道路积雪后非预热式主动过程融雪特性实验研究

道路积雪后非预热式主动过程融雪特性实验研究 道路积雪后非预热式主动过程融雪特性实 验研究 第g卷第4期 2o10年12月 热科学与技术 JournalofThermalScienceandTechnology Vo1.9No.4 DOC.zo1o 文章编 号:1671-8097(2010)04—0288—07DOI:10.3969/j.issn.1671-8097.2010.0 4.002 道路积雪后非预热式主动过程融雪特性实验研究 黄勇,高青,刘研,YANYu—ying. (1.吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室,吉林长春130025; 2.吉林大学热能工程系,吉林长春130025; 3.诺丁汉大学,英国诺丁汉NG72RD) 摘要:针对新型道路热融雪过程,开展三种不同埋管节距道路实验.研究主动融雪过程中道路热融雪特性和 路面融雪形态和传热规律,分析道路路面温度,单位面积耗热量和单位 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 温差的变化规律,探索融雪过程因 素影响特征,认知道路埋设盘管热流体循环融雪过程.实验研究表明:积雪和降雪的融化过程分为四个阶段, 由于埋管节距的不同,密距型道路在四个阶段所需时间最少;同时,埋管节距越小,其表面无雪率越大,融雪能 力越强,单位面积耗热量也越大,但单位流程温差存在一定的增长限度. 关键词:融雪特征;传热特征;管节距;主动融雪 中图分类号:TK529文献标识码:A 0引言 热流体循环融雪化冰系统是一种新型道路冰 雪热融除冰技术,在融雪化冰的应用中,它不但可 以完成太阳能的夏季储存,实现可再生能源利用, 还可以有效地降低炎热夏季路面温度,减少路面 热蚀破坏,同时提高冬季路面温度,提高道路寿 命,特别对交通负载繁重路段(机场跑道,高速路 端口,桥梁,坡路和弯道等)尤为必要口]. 在国际上,美国,日本,瑞士,波兰等研究者已 经在热流体循环融雪化冰方面做了大量的研究. 其中,美国俄勒冈州立大学(Oklahomastate university,oSu),1998年开始路桥热流体循环融 雪化冰技术的研究,建立了当时世界上最大的路 桥专用实验系统],并根据实验数据建立了瞬态 路面融雪化冰模型,将模拟结果与实验结果进行 对比分析,研究路面积雪随时间的变化特性,不同 控制策略对夏季蓄能和冬季融雪的影响.日本在 国际经合组织(OECD)和能源组织(IEA)的可再 生能源专项资助下,国家资源环境研究所(NIRE) 于1995年在日本二户市建造了首例全自动路面 集热蓄能热流体循环融雪化冰系统,即Gaia工 程[5],重点分析了地下换热器中流体温度在融雪 过程中的时变规律,从地下提取的热量与融雪所 用热量之间的比例等,并将实验结果同电热融雪 进行比较,得出地源热泵液体循环加热融雪是高 效节能的融雪方法. 国内在热融雪化冰方面研究应用还处于起步 阶段.吉林大学研究者率先提出了道路太阳能利 用和蓄能的融雪化冰在我国北方应用的设想L6], 此后,不断在地能利用和融雪化冰方面等开展探 索工作.天津大学研究人员建立了道路融 雪过程数值模拟和开展相关实验,通过冰雪物理 特性,融化面积比,融化速率和融化时间等分析, 获得不同条件下路面融雪化冰规律.哈尔滨工业 大学[g]模拟研究了土壤源热泵桥面融雪系统,利 用有限单元法对其二维稳态数学模型进行了数值 求解,得到了多种工况下的运行结果.大连理工大 学-1利用Fluent软件模拟研究了热融雪系统,并 对系统参数进行了分析.北京工业大学[1订实验研 收稿日期:2010-04-11;修回日期:2010-1卜16. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50776039);吉林大学研究生创新基金资助项目(20091016). 作者简介:黄勇(1982一),安徽桐城人,男,博士生,主要从事可再生能源利用方面的研究.E—mail:huangyong07(~mails.jlu.edu.cn 第4期黄勇等:道路积雪后非预热式主动过程融雪特性实验研究289 究了发热电缆融雪效果,上海交通大学_l数值模 拟了发热电缆融雪系统. 融雪过程可以分为静态过程和动态过程.静 态过程是先降雪后融化,又称为被动融雪;动态过 程是降雪和融化同时进行,又称为主动融雪,其中 又分为提前预热和非提前预热的降融同步两种方 式.已有研究工作主要是基于软件平台的模拟分 析和冰雪静态融化过程的实验分析,对实际的动 态降融过程还未曾开展系统研究.作者曾研究过 提前预热式降融同步融雪过程,该方式融雪比较 迅速,保证良好的及时性L1引,但是,通常热负荷较 大.因此,本文利用道路热融雪实验系统,研究有 积雪的非提前预热式主动融雪过程中融雪的传热 规律和表面雪融的变化,分析道路路面温度,单位 流程温差和单位面积耗热量的变化规律,探索实 际融雪过程中的传热特性和融雪能力,指导工程 应用. 1实验装置及方法 道路融雪过程实验采用水泥道路结构,设立 不同的埋管节距形式.盘管采用蛇形盘管直列布 置,埋管内径为16mm,外径为20mm,道路试件 尺寸为1.2m×0.6m,三种埋管节距分别为9O, 120和150mm,又分别称为密距型,中距型和疏 距型.实验中三块实验道路板块并联连接,实验系 统如图1(a)所示.循环流体在水箱中加热和温度 控制,经道路埋设盘管加热路面,实现道路融雪化 冰;流过道路后,通过流量计,水泵回到水箱再加 热;考虑到冻结防冻,循环流体采用乙二醇水溶 液.模拟道路试件铺设的基本结构分三层,由上而 下为路面层,隔垫层,路基层,厚度分别为3O,4O 和8mm,如图1(b)所示.在实际道路融雪工程应 用中,考虑到道路承压等问题,铺设道路时,应增 加钢筋等支撑结构. 实验中主要测量参数包括环境温度,各路块 循环流体进,出口温度和流量.为了考证道路路面 温度变化特性和规律,在三块路面上分别选取表 面温度测量特征点,进行测量分析,其中每块路面 在中心区域的单节距内选择了三个特征点,即上 游埋管对置路面I,非埋管对置节距中心路面? (a)实验系统 路而层 隔垫层 路基层 |: ,一 (b)路面剖面 图1实验系统及其构造 Fig.1Experimentalsystemandstructure 和下游埋管对置路面?的温度测量点,如图1(a) 特征点放大图所示.测温采用K型热电偶,并由 日本横河MV200温度自动记录仪测量记录;循环 流体流量测量采用玻璃转子流量计. 2实验结果及分析 实验在中国北方长春地区冬季的气候条件下 进行,时间为2008年1月11日,实验从13:56开 始,一直持续到16:56,为3个小时.在实际降雪过 程中,由于降雪的不均匀性,各道路表面积雪会略 有不同.实验开始前,各道路路面上平均有12mm 的积雪,因此,采用初温较高的热流体进行循环, 同时,降雪仍在进行,在实验时间内测量的平均降 雪强度(单位时间内道路表面累积的雪厚度)为 2.0mm/h,属于中小程度降雪.实验采用定功率 进行加热,加热功率为1kW,实验期间,三块道路 板块中流体流量相等,为200L/h. 图2所示为实验过程中室外温度,水箱温度 和各道路流体人口温度的变化. 热科学与技术第9卷 L一’? ?室外温度 - ?各道路流体八?拭)苴度 ? 图2室外温度,水箱温度和各道路流体入口温 度 Fig.2Ambienttemperaturc,watertanktemperature andfluidinletteraperatureofeachslab. 由图2可知,室外温度稳定,基本保持在 一 9.2~C左右.而各道路流体入口温度在前10rain 内.由19.O?左右突升至35.0~C,之后不断缓慢 下降,直至3O.4?.在前10rain内,水箱温度从 45.2?快速降低至35.0~C,之后与道路流体入口 温度变化相同.原因在于,流体开始循环时温度较 低,随着系统的开启,水箱内的高温流体进入管 道,各道路流体入口温度必然快速上升,管内的低 温流体流进水箱,水箱温度必然降低.由于管路温 度较低和散热的存在,流体入口温度与水箱温度 达到稳定需要一定时间,当达到稳定时,入口温度 将不再上升.由于总加热功率偏低的影响,电加热 的热量不能满足融雪耗热,导致之后的温度不断 降低,但基本成线性下降趋势. 2.1融雪过程路面积雪变化 在实际融雪过程中,由于各种系统的运行措 施不同,必然导致路面融雪效果的不同.因此,对 于融雪效果的评价,本文采用文献[14]中提出的 表面无雪率A概念,利用表面无雪率衡量融雪效 果,其定义为融雪后无雪面积占整个路面总面积 的百分比,如式(1)所示.表面无雪率通常采用图 像色彩辨识分割法进行量化,来测量表面无雪 率的大小,对于道路融雪由于色差比较分明,可以 保持较高的面积分割精度. A一一一 As(1) 式中:A为表面无雪率;Ar为无雪路面面积,mz;A 为整个路面总面积,rI12;A为有雪路面面积,m2. 在本研究的实验测量时间内,路面积雪变化 情况和表面无雪率变化曲线分别如图3和4所 示.系统开启前,各道路表面平均有12mm的积 雪,实际测量中,中距型道路表面积雪略厚.同 图3路面积雪变化过程 Fig.3Variati.n.faccumulatingsnow.nslabsurfa. 时,降雪仍在继续,此时道路表面无雪率为o,R 此种状况维持了较长的时间.由于各表面埋管节 距的不同,道路表面无雪率开始发生变化的时刻 也各不相同.从实验观察和图3中可以看出,密 距型表面无雪率发生变化需要27min,密距型表 面需要30min,而疏距型表面需要33raino4O min时,各路面上都可明显看到蛇形融化区域和 干式积雪,此时各路面表面无雪率较低,且由于积 雪厚度略有差异,各道路表面无雪率分别为O?15, o.O5和O.07.随着融雪和降雪的继续,蛇形融雪 第4期黄勇等:道路积雪后非预热式主动过程融雪特性实验研究291 图4各道路表面无雪率变化 Fig.4Snowfreearearatioofeachslab 区域越来越明显,并沿着对置埋管中心向两边扩 大.80min时,密距型路面中问区域的积雪已经 基本融合完毕,表面无雪率也达到0.9,在这之 后,密距型路面无雪率基本无太大变化,即认为 80min为密距型路面积雪达到稳定时刻.而中 距型和疏距型路面达到稳定需要105和130 min,此时,两路面表面无雪率分别为0.8和0.6. 从而反映各盘管散热系统布置对道路融雪能力的 强弱的影响.因此,密距型道路具有最大的融雪 能力,即节距越小,融雪能力越强.而且,密距型 道路融雪能力比中距型道路高出1O左右,比疏 距型道路高出3O,且融雪时间将成倍数增长. 在实验测量时间内,各道路最后都剩余积雪, 所剩积雪都处于道路边缘.造成边缘剩余积雪的 原因在于:一方面边缘处离循环热流体较远,获得 的热量少,另一方面边缘处散热大,热量损失多. 2.2路面温度 工和?点分别为上游和下游埋管对置路面特 征点,能反映埋管对置路面融雪状态,在实际测量 中两者相差不大,下游特征点温度略小.特征点 ?反映非埋管对置节距中心路面融雪状态.图5 所示为特征工和?点温度比较. 由图5可知,积雪和降雪融化过程可以分为 四个阶段:1)干式积雪受热阶段,即积雪被加热到 0?的阶段;2)从干式积雪和降雪变为湿式积雪, 即雪泥阶段;3)雪泥融化成雪水的阶段;4)雪水流 走和被蒸发的阶段.由于道路表面受热先后不 同,积雪融化过程中的各个不同阶段是交织在一 起的.以特征点I处积雪和降雪为例,在第一阶 T/rain (a)上游埋管对置路面特征点I (b)非埋管对置路面特征点? 图5特征点I和?温度变化 Fig.5TemperaturevariationoffeaturepointIandlI 段,特征点I温度曲线不断上升,直到达到0? 时.从图5(a)中可以看出,第一阶段各道路所需 时间基本相同,同为12rain.在第二阶段,由于 道路表面积雪开始融化,曲线上升速度有所减缓. 当特征点I位置处的干式积雪全部变成雪泥时, 由于没有干式积雪的覆盖,道路表面与空气之间 开始有了对流传热,致使温度出现大幅下降曲线 开始大幅度降低.此时融雪过程进入第三阶段, 雪泥融化成雪水的阶段.由于埋管节距的不同, 各道路表面的融雪过程进入第三阶段的时间各不 相同,密距型道路为28min,中距型道路为44 min,疏距型道路为58min.从而也反映出各道 路融雪能力的强弱.随着循环热流体的进一步加 热,道路表面与空气之间的对流传热也逐渐平衡, 雪泥也逐渐融化完,曲线又开始不断回升.此时 融雪过程进入第四阶段,雪水流走和被蒸发的阶 段.曲线出现的波动是由于雪融水流动和被蒸发 的影响. 由图5(b)可知,密距型道路上的特征点?温 度与特征点I温度变化规律基本相同.但中距型 和疏距型特征点?温度,由于节距较大,热量不能 及时有效地融化积雪和降雪,该点温度较长时间 停留在0?附近.当积雪全部变为雪水时,温度 OOOOO00 5Om . ,, 热科学与技术第9卷 慢慢回升. 同时,过大节距盘管路面温度相对较低,积雪 往往不能完全被融化,且非融处的积雪厚度有所 增加;相反,过小节距的密集排列盘管路面温度相 对较高,尽管融雪及时,无雪率高,但是耗热量往 往非常大,工程造价和供热系统庞大,因此优化盘 管节距和结构是极其重要的. 2.3单位面积耗热量和单位流程温差 图6所示为单位面积耗热量变化,即在单位 面积的板面中循环流体与道路交换的热量,直接 反映埋管传热量的大小. 毛 主 寮l; 耀 1旨 :潞 图6单位面积耗热量变化 Fig.6Heatquantitypersurfacearea 由图6可知,在系统开启后10min内,各道 路单位面积耗热量变化曲线由于受到管内水温较 低,道路温度较低和较高的水箱温度的影响,从而 出现一定的波动.在此之后,曲线逐渐趋于稳定, 但受到加热功率偏低的影响,曲线不断减小. 同时从图6可以看出,小节距密集型盘管布 置的单位面积耗热量大.显然,密集排列在有限 面积内可以达到更大的散热能力,同时,开始由于 道路温度较低,流体与道路问温差较大,散热量必 然很大,随着道路温度的不断上升,两者之间温差 不断减小,传热量也随之迅速下降,并趋于稳定, 实验中达到此稳定所需时间约为10min左右,也 等于流体入口温度达到稳定的时间.此种稳定称 之为热稳定.在耗热量达到稳定时,各道路的平 均单位面积耗热量分别为543.7,391.4和195.5 W/m..密距型道路单位面积耗热量分别是其他 两种道路的1.39倍和2.78倍.随着埋管节距的 增大,单位面积耗热量将呈几何倍数减小.随着 埋管节距的减小,埋管长度也将呈倍数的增长,其 单位管长传热能力并不一定大幅度增大.为此, 采用循环流体单位流程温差参数衡量管长的散热 能力.埋管单位流程温差即单位埋管长度内循环 流体温度降低情况,该参数直接反映路面下埋管 融雪的单位长度传热能力,评价管长作用能力和 盘管形态的热作用.图7所示为循环流体单位流 程温差变化. 由图7可知,各道路的单位流程温差变化趋 势与单位面积耗热量变化基本相同,同时密距型 和中距型埋管单位流程温差都较大,且相差较小; 而疏距型单位流程温差明显较小.由此表明,密 距型和中距型埋管都具有较大的单位长度传热能 力.在稳定时,三种埋管形式的平均单位流程温 差分别为0.274,0.249和0.157?/m,密距型道 路单位流程温差分别是其他两种道路的1.1倍和 1.7r5倍. 赠 返 翅 瓣 图7单位流程温差变化 Fig.7Temperaturedifferenceperpipelength 埋管节距减小,导致单位管长传热能力增加, 但是增加是有限度的.因此,合适的埋管节距将 会得到理想的传热能力和传热效率.研究还发 现,尽管密距型和中距型盘管的单位流程温差变 化基本相同,但是它们作用的单位面积耗热量却 存在较大差异.事实上,单位面积耗热量和单位 流程温差决定着有效的埋管形式和最佳的传热能 力.同时节距的减小也会导致投资增大,流动阻 力增大,运行费用增大等缺点.因此,优化埋管布 置,包括埋管管径,埋管深度,埋管节距等,将有助 于得到理想的单位面积耗热量和单位流程温差. 3结论 1)动态过程是降雪和融化同时进行,可谓主 动融雪,其中包括提前预热和非提前预热的降融 同步两种方式.有积雪的降融同步的主动融雪实 验研究表明,该融雪方式能保证一定的道路表面 ?剃?0 第4期黄勇等:道路积雪后非预热式主动过程融雪特性实验研究293 无雪率,融雪耗热较低,但融雪速度较慢. 2)在实验的三种不同节距埋管形式中,直列 盘管节距越小,融雪能力越强,其表面无雪率越 高.密距型道路融雪能力比中距型道路高出 1O左右,比疏距型道路高出3O,且融雪时间 将成倍数增长. 3)在实际融雪过程中,积雪和降雪融化过程 可以分为四个阶段:工)干式积雪受热阶段,即积 雪被加热到0?的阶段;II)从干式积雪和降雪变 为湿式积雪,即雪泥阶段;HI)雪泥融化成水的阶 段;IV)水流走和被蒸发的阶段.第一阶段各道路 所需时间基本相同,在后几个阶段,各道路所需时 间略有不同.总体来说,密距型道路所需时间最 少,融雪最快. 4)文中提出单位面积耗热量和单位流程温差 两参数,衡量道路融雪过程的热流体系统热作用 能力.实验表明,融雪初始阶段两参数都先经历 一 次曲折后再迅速降低,然后趋于稳定.对于疏 距型,中距型,密距型三种不同节距埋管道路实验 中,平衡时单位面积耗热量随节距减小呈几何倍 数增加;但是单位流程温差的增加是有限度的,甚 至出现密距型和中距型盘管的单位流程温差变化 基本相同.因此,优化埋管布置将会得到理想的 传热能力和传热效率. 参考文献(References): [1] [2] [3] [4] REESSJ,SPITLERJD,XIA0X.Transienta— nalysisofsnow—meltingsystemperformance[J]. 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Keywords:snowmeltingcharacteristic;heattransfercharacteristic;pipepitch;activesnowmelting