引言

過去多年通往北極的航道一直布滿浮冰,不得通行,多國探險家試圖開通這一航道,但由于風(fēng)險太大沒有成功,隨著近年來全球氣候變暖,極地海域的冰層不斷消融,通往冰區(qū)的航道逐漸映入眼簾,大量的冰區(qū)船也開始被投用。然而冰區(qū)氣候條件極端惡劣,時常會出現(xiàn)降雪天氣,不僅對船用設(shè)備的運行有著極高的要求,同時,如果不能及時處理好積雪,對人身安全也會造成一定的隱患。船上外部主要的人行區(qū)域在甲板面,由于露天,直接受天氣影響,最容易產(chǎn)生積雪,隨著堆積時間的推移,會形成危害更大的冰面,再加上船體本身會存在一定的晃動,所以在這樣的情況下,在積冰的踏步上行走,會增加人員意外傷害的可能。

解決這一問題的辦法可適當(dāng)參考陸地的融雪模型,陸地北方也會出現(xiàn)強降雪天氣,導(dǎo)致大面積的道路積雪,情況與船用甲板有一定的相似性。我國現(xiàn)階段有兩種除雪方式:(1)人工清除法,通過人工或機(jī)械撒鹽、熱水:(2)化學(xué)融化法,使用融雪劑消融積雪。前者會消耗大量的人力,后者會對壞境及材質(zhì)產(chǎn)生不確定影響,兩種方法都有一定的滯后性,不能第一時間消除積雪,所以均不適用于船用甲板踏步(圖1)。因此,本文介紹了一種基于電伴熱的融雪化冰系統(tǒng)。

圖1踏步融雪模型熱量示意圖

1融雪過程主要熱量計算

(1)溫度為7s雪化成7a冰后,升到預(yù)定溫度所需要的熱量為顯熱Os:

式中,pwater為水的密度,pwater=1x103kg/m3:CP.ice為冰的比熱容,CP.ice=2.1J/(kg·℃):CP.water為水的比熱容:CP.water=4.2J/(kg·℃):s為降雪速率(mm/h):C為系數(shù),取3.6×106:7f為液體溫度(℃):7s為融化溫度(℃):7a為環(huán)境溫度(℃)。

(2)0℃以下的冰到0℃水所需要的熱量為潛熱Om:

式中,Hif為冰溶解熱,Hif=3.34×105J/kg。

(3)甲板踏步積雪對外界蒸發(fā)產(chǎn)生的熱量Oe:

式中,paryair為干燥空氣密度(kg/m3):Hm為質(zhì)量傳遞系數(shù)(m/s):wf為薄膜周圍相對濕度:wa為空氣相對濕度:Hfg為蒸發(fā)熱(J/kg)。

式中,Pr為普朗特數(shù),取0.7:sc為施密特數(shù),取0.6:Hc為對流傳熱系數(shù)[w/(m2·K)]。

(4)雪化水后高低溫之間對流產(chǎn)生的對流熱量Oc:

式中,Hc為對流傳熱系數(shù)[w/(m2·K)]。

式中,Kair為空氣導(dǎo)熱系數(shù)[w/(m·K)]:L為方向特征長度:Re1為雷諾系數(shù)。

式中,v為設(shè)計風(fēng)速(km/h):C2為轉(zhuǎn)換系數(shù),取0.278:vair為空氣運動滯留系數(shù),取14.8×10-6。

(5)水對環(huán)境輻射的熱量Or:

式中,7f為液體溫度(℃):7MR為平均環(huán)境輻射溫度(℃):g為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù),g=5.670×10-8w/(m2·K4):s為地面輻射率。

綜上,融雪過程中的熱量為上述五種熱量之和:

2電伴熱系統(tǒng)組成

電伴熱系統(tǒng)由兩大核心元器件組成:伴熱帶和溫控器。伴熱系統(tǒng)的組成是一種系統(tǒng)工程的搭建,不僅是完成對設(shè)備熱通量的計算,同時需考慮系統(tǒng)前期投入、運營、能耗、可靠性以及溫控系統(tǒng)/伴熱帶安裝、保溫施工等全方面的因素。

2.1電伴熱帶

市面上的伴熱帶基本為兩種形式,一種是自限溫伴熱帶,另一種是恒功率伴熱帶(圖2)。

圖2電伴熱系統(tǒng)的兩種形式

自限溫伴熱帶是一種并行結(jié)構(gòu)的柔性伴熱帶,其輸出功率可根據(jù)伴熱物體表面溫度自行調(diào)節(jié),無需額外安裝溫限器,可交叉鋪設(shè),具有節(jié)能特性,由于它并聯(lián)的特性,自限溫伴熱帶可現(xiàn)場任意裁剪,且不會影響單位長度上的功率輸出,便于安裝:而恒功率伴熱帶是一種串聯(lián)電阻式的伴熱帶,其輸出功率恒定,不受伴熱物體表面溫度影響,伴熱帶耐受溫度高,如有溫度限制要求,需額外加裝溫控器,且禁止伴熱帶重疊,由于其串聯(lián)的特性,一旦改變設(shè)定長度,就會影響單位長度的功率輸出,所以現(xiàn)場嚴(yán)禁裁剪。

理論上只要兩種形式的伴熱帶滿足融雪熱通量計算值,均可用于甲板踏步模塊的伴熱,但是根據(jù)現(xiàn)場實際工況,建議選擇自限溫伴熱帶進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計,原因如下:

(1）船用甲板踏步多為模塊化產(chǎn)品,現(xiàn)場需要多個模塊拼接,才能組成一個完整的通道,所以需要根據(jù)模塊實際的大小及計算熱通量,調(diào)整現(xiàn)場伴熱帶的使用量,對伴熱帶安裝的機(jī)動性有一定的要求。

(2）船用電伴熱系統(tǒng),一旦入冰區(qū),會存在長時間運行的情況。自限溫系統(tǒng)即使溫控器失效伴熱帶也能持續(xù)運行,當(dāng)甲板踏步溫度過高,會自動調(diào)節(jié)功率輸出,防止局部超溫:而恒功率系統(tǒng)由于輸出功率恒定,當(dāng)溫控器失效時,如無法切斷系統(tǒng)控制,會出現(xiàn)持續(xù)加熱的情況,一方面相對自限溫系統(tǒng)會產(chǎn)生較多的能量損失,另一方面會影響伴熱系統(tǒng)的使用進(jìn)而產(chǎn)生安全隱患。

2.2溫控系統(tǒng)

常規(guī)的溫度控制方式有兩種:

(1）防凍控制:用環(huán)境溫控器(圖3）來監(jiān)測環(huán)境溫度,通過控制主接觸器來啟停系統(tǒng),一旦監(jiān)測的環(huán)境溫度低于設(shè)定值,伴熱系統(tǒng)啟動,反之則停止。一般用于對控溫及限溫精度要求不高的場所。

(2）工藝維持控制:每個電氣回路用獨立電子式溫控器(圖3）監(jiān)測設(shè)備的運行溫度,通過控制獨立的接觸器來啟停該回路,當(dāng)監(jiān)測溫度低于設(shè)定值,該電氣回路啟動,反之則停止。該控制方式的優(yōu)點是控制溫度準(zhǔn)確,缺點是使用溫控器的數(shù)量較多,前期投入較大。

船用甲板踏步主要是用于融雪除冰,對踏步的溫度沒有控制要求,且一般船用踏步模塊的面積較小,使用數(shù)量較多,單獨為每一塊踏步模塊配置溫控器沒有太多的監(jiān)測意義,綜合考慮先期的投入成本,采用防凍控制方式更適合融雪除冰的需求。

3伴熱帶在踏步上的安裝

通過上述融雪公式計算出每塊踏步需要的功率QT,再根據(jù)自限溫伴熱帶的功率P,可以算出每塊踏步模塊所需要的長度。結(jié)合現(xiàn)場接線盒的位置、踏步所在甲板的區(qū)域環(huán)境,可適當(dāng)增加一定的伴熱安裝余量。為保證整個踏步模塊受熱均勻,建議將計算好長度的電伴熱帶按"S"型等間距鋪設(shè)在踏步上,如果工藝允許,可在伴熱帶下方鋪設(shè)一定厚度的絕緣材料,能更好地增加伴熱帶的融雪效果。現(xiàn)場踏步模塊與模塊之間可通過接線盒進(jìn)行連接(圖4）。

4冰區(qū)船用伴熱系統(tǒng)展望

在今后的發(fā)展中,冰區(qū)船的使用會逐漸增加,可以預(yù)見在將來會有更多種類的設(shè)備應(yīng)用于冰區(qū)船中,不只限于船用甲板踏步。另外,冰區(qū)電伴熱系統(tǒng)也將日漸完善,形式也不再單一,可向如下幾個方向進(jìn)行擴(kuò)展。(1）完善冰區(qū)船的控制系統(tǒng),通過各電氣回路的電流、漏電流及電壓監(jiān)測,提前對可能出現(xiàn)的故障伴熱回路進(jìn)行報警并加以預(yù)防。(2）網(wǎng)絡(luò)化。電伴熱系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化功能,可將現(xiàn)場伴熱設(shè)備狀況集成為監(jiān)控平面布置圖,以直觀掌握設(shè)備運行狀況及冰雪覆蓋率。(3）模塊化?？杉砂闊嵯到y(tǒng),使其模塊化,現(xiàn)場可快速安裝,如設(shè)備保溫夾套模塊、踏步快速連接裝置模塊、樓梯保溫伴熱的集成模塊。(4）民商用化。電伴熱系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,對于民用需求也能給予一定響應(yīng),如冰區(qū)豪華游輪,可通過使用電伴熱系統(tǒng)對室內(nèi)的地板、衛(wèi)生間、衣柜進(jìn)行伴熱,達(dá)到相應(yīng)的加熱和除濕效果。