發布日期：2022-04-20 點擊率：73
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,通往冰區的航道逐漸映入眼簾,大量的冰區船也開始被投用。然而冰區氣候條件極端惡劣,時常會出現降雪天氣,不僅對船用設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域在甲板面,由于露天,直接受天氣影響,最容易產生積雪,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參考陸地的融雪模型,陸地北方也會出現強降雪天氣,導致大面積的道路積雪,情況與船用甲板有一定的相似性。我國現階段有兩種除雪方式:(1)人工清除法,通過人工或機械撒鹽、熱水:(2)化學融化法,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產生不確定影響,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。
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,取3.6×106:7f為液體溫度(℃):7s為融化溫度(℃):7a為環境溫度(℃)。
(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產生的熱量Oe:
式中,paryair為干燥空氣密度(kg/m3):Hm為質量傳遞系數(m/s):wf為薄膜周圍相對濕度:wa為空氣相對濕度:Hfg為蒸發熱(J/kg)。
式中,Pr為普朗特數,取0.7:sc為施密特數,取0.6:Hc為對流傳熱系數[w/(m2·K)]。
(4)雪化水后高低溫之間對流產生的對流熱量Oc:
式中,Hc為對流傳熱系數[w/(m2·K)]。
式中,Kair為空氣導熱系數[w/(m·K)]:L為方向特征長度:Re1為雷諾系數。
式中,v為設計風速(km/h):C2為轉換系數,取0.278:vair為空氣運動滯留系數,取14.8×10-6。
(5)水對環境輻射的熱量Or:
式中,7f為液體溫度(℃):7MR為平均環境輻射溫度(℃):g為斯蒂芬玻爾茲曼常數,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電伴熱系統組成
電伴熱系統由兩大核心元器件組成:伴熱帶和溫控器。伴熱系統的組成是一種系統工程的搭建,不僅是完成對設備熱通量的計算,同時需考慮系統前期投入、運營、能耗、可靠性以及溫控系統/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電伴熱系統的兩種形式
自限溫伴熱帶是一種并行結構的柔性伴熱帶,其輸出功率可根據伴熱物體表面溫度自行調節,無需額外安裝溫限器,可交叉鋪設,具有節能特性,由于它并聯的特性,自限溫伴熱帶可現場任意裁剪,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,由于其串聯的特性,一旦改變設定長度,就會影響單位長度的功率輸出,所以現場嚴禁裁剪。
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,但是根據現場實際工況,建議選擇自限溫伴熱帶進行系統設計,原因如下:
(1）船用甲板踏步多為模塊化產品,現場需要多個模塊拼接,才能組成一個完整的通道,所以需要根據模塊實際的大小及計算熱通量,調整現場伴熱帶的使用量,對伴熱帶安裝的機動性有一定的要求。
(2）船用電伴熱系統,一旦入冰區,會存在長時間運行的情況。自限溫系統即使溫控器失效伴熱帶也能持續運行,當甲板踏步溫度過高,會自動調節功率輸出,防止局部超溫:而恒功率系統由于輸出功率恒定,當溫控器失效時,如無法切斷系統控制,會出現持續加熱的情況,一方面相對自限溫系統會產生較多的能量損失,另一方面會影響伴熱系統的使用進而產生安全隱患。
2.2溫控系統
常規的溫度控制方式有兩種:
(1）防凍控制:用環境溫控器(圖3）來監測環境溫度,通過控制主接觸器來啟停系統,一旦監測的環境溫度低于設定值,伴熱系統啟動,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）監測設備的運行溫度,通過控制獨立的接觸器來啟停該回路,當監測溫度低于設定值,該電氣回路啟動,反之則停止。該控制方式的優點是控制溫度準確,缺點是使用溫控器的數量較多,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,使用數量較多,單獨為每一塊踏步模塊配置溫控器沒有太多的監測意義,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。結合現場接線盒的位置、踏步所在甲板的區域環境,可適當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"型等間距鋪設在踏步上,如果工藝允許,可在伴熱帶下方鋪設一定厚度的絕緣材料,能更好地增加伴熱帶的融雪效果。現場踏步模塊與模塊之間可通過接線盒進行連接(圖4）。
4冰區船用伴熱系統展望
在今后的發展中,冰區船的使用會逐漸增加,可以預見在將來會有更多種類的設備應用于冰區船中,不只限于船用甲板踏步。另外,冰區電伴熱系統也將日漸完善,形式也不再單一,可向如下幾個方向進行擴展。(1）完善冰區船的控制系統,通過各電氣回路的電流、漏電流及電壓監測,提前對可能出現的故障伴熱回路進行報警并加以預防。(2）網絡化。電伴熱系統具有網絡化功能,可將現場伴熱設備狀況集成為監控平面布置圖,以直觀掌握設備運行狀況及冰雪覆蓋率。(3）模塊化。可集成伴熱系統,使其模塊化,現場可快速安裝,如設備保溫夾套模塊、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。電伴熱系統不僅可應用于工業領域,對于民用需求也能給予一定響應,如冰區豪華游輪,可通過使用電伴熱系統對室內的地板、衛生間、衣柜進行伴熱,達到相應的加熱和除濕效果。
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