｈｅａｔｉｎｇ ｃａｂｌｅ，ｆｏａｍ ｇｌａｓｓ
我国现阶 段 普 遍 采 用 两 种 融 雪 化 冰 技 术 即 人 工清除法 （人 工 机 械、人 工 撒 盐、沙 子 ）和 化 学 融 化 法（融雪剂、降低冰 点 的 路 面 材 料）［１］。 前 者 需 要 花 费大量的人力和物 力；后 者 有 很 多 负 面 效 应 如 钢 筋 锈蚀、剥蚀桥 面 及 环 境 污 染 等 。 ［２］ 且 人 工 清 除 法 和 化学融化 法 融 雪 化 冰 技 术 在 极 端 条 件 下 更 难 适 应 现代交通 安 全 和 高 效 出 行 的 需 求，因 此 研 究 新 型、 高效、自动化程度高 的 融 雪 化 冰 设 备 呈 现 出 了 重 要 的应用价值和科学意义。
１ 新型融雪化冰系统的总体设计
１．１ 工 作 原 理 泡沫玻璃－复 合 碳 层 的 融 雪 化 冰 系 统 铺 设 示 意
图 如 图 １ 所 示 。 系 统 采 用 三 层 设 计 ：隔 热 层 、导 热 层 和发热层。其工作 原 理 为：传 感 器 实 时 监 测 外 界 天
收 稿 日 期 ：２０１４－０１－０７ 基 金 项 目 ：陕 西 省 教 育 厅 科 学 研 究 计 划 基 金 资 助 项 目 （１２ＪＫ０７９１）；西 安 邮 电 大 学 青 年 基 金 资 助 项 目 （ＺＬ２０１２－１５） 作 者 简 介 ：侯 雪 梅 （１９７６－ ），女 ，讲 师 ，博 士 研 究 生 ，从 事 智 能 交 通 、模 式 识 别 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｘｍｑｚ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎ
２ 实验与讨论
新型泡 沫 玻 璃／复 合 碳 材 料 融 雪 化 冰 系 统，采 用三层设计 思 路，利 用 发 热 电 缆 产 生 的 热 量，提 高 路面温度，从而消除 了 路 面 因 结 冰 湿 滑 而 带 来 的 交 通安全隐患。为了验证新型融雪化冰系统的性能， 笔者从融 冰 效 果 和 实 时 融 雪 效 果 分 别 进 行 了 实 验 研究。
Ａ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｎｏｗ－ｍｅｌｔｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｉｃｉｎｇ
ＨＯＵ Ｘｕｅｍｅｉ １，２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１２１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）
在热力融雪化 冰 系 统 中，选 择 并 组 合 性 价 比 高 的隔热、导 热 材 料 是 热 力 融 雪 化 冰 技 术 中 核 心 技 术，即性能 优 良 的 隔 热、导 热 材 料 组 合 系 统 是 提 高 能热源利用率以及融冰效率的技术关键 。 ［６］
导热层设计为 平 板 中 间 有 均 匀 凹 槽，凹 槽 用 于 铺设发热电缆，通过 导 热 板 将 发 热 电 缆 产 生 的 热 量 均匀快速 传 递 给 路 表。 因 此 导 热 层 需 选 用 导 热 系 数高的材料。选用 复 合 碳 材 料，其 主 要 的 性 能 指 标 包括：复 合 碳 材 料 的 密 度 大 约 ０．１２ｋｇ／ｍ３，平 均 导 热系数为４００～５００ Ｗ／ｍ·Ｋ，复合碳材料的厚度为 ０．５ｍｍ（厚度薄则 承 重 强 度 达 不 到，太 厚 则 浪 费 材 料），材料 上 每 隔 １００ ｍｍ 留 有 凹 槽 用 来 摆 放 导 热 丝，这样的 距 离 正 好 能 让 复 合 碳 均 匀 受 热，不 至 于 浪费热量 。 ［５］ 通过导热层可以将热量更为均匀的 传 递到上层路 面，有 效 融 雪 面 积 会 更 大，加 快 了 融 雪 化冰的速度。
热力融雪 化 冰 技 术 是 一 种 主 动 预 防 和 清 除 道 路积雪结冰的方法，其 原 理 是 利 用 外 界 提 供 的 热 能 对路面进行 加 热，使 路 面 温 度 高 于 零 摄 氏 度，从 而 防治道路积雪结冰 。 ［３］ 根据热能的性质不同可以 将
热力融雪化冰技术 分 为 地 热、电 能、红 外 线、太 阳 能 等融雪化冰技术 。 ［４］ 本文设计和研发了一种基于 电 能的热力学融雪技 术 的 新 型 融 雪 化 冰 系 统，即 泡 沫 玻璃／复合碳材料融雪 化 冰 系 统。 系 统 通 过 实 时 监 测外界天 气 状 况，控 制 其 加 热 装 置 的 开 启 和 闭 合， 达到快速融化冰雪的目的。
实 验 ３ 隔 热 性 能 测 试 为了测试系统 的 能 量 损 耗 和 隔 热 效 果，通 过 测 定隔热层底部温度 与 环 境 温 度 间 的 温 差 变 化，可 直 接反映出该 系 统 的 热 量 损 耗，如 温 差 大，则 说 明 发 热电缆产生的热能 通 过 隔 热 层 流 失 到 地 表，能 量 被 耗损掉，反 之，则 能 量 损 耗 最 小。 系 统 的 隔 热 层 底 部温度与环境温度变化如图５所示。
图 １ 系 统 铺 设 示 意 图
１．２ 发 热 层 考虑到电源来 源 的 快 捷 和 方 便，系 统 采 用 了 基
于电能的热力学 融 雪 方 案。 发 热 电 缆 具 有 安 全、耐 用、抗 压 性 能 力 强，能 保 证 低 温 融 雪 等 优 点［５］，因 此 采用发热 电 缆 作 为 发 热 源。 选 用 Ｍａ－Ｌｉ双 导 双 发 热合金电阻 丝 电 缆 （Ｕ．Ｓ．Ａ）。 优 化 的 发 热 电 缆 的 型号１８Ｗ／ｍ，铺设的加热功率１５０Ｗ／ｍ２，设 定 的 最 高 温 度 是 ６０℃ ，最 低 温 度 是 ４０℃ 。 １．３ 隔 、导 热 层
隔 热 层 与 导 热 层 的 性 能 刚 好 相 反 ，主 要 是 为 了 防 止 热 量 向 下 传 递 流 失 ，因 此 在 理 论 上 需 选 用 导热系数低的材料。泡沫玻璃又称多孔玻璃。是 一 种 气 孔 率 在 ９０％ 以 上 ，由 均 匀 的 气 孔 组 成 的 隔
热 玻 璃 。 泡 沫 玻 璃 的 导 热 系 数 低 ，透 湿 系 数 几 乎 为 零 。 同时，泡 沫 玻 璃 本 身 的 强 度 高，垂 直 于 表 面 的拉伸粘结强度高，因 此 泡 沫 玻 璃 用 作 隔 热 材 料 具 有不 透 气、不 燃 烧、不 变 形、不 变 质、不 污 染 等 特 点［７］。近年来，泡沫 玻 璃 在 墙 体 保 温、机 房 降 噪、高 速公路吸音都有广 泛 的 用 途，被 称 之 为 绿 色 环 保 型 绝热材料 。 ［８］ 选用 泡 沫 玻 璃 作 为 隔 热 层，其 性 能 指 标主 要 包 括：密 度 为 １６０±５ｋｇ／ｍ３，导 热 系 数 不 超 过０．０６０ Ｗ／ｍ·Ｋ，抗压强度不低于０．７ ＭＰａ，抗折 强 度 不 低 于０．５，体 积 吸 水 率 不 超 过 ０．５％ 。 １．４ 控 制 部 分