文摘

近年来,随着经济的快速发展和机动车辆的急剧上升,在隧道路面抗滑性门户网站已成为越来越重要的在寒冷的地区。然而,除冰盐、除雪机,和其他防滑措施采用公路养护部门有很多局限性。提高治疗效果,我们提出了一种新的融雪方法采用电伴热,加热电缆的安装在道路的结构层。通过田间试验、实验室实验和数值研究,结构类型、加热功率、和预热时间隧道入口的柔性路面加热系统进行了系统地分析,和优势的电伴热技术在提高路面抗滑性在隧道入口。因此,这种新技术,提供新融雪的隧道入口的方法,桥,山区,在寒冷地区和大型纵向坡度有前途的广泛应用前景。

1。介绍

在中国公路建设的快速发展,越来越多的高速公路已经建成高纬度和高海拔寒冷地区。大雪导致土壤冻结在寒冷地区和积雪在隧道路面门户网站和大大降低路面的摩擦系数,这常常导致机动车事故,危及司机和乘客。在中国北方,冬天通常持续5 - 6个月,甚至在黑龙江省8个月,新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区。每年,大雪将为几次发生在这些地区。此外,大雪会造成严重不良影响人们的生产、运输、和交通安全1),如图1。据统计,交通事故的发生在冬季冰雪道路在其他季节的4 - 5倍,这可能导致年度经济损失数千万美元。因此,越来越多的研究集中在路面抗滑在隧道入口2- - - - - -5]。为了确保隧道入口的畅通,保证高速公路的正常运行,有必要采取有效措施,消除在隧道口冰雪在人行道上。考虑到交通安全,能源消耗,经济效益,环境保护,和其他相关因素,它具有十分重要的现实意义改变传统的概念和方法,融雪和路面的抗滑性6- - - - - -8]。

大雪造成的损失和损害是在全球范围内稳步增加。严重的大雪麻痹国家物流系统,限制除雪工作。为了克服这一点,许多融雪系统开发;然而,在实践中,其应用受到限制,由于经济原因,环境污染,与施工技术相关问题和成本。关于治疗的冰雪路面,研究人员已经进行了许多研究,并提出了几种方法对融雪和抗滑的路面9- - - - - -13),如图2。目前,主要有两种方法来融化冰雪:除雪机和融雪。效率高,snow-removing机适用于去除大面积的冰雪路面。然而,考虑到更大的凝聚力和冰之间引起的路面温度越低,snow-removing机无法实现令人满意的除雪效果,不能彻底清除路面上的冰层覆盖。一般来说,融雪方法可分为两种,即化学方法和加热方法。采用热泵加热方法,红外线灯,线加热,或热液流体有前途的应用前景[14]。化学方法,采用防冰化学品(生理盐水或CaCl₂)融化冰雪的优点被广泛应用广泛的材料来源,低价格,和优秀的冰雪融化的影响(15- - - - - -18]。防冰化学品用于融化冰雪路面上,然而,造成许多负面影响,其中可能包括钢钢筋的腐蚀,路面磨损,和环境污染19- - - - - -22]。在许多国家,化学试剂被广泛用于清除冰雪,许多道路和桥梁修复代价巨大,导致巨大的经济损失(23- - - - - -27]。因此,为了提高路面的抗滑在寒冷地区隧道入口,保证高速公路的安全运行,具有重要意义,开发新的融雪和防滑技术。

过去几十年,美国,英国,加拿大,和其他一些国家开展了实验研究融雪路面加热系统(28- - - - - -30.]。在美国,项目和老爷14,28(即)总结了融雪措施。,chemical method, heat pump method, infrared lamp irradiation method, heating wire method, and hydrothermal method) of pavement. The conductive concrete was proposed to melt ice and snow on road surface, and the experimental research on the snow-melting measures for bridge and concrete pavement was performed. In 2001, Sun [31日),从广州电力设计院、中国,研究了导电混凝土在变电站的接地电网中的应用,和优秀的研究结果。2002年,唐et al。32),从武汉科技大学,中国,分析了影响加热层的导电混凝土路面抗滑性,和研究结果表明,加热层覆盖的导电混凝土可以实现更好的融雪和除冰效果。

电伴热系统开始作为一种新的方法在隧道路面融雪的门户,桥,山区,在寒冷地区和大型纵向坡度,这也可以作为有效的设计和施工参考类似工程在城市道路。此外,由于性能优良的优点在环保、可再生能源,结构简单,方便使用,和较低的生产成本,电热跟踪技术有着美好的广泛应用前景。

2。电伴热系统

2.1。系统的工作原理

电伴热系统,使用线作为加热介质,将电能转换成热能的加热电缆,然后将热能转移到人行道上,辐射供暖。额外保护外墙的隔热材料,隔热的显著效果和融雪的可以收到33]。加热电缆,如图3,主要由几个元素加热线程,隔热层,金属屏蔽层,防水和防腐层,等等。自限性温度加热带,一般用于当前,高的电阻率正温度系数(PTC)。PTC材料将电能转化为热能;也就是说,加热元件的温度上升,在通电的状态下。此外,电阻率逐渐增加,PTC(列车自动控制系统)的影响。

热效率高的优点,对结构的影响,优秀的效果,在节能的优秀性能,简单的设计,方便安装、零污染、寿命长、和远程自动控制,电伴热系统已成功应用于建筑工程、石油工程、化学工程、机械工程等。在1990年代初,电伴热技术首次引入中国。之后,随着材料技术的进步和电子技术,这种技术各领域正在经历一个快速增长的工程建设(34]。

2.2。该系统在路面工程中的应用

加热电缆通常是在“s”型行进的过程:首先,粗碎石沥青混凝土或其他类似的材料铺设路面的结构层;然后,需要功率的加热电缆铺设根据相关技术要求;最后,细碎石沥青混凝土铺设的路面表层,如图4。电伴热系统,用于融雪除冰,设计与间歇运行模型。拉姆齐和Kilkis35,36)曾建议电热电缆系统的输入功率是250 - 400 W / m²沥青路面。加热电缆逐渐产生热能,热能是通过沥青混凝土转移到积雪,最后雪会融化后吸收足够的热量。

融雪加热路面系统包括加热系统和控制系统,如图5。细砾沥青混凝土复合路面(4厘米+ 5厘米中碎石沥青混凝土+ 22厘米水泥混凝土),电伴热系统安装前,常常需要根据路面的内部结构设计,加热电缆的工作特性。首先,2厘米(宽)×2厘米(深度)槽凿水泥混凝土表面的复合路面。然后,加热电缆槽内安装和固定夹和水泥钉子,如图6。注意,多余的长度应该用于加热电缆,以避免更高的压力加热电缆时,路面变形很大。最后,温度控制的电缆安装相同的步骤。电缆敷设完成后,应开始铺设沥青混凝土层。此外,加热电缆和温度控制电缆领导从路面板的边缘,这是放置在电缆管道和连接控制电路后穿过排水沟。一般来说,远程自动控制加热电缆通过控制系统可以实现。

3所示。试验研究融雪路面加热系统在隧道入口

本文通过田间试验进行了全面的比较和分析,实验室实验和数值研究,系统也进行了实用性分析路面融雪效果的电伴热系统在隧道入口,提供必要的技术支持,设计,建设,电伴热系统的操作。

3.1。现场试验

现场试验是在Dongnanli进行隧道图们江市中国吉林省。Dongnanli隧道,如图71252米长,101米的最大深度。隧道位于季节性寒冷地区,属于山地地形的剥蚀。在这个领域,第一场雪在10月中旬,最后雪是明年4月。冬天是寒冷和长时间的夏天很凉爽。参照多年气象历史数据,极高的温度是37.6°C,极低温度−27.2°C,最大冻结深度约为1.81米,最大积雪深度是48厘米。

人行道上的纵向长度与电伴热系统是由空气温度,车辆紧急制动距离,“雪崖”效应。现场试验,路面的长度与电伴热系统在隧道是50米,隧道外,也是50米。根据相关设计加热电缆安装。现场施工如图8。加热电缆的铺设完成后,测试人员,根据降雪的预测,在2011年2月下旬进行了现场试验。测试人员改变了单电路开关和双电路的控制方式切换到监控加热效果。和电伴热系统的主要工作指标相应的收集。空气温度测试点如图9。田间试验结果表明,电伴热系统可以实现优秀的融雪和防滑效果,这节省了大量的人力和物质资源。

加热电缆表面温度达到40 -°C在田间试验;然而,最高表面温度不应超过60°C避免沥青的软化。下雪后,加热试验是上午8点进行的。持续了10 h。空气温度达到−11.3°C和路面温度达到−8.3°C。表1给电伴热系统后的路面温度为3 h工作,5 h, 8 h, 10 h和300 W单电路发热电缆和600 W双电路加热电缆。温度测试现场如图10。

前的雪,路面温度可以达到2 - 3°C的电伴热系统。一旦起了雪,路面温度足以融化冰雪,这可以确保预期的融雪效果。更具体地说,为了达到路面防滑效果好,最好是预热人行道上4 - 6 h内2 - 3°C。

此外,为了研究增加温度对力学性能的影响的人行道上,验证测试高温稳定性和疲劳性能的沥青路面进行了徐(37]。通过疲劳试验和车辙试验,可以看出,电伴热系统的安装有相对较少的影响路面的力学性能。此外,电伴热系统的沥青混凝土疲劳寿命更长和更好的并行性。

3.2。实验室实验

很难进行田间试验系统,因为现场温度变化不规则,离散性大,但相对而言,实验室实验可以在最佳的温度条件下进行38]。路面温度场之间的关系,空气温度,环境因素可以在指定的温度条件下进行分析。此外,安装技术和安装电伴热系统的模式也可以优化。

在实验室实验中,水泥混凝土层是根据结构要求详细的表2。加热电缆用于实验室实验的线性热力17 W / m,输入功率252 W, 60°C的最高表面温度。当加热电缆的铺设完成相关要求,一层钢丝网Φ1毫米直径,长度和宽度的3×3厘米,是发热电缆,将热能转移。然后,沥青混凝土表层是根据结构要求(见图11)。为了获得的实时数据对温度变化对路面温度被安装在试样表面的元素。通常,三个测温点,测点,测点B, C和测点,放置,如图12。然后,考虑到系统的对称性和周期性,这足以分析试样表面的温度与三个计量点全面。在实验室实验中,聪明的多回路的测量和控制仪器来监测温度每0.5 h。在第一个测试中,没有雪,试样表面的温度达到了2.43°C,以及加热电缆的表面温度达到17.22°C系统工作5小时后。在试样表面在第二个测试中,雪开始融化系统工作4小时后,所有的雪融化后的系统工作5.5小时。在第三次测试中,考虑−10°C的空气温度,加热时间增加。试样表面的温度达到了3.11°C,以及加热电缆的表面温度达到22.69°C后系统工作10个小时。在第四个测试中,标本表面雪开始融化后系统工作9小时,所有的雪融化后,系统工作11个小时。

通过试验结果的回归分析,测点的温度变化在试样表面的空气温度−5°C和−10°C(数字13和14)如下:最初阶段的实验中,样品表面的温度迅速上升,这是类似于抛物线。随着加热时间的增加,结构层的温度开始上升,加热电缆的电阻率增加,加热电缆的热值是相应减少。在此期间,气温上升的速度逐渐变得缓慢,成为稳定温度场,温度曲线变得光滑而缓慢。此外,从测试结果,可以看出温度场的稳定状态的加热时间与−10°C的气温大约是两倍的空气温度−5°C。总之,电伴热系统优秀冰雪融化的效果;然而,它的加热功率和加热时间是必要的控制和计算。

3.3。数值调查

基于有限元法,基本法律中几个关键参数影响融雪路面加热系统可以系统地研究,和温度分布的特点也可以总结。数值调查,融雪路面加热系统被认为是二维平面上的热传导。通过有限元软件ANSYS,系统可以模拟的工作阶段,在飞机55元素应用计算(39]。具体地说,内部结构、加热功率、外部温度、热物理性质的材料,和其他物理参数从田间试验和实验室实验,得到如表所示3。

考虑到不同性质材料在路面结构中,路面结构分为三个不同的部分在建立有限元模型,这样的三个不同部分通过布尔运算结合在一起。非均匀网格生成模型中执行,在电缆和细化网格应用,以提高计算精度。模型如图15。

一系列的温度进行了计算,分别有和没有隔热层。例如,外部温度的−5°C和−10°C,该模型被加热了5小时,10小时,分别和温度分布数据所示16和17。

从温度分布,可以看出,形成的温度场在邻近的加热电缆“马鞍形状”一段时间后特征。结构层,最高温度出现在加热电缆的外表面。在层加热电缆安装,温度梯度大。层接近路面的温度梯度很小。和对路面温度场分布均匀。仿真结果是在良好的协议进行的研究项目和老爷14]。

此外,考虑到外部温度−5°C和−10°C和5 h和10 h的加热时间是采用实验室实验和数值研究,我们进行了相关的对比和分析,如图18。路面温度变化在数值调查基本上是封闭的,在实验室实验。此外,错误,降低空气温度的微小波动,热交换,加热电缆之间的热阻和路面结构,和材料的非均质性控制在相对较小的范围内,不会影响模型的合理性。

之后,进一步进行了数值模拟,模拟结果如表所示4和5。借助系统的数值模拟,它是可行的进行加热效应的定性分析。此外,定量计算的加热功率和预热时间也表现,可为今后类似工程提供技术支持。

基于现场试验的研究成果,实验室实验和数值调查,可以得出结论,可以融化冰雪路面很好完美的经济性能,预热2 - 3°C的路面在4 - 6 h和不同空气温度和相应的加热功率。随着空气温度下降,预热时间相应增加的情况下相同的加热功率。为了融化冰雪在合理的预热时间,应增加加热功率,当气温下降。此外,考虑到热利用效率高,保温材料可以把以下加热电缆,以防止热量向下扩散,确保热量可以转移向表层的道路。结构层,最高温度出现在加热电缆的外表面,和最低温度出现在层的上表面。路面温度的变化数值调查是在良好的协议与在实验室实验中,和相关的错误控制在相对较小的范围内。因此,可以确定,建立的模型合理、可靠,和仿真结果有很高的参考价值。

4所示。结论

考虑目前的防滑措施的局限性采用公路养护部门和广泛的电伴热系统的工程应用,提出了隧道洞口的融雪加热路面系统。基于现场试验、实验室实验和数值调查,结论可以总结如下:(1)在寒冷地区,可以使用电伴热系统在隧道入口的融雪路面。为了实现即时和自动融化,应预热人行道上根据实际天气情况。(2)考虑到空气温度、车辆紧急制动距离,和“雪崖”效应,人行道上的最优纵向长度与电伴热系统应该隧道内50米和50米外的隧道。(3)为了有效地提高加热效率、热绝缘材料可以把以下加热电缆。结合热绝缘材料,加热功率的电伴热系统200 - 400 W / m²能充分满足要求的空气温度时路面融雪−20-0°C。(4)基于现场实验和实验室实验,数值可以系统地调查分析了温度场分布的融雪路面加热系统,它真实地反映了路面结构的温度分布。(5)路面加热功率、加热时间和相应的温度分布,通过综合比较和分析,不仅为当前的研究提供技术支持,也为未来的研究打下基础。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是财务支持的应用基础研究项目(主体)的中国交通运输部(没有。2015 319 812 140)和基础科学研究的特别基金中央大学长安大学(批准号CHD2012JC072)。作者想表达感谢审稿人的宝贵意见和建议,帮助提高论文的质量。