文摘
学习的一般规律的影响嵌入式碳纤维加热电线在大桥上的冰雪融化和解决结冰问题的大型桥梁在冬天,相关模型进行了测试。在这个实验中,使用碳纤维电热丝作为热源进行大规模的沥青混凝土桥面模型与一个内置的碳纤维加热丝。不同的加热能力的影响,环境温度,冰雪厚度,和风力水平在冰雪的融化在大桥进行了研究。执行的融雪和融冰测试在不同的加热能力表明,随着加热功率的增加在一定范围内,所需的时间融化冰雪层和能耗降低。在一定条件下,以确保快速融化的冰雪层表面的道路桥梁、加热功率400 W / m2被选中。这时,加热效果是最好的,该方法经济实用。融雪和融冰测试执行在不同的环境温度和不同厚度的冰雪层显示,当环境温度降低或冰的厚度层增加在一定的范围内,同时保持其他因素不变,雪融化所需的时间和功耗的增加,而且能耗相对较大。融雪的测试执行在不同的风力级别显示风水平的增加在一定范围,同时保持其他因素不变,整体温度分布的均匀性表面的标本恶化,融雪时间增加,温度上升。温度升高的速度减少。因此,在实际工程应用中,当风速过高时,手动或机械方法清除雪可以增加桥甲板上的除雪速度。在不同条件下,选择合适的加热功率可以有效改善效率的桥甲板上融化的冰雪。本文的研究成果为实际提供理论参考大桥的结构。
1。介绍
高架桥梁的一部分是悬浮在空中,寒冷的风从四面八方在桥上,导致热桥的身体丢失在各个方向1),使桥甲板容易在冬天结冰,导致事故的发生。据统计,大约有40000人死于交通事故引起的桥糖衣每年在中国(2]。特别重要的解决问题的桥梁路面结冰。
目前,大桥上融化的冰雪的方法主要分为两大类:被动除冰方法和主动防冰方法。被动除冰方法主要包括人工、机械方法,和防冰剂方法。手动方法(3)不能应用于大面积除由于高劳动力成本和低效率。机械方法将造成一定程度的损害,桥面由于其高重力,由于后续维护成本高,不能广泛使用(4]。此外,使用融雪剂对环境造成不可逆转的损伤,建筑,和植被,因此没有大力推广使用5]。另一方面,积极的防冰方法主要包括热熔融法、热熔融法和电加热方法使用加热电缆作为加热元件。方法包括表面之间的热量交换和冰雪(6- - - - - -8]。与被动除冰方法相比,发热电缆供暖系统的优点没有污染,方便施工,和远程控制,所以它被广泛研究。延锋李(9)等人研究了碳纤维的选择加热电线、埋藏深度和间距的加热电线。他们研究了路面变化通过碳纤维融化冰雪与有限元分析相结合。结果表明,外部气候条件(特别是温度)的融雪效果的主要因素是加热电缆。Hongming赵(10]等人研究了不同间距的影响加热导线表面温度特性的混凝土板的有限元建模和研究之间的关系的输入功率和温度上升混凝土板通过室内混凝土板温升实验。结果表明,在一定条件下,使用碳纤维加热板表面平均温度高于0°C,均匀的温度分布符合要求冰雪融化。Bu阴(11)等人分析了散热的碳纤维加热桥面和研究了利用和损失机制生成的热量的碳纤维加热丝。结果表明,对流换热及潜热影响碳纤维加热的散热桥甲板。在这种方法中,温度影响最大碳大桥fiber-heated融化的冰雪,其次是风速、和冰层厚度的影响最小。白必应(12)等人开发了一个理论模型描述协同转运。结果表明,温度和达西速度有一个微不足道的影响个人HMs的运输的采收率Cd2 +高于Pb2 +。和它建立了一个耦合thermo-hydro-mechanical机制的土壤颗粒重排饱和/非饱和土壤颗粒热力学的框架下。推导出广义阶段压力不同于经典的基于线性弹性多孔介质和有效的原则能自动考虑应力路径的影响,温度,和土壤结构13]。
Iftekar海鸥(14)等人研究了碳纤维机械解聚的影响在甲基纤维素和十二烷基苯磺酸钠水的混合物在碳纤维的分散自密实混凝土(SCC)来改善混凝土的性能。Sherif a项目(15)等人进行了thermoelectric-coupled有限元分析研究导电混凝土覆盖的焦耳加热(16- - - - - -18]。Quantao刘(19)等人得出的结论是,感应加热可以提高沥青砂胶的自愈率和多孔沥青混凝土。这种方法具有广泛的原料来源和简单的制备(20.,21]。目前的缺点是,研究导电混凝土的机械和电气性能不能平衡,和其高昂的价格使其在范围广泛的应用程序中使用困难。Abubakar洋穆罕默德(22)等人研究了小说电阻加热除冰和雪融化的方法。三个不同形式的碳纤维嵌在混凝土样本,和他们的加热特性进行了测试。来模拟混凝土暴露在低温的条件下,环境室被用来研究各种参数如热功率密度的影响,环境温度,加热板的安装深度、混凝土湿度、温度变化和碳纤维的形式。试验结果表明,碳纤维电热法可以有效地去除冰和雪的道路的问题。勇赖(23,24)等人提出了一个方法,雪融化与碳纤维格栅埋在机场人行道。−3°C−1°C,电力供应到机场人行道使用碳纤维格栅。结果表明,当输入功率350 W / m2,最高路面温度可以达到4.63°C,和2.7厘米厚的雪融化在2 h。
李等人。25]以airpot路面为背景探讨温度上升的法则。李等人。26)的防治效果进行了试验研究融化的冰雪在桥面碳纤维加热电线。分析表明,碳纤维是一种新型高性能纤维增强材料,及其性能优良,具有高强度、高模量、耐高温、摩擦阻力、疲劳和蠕变强度,和许多其他优秀的特性,所以它可以提供一个可行的解决方案桥甲板上融化的冰雪。因此,在本文中,我们选择一条24 K碳纤维加热的热源,使大量沥青混凝土桥面模型与一个内置的碳纤维加热线来研究不同的加热能力的影响,环境温度,冰雪厚度,和风力水平在冰雪的融化桥面为未来的应用提供一个参考实际桥梁在融化的冰雪。
2。材料和方法
2.1。模型
本试验主要探讨了气温上升速度的桥面和冰雪的融化,所以压力和承载力的标本都不考虑。沥青混凝土标本如表所示1- - - - - -3对于每一个表层的类型。
测试标本长50厘米,宽50厘米,高30厘米。从上到下,他们是4厘米厚AC-13上层,6厘米厚AC-20下层,20厘米厚的水泥混凝土路面。内部的碳纤维加热丝是pre-embedded标本,在“U”型分布11厘米的表面模型。Keysight温度记录器是用于读取样品的表面温度。减少热损失,一个3厘米厚的XPS板粘贴在底部和四周保温的模具。沥青混凝土试件的三维模型图所示1,横断面视图如图2。Keysight温度记录仪图所示3。
2.2。实验材料
作为一种新型的高性能纤维材料加固,碳纤维具有良好的性能和特性,如高强度、高模量、耐高温、耐摩擦、抗疲劳和蠕变、和许多其他优秀的属性。实验使用24 k碳纤维电热丝产品,每一个都有一个总长度12 m和均匀排列的模型在一个“U”形,和邻间距是10厘米。植入标本的总长度是5米,长度和暴露在空气中是7米。的电阻加热丝17Ω/ m,在实验室的最大电压220 V,最大加热功率应用到模型是400 W / m2。同样,当电压180 V和200 V,相应的加热大国260 W / m2和320 W / m2。碳纤维电热丝的布局图所示4。
2.3。测试条件
测试主要分为两个部分:测试和融冰融雪的测试。融雪的测试和防冰测试,冰雪分布在试样的表面,然后,打开电源加热模型,当冰雪的厚度达到所需的工作条件进行测试。的一般规则不同的加热能力的影响,环境温度,冰雪厚度,和风能大国在冰雪的融化在大桥进行了研究。的四个工作条件融雪的测试如表所示4防冰的,两个工作条件测试如表所示5。
3所示。结果与讨论
3.1。研究影响因素的融雪的测试
3.1.1。加热功率
工作条件集的初始环境温度−3°C, 0类风、雪厚度2厘米,三个不同的加热的影响力量的260 W / m2320 W / m2,400 W / m2雪融化所需的时间和能耗的影响研究。的表面温度变化曲线如图试样在不同的权力5。
图5表明,当加热功率400 W / m2加热时间为0.49 h,试样的表面温度可以达到0°C;在这个时候,雪开始融化。加热时为1.83 h,表面雪完全融化。这个时候,温度是4.43°C,和总能耗为0.73千瓦h / m2。当加热的权力320 W / m2和260 W / m2,表面温度可以达到0°C后,加热时间超过1.01小时和2.03 h,分别。雪开始融化。当加热3.67小时和5.0 h,表面可以融化的雪。此时,温度3.68°C和2.79°C,和总功率消耗1.17千瓦h / m2和1.3千瓦h / m2,分别。
融雪的测试的三个大国,当加热功率从260 W / m2320 W / m2,完整的雪融化的时间缩短1.33 h,功耗是大约10%不到的260 W / m2。当加热功率从260 W / m2400 W / m2,时间完全融化积雪减少3.17 h,而且功耗降低43.8%的价格相比260 W / m2。
标本的表面温度上升的速度在不同的权力如表所示6。比较三个工作条件下温度升高的利率在0 1.83∼h表明在260 W / m2,当试样表面温度的增加从−2.972°C到−0.100°C,气温上升的速度是1.760°C / h。在320 W / m2,当试样表面温度的增加从−2.913°C到0.872°C,气温上升的速度是2.143°C / h。在400 W / m2,试样表面温度的增加从−2.931°C到4.432°C,和气温上升的速度是4.023°C / h。
总之,在加热的260 W / m2和320 W / m2,气温上升的速度,远远低于温度升高的速率在400 W / m2。结合融雪时间和功耗分析在不同权力表明的条件下的初始环境温度−3°C,风的0,和雪的厚度2厘米,以确保路上的雪桥表面融化很快没有给旅行带来不便,加热功率400 W / m2选择热路面。这时,加热效果是最好的,经济的和实用的。
3.1.2。环境温度
工作环境是一个集加热功率400 W / m2,0类风和雪4厘米的厚度,和三个不同环境温度的影响−3°C,−6°C,−9°C雪融化所需的时间和能源消耗是探索。试样的表面温度变化曲线如图6。
图6显示,当环境温度是−3°C和加热时间为1.27 h,试样的表面温度可以达到0°C;在这个时候,雪开始融化。当加热2.93 h,表面雪完全融化。这个时候,温度是4.89°C,和总能耗为1.17千瓦h / m2。当环境温度−6°C和−9°C和加热时间超过2.13小时和3.15 h,分别上面的表面温度达到0°C,雪开始融化。当加热4.27小时和5.33 h,表面雪完全融化。此时,温度4.68°C和4.93°C,分别和总功率消耗1.71千瓦h / m2和2.13千瓦h / m2,分别。
在融雪的测试三种不同的初始环境温度,当初始环境温度变化从−−6°C 3°C,时间完全融化雪将增加1.34 h,和功耗将增加大约46.1%的价格相比−3°C。当初始环境温度变化对−−3°C 9°C,时间完全融化雪将增加2.40 h,和电力消费将增加82.1%的价格相比−3°C。
试样表面的温度升高的速度在不同的初始环境温度下表所示7。比较三个工作条件下温度升高的利率在0 2.93∼h表明−3°C的初始环境温度,当试样表面温度的增加从−3.130°C到4.891°C,气温上升的速度是2.738°C / h。在初始−6°C的环境温度,当试样表面温度的增加从−6.121°C到1.352°C,气温上升的速度是2.551°C / h。−9°C的初始环境温度,试样表面温度的增加从−9.023°C到−0.136°C,和气温上升的速度是3.126°C / h。
总之,在初始环境温度−3°C和−6°C,气温上升的利率已经接近和小于温度升高的速率−9°C操作条件。结合融雪时间和功耗分析在不同初始环境温度显示,作为初始环境温度下降在一定范围,同时保持其他因素不变,雪融化所需的时间和能耗增加和损失增加。
3.1.3。积雪厚度
工作环境是一个加热功率400 W / m2、类0风和−3°C的环境温度,和三个不同的影响雪厚度2厘米,4厘米,6厘米雪融化所需的时间和能源消耗是探索。试样的表面温度的曲线不同的积雪厚度如图7。
图7显示,当积雪的厚度是2厘米,试样的表面温度达到0°C加热后为0.49 h,雪开始融化。当加热1.87 h,表面雪完全融化。每小时温度是4.432°C,和总能耗为0.73千瓦h / m2。当雪厚度是4厘米,6厘米,加热时间超过1.27小时。2.01 h后,上面的表面温度达到0°C。现在,雪开始融化。当加热2.93小时和4.27 h,表面雪融化。此时,温度4.891°C和4.531°C,和总功率消耗0.17千瓦h / m2和1.71千瓦h / m2,分别。
在融雪的测试三种不同的积雪厚度,当雪厚度从2厘米增加到4厘米,完整的融雪的时候增加1.06 h,和功耗增加大约60.3%的情况下,积雪厚度是2厘米。当积雪厚度从2厘米增加到6厘米,时间完全融化雪增加2.40 h,和电力消耗增加134.2%的情况下,积雪厚度是2厘米。
试样的表面温度的增加有不同的积雪厚度如表所示8。比较三个工作条件下温度升高的利率在0 1.87∼h显示,当雪厚度是2厘米,试样的表面温度变化从−2.931°C到4.432°C,和气温上升的速度是3.937°C / h。当雪厚4厘米,试样表面温度的增加从−3.131°C到1.821°C,气温上升的速度是2.648°C / h。雪厚6厘米时,试样表面温度的增加从−3.031°C到−0.015°C,和气温上升的速度是1.629°C / h。
总之,在一定条件下,随着雪的厚度增加,温度升高的速度减少。融雪时间和能耗的分析不同积雪厚度显示具体实际项目中其他因素保持不变。与积雪厚度的增加在一定范围内,所需的时间融化雪和功耗增加,和能耗相对较大。
3.1.4。风评
工作环境是一个集加热功率400 W / m2−3°C的环境温度,和4厘米的积雪厚度探索三个风力等级:0 (0 m / s),类1(1.35米/秒),二班(2.74米/秒)。的影响在雪融化所需的时间不同级别的风和电力消费调查。样品的表面温度变化曲线如图8。
图8表明,当风功率类0和标本的表面温度达到0°C加热后为1.27 h,雪开始融化。当加热2.93 h,表面雪完全融化。每小时温度是4.891°C,和总能耗为1.17千瓦h / m2。当风力发电水平1级和2级,表面温度达到0°C以上后,加热时间超过1.49小时和1.93 h,分别,雪开始融化。当加热3.47小时和5.20 h,表面雪融化。此时,温度4.502°C和4.835°C和总功率消耗1.39千瓦h / m2和2.08千瓦h / m2,分别。
融雪的测试水平三个不同的风,当风从0级变为1级水平,时间完全融化雪增加0.54 h,和功耗增加大约18.8%的情况下,风力级别0级。当水平改变从0级到2级,时间完全融化的雪将增加0.91 h,和电力消费将增加77.8%的情况下,风力级别0级。
试样表面的温度升高的速率在不同风水平如表所示9。比较三个工作条件下温度升高的速度在0 2.93∼h表明在工作条件与风能评级为0,当试样表面温度的增加从−3.131°C到4.891°C,气温上升的速度是2.738°C / h。工作条件与风力发电的1,当试样表面温度的增加从−3.021°C到3.684°C,气温上升的速度是2.288°C / h。工作条件与风力发电的2,当试样表面温度的增加从−3.094°C到1.798°C,气温上升的速度是1.670°C / h。
总之,保持其他因素不变时,随着风水平的增加在一定范围内,整体温度分布的均匀性表面的标本恶化,和融雪时间增加。此外,温度升高的速度减少。因此,当风速过高在实际工程应用中,手动或机械方法清除积雪增加的速度从大桥除雪。
3.2。研究的影响因素除冰测试
3.2.1之上。加热功率
本节研究方法是一样的融雪过程。工作条件设置为初始−3°C的环境温度,风力发电的0,和一个5厘米探索融化的海冰厚度与三个不同的加热时间和能耗的260 W / m2320 W / m2,400 W / m2和防冰的影响。的表面温度变化曲线如图试样在不同的权力9。
图9表明,当加热功率400 W / m2加热时间为0.67 h,试样的表面温度可以达到0°C;在这个时候,冰层开始融化。当它被加热2.33 h,表面冰层融化。这个时候,温度是3.32°C和总电力消耗0.93千瓦h / m2。当加热的权力320 W / m2和260 W / m2后,表面温度可以达到0°C加热时间超过1.17小时和2.01 h,分别,冰开始融化。当加热3.83小时和5.5 h,表面冰层融化。此时,温度3.14°C和2.58°C和总功率消耗1.23千瓦h / m2和1.43千瓦h / m2,分别。
在融冰测试三个大国,当加热功率增加从260 W / m2320 W / m2,完整的冰层融化的时间缩短1.67 h,功耗是大约14.0%不到的260 W / m2。当加热功率增加从260 W / m2400 W / m2,时间完全融化冰层缩短3.17 h,而且功耗降低35.0%的价格相比260 W / m2。
试样表面的温度升高的速率在不同权力表所示10。比较三个工作条件下温度升高的利率在0 2.33∼h表明在260 W / m2,当试样表面温度的增加从−2.931°C到0.199°C,气温上升的速度是1.357°C / h。在320 W / m2,当试样表面温度的增加从−2.973°C到1.134°C,气温上升的速度是1.763°C / h。在400 W / m2,试样表面温度的增加从−2.962°C到3.321°C,和气温上升的速度是2.683°C / h。
总之,在加热的260 W / m2和320 W / m2,温度升高的利率已经接近和小于温度升高的速率在400 W / m2。结合融冰时间在不同的权力和功耗分析表明,随着加热功率的增加在一定范围内,同时保持其他因素不变,冰融化所需的时间和功耗降低。此外,加热效果最佳的加热功率400 W / m2;这个条件是经济实用,防冰效率更高。
3.2.2。冰厚度
工作环境是一个集加热功率400 W / m2、类0风和−3°C的环境温度,和三个不同的影响冰厚度5毫米,10毫米和15毫米冰融化所需的时间和能源消耗是探索。样品的表面温度曲线不同的冰层厚度如图10。
图10显示,当冰层的厚度是5毫米和加热0.533 h,试样的表面温度可以达到0°C;在这个时候,冰层开始融化。加热时为2.27 h,表面冰层完全融化。当温度是3.32°C,总电力消耗0.93千瓦h / m2。当冰的厚度层10毫米和15毫米和加热时间超过1.467小时和2.267 h,分别,表面温度可以超过0°C。现在,冰开始融化。当加热持续了3.21小时和4.67 h,表面冰层融化。此时,温度3.322°C和3.482°C,和总功率消耗1.28千瓦h / m2和1.87千瓦h / m2,分别。
三融冰与不同的冰厚度测试,当冰的厚度层从5毫米增加到10毫米,完整的冰层的融化时间增加0.94 h,和功耗增加大约37.6%的情况下冰层的厚度是5毫米。当冰的厚度层从5毫米增加到15毫米,冰层完全融化的时间增加2.4 h,和电力消耗增加101.1%的情况下,冰层厚度为5毫米。
试样表面的温度升高的利率不同的冰层厚度如表所示11。比较三个工作条件下温度升高的利率在0 2.27∼h表明当冰层厚度5毫米和试样表面温度的增加从−2.931°C到3.321°C,气温上升的速度是2.754°C / h。当冰层厚度10毫米和试样表面温度的增加从-3.031°C到2.133°C,气温上升的速度是2.275°C / h。当冰层厚度15毫米和试样表面温度的增加从−2.983°C到0.001°C,气温上升的速度是1.315°C / h。
总之,在一定条件下,随着冰层的厚度增加,温度升高的速度减少。融雪时间和能耗的分析在不同积雪厚度显示,随着冰层的厚度的增加在一定范围内,同时保持其他因素不变,所需的时间的冰层融化和功耗增加。功率损耗很大。
4所示。结论
本文的试验研究进行了雪融化和融冰,和主要结论如下:(1)随着加热功率的增加在一定范围内,所需的时间融化冰雪层和能耗降低。在一定条件下,以确保快速融化的冰雪层表面的道路桥梁、加热功率400 W / m2被选中。这时,加热效果是最好的,该方法经济实用。(2)随着环境温度增加或冰的厚度层减少在一定范围,同时保持其他因素不变,雪融化所需的时间和功耗的增加,和能耗相对较大。(3)与风水平的增加在一定范围,同时保持其他因素不变,整体温度分布的均匀性表面的标本恶化,融雪时间增加,温度上升。温度升高的速度减少。因此,在实际工程应用中,当风速过高时,手动或机械方法清除雪可以增加桥甲板上的除雪速度。它提供了理论参考实际的大桥的结构在未来。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章。部分或全部数据、模型或代码支持本研究的发现可以从相应的作者的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
T.Y.,H.X., and J.X. performed investigation and validation. Z.S. performed conceptualization, investigation, and formal analysis and wrote the original draft. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.
确认
作者承认湖北省技术创新的支持特别项目(2018 aaa028)。