鐘東階 , 蔣國(guó)璋, 李克華
(1 武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院, 湖北 武漢 430081; 2 長(zhǎng)委長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 湖北 武漢 430060)
在我國(guó)冬季嚴(yán)寒地區(qū),由于氣溫低(表1),輸水渠及河流經(jīng)常會(huì)結(jié)冰,冰情特征呈現(xiàn)出冰花、流冰、冰塞、冰壩等現(xiàn)象.在溫度很低時(shí),主要輸水建筑物如節(jié)制閘、控制閘、退水閘、分水閘和泵站等的閘門埋件與閘門止水橡皮容易凍結(jié)在一起,一旦閘門啟閉,止水橡皮即有可能被撕裂破壞,因此對(duì)于需要在冰凍期運(yùn)行和操作的閘門應(yīng)采取保溫加熱措施,以防止閘門止水橡皮與門槽埋件凍結(jié).
表1 部分寒冷地區(qū)氣溫特征
目前,在我國(guó)冰期輸水仍沒(méi)有成功和成熟的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn).結(jié)合國(guó)內(nèi)外的一些閘門防冰凍的技術(shù),筆者總結(jié)了防止閘門與埋件被冰凍結(jié)在一起的加熱方法:熱空氣法、熱水法、熱油法和熱管直接加熱法[1-3].表2就是對(duì)這幾種方法進(jìn)行比較.
采用熱空氣法、熱水法及熱油法,其能耗比較大,而且投資大,使用壽命短,通過(guò)上述方法比較,決定采用直接加熱法,即利用納米瓷管電加熱器和超導(dǎo)液體傳熱介質(zhì)直接加熱門槽防止閘門止水橡皮與埋件凍結(jié)在一起.
針對(duì)直接加熱法,將需要加熱的閘門門槽埋件設(shè)計(jì)成空腔,把加熱裝置布置于空腔中,通過(guò)控制系統(tǒng),使附著在埋件和水封上的冰融化,確保閘門冰期操作時(shí)水封不被破壞.整個(gè)加熱系統(tǒng)由加熱裝置(電加熱器、溫度傳感器)、控制系統(tǒng)和超導(dǎo)液體介質(zhì)等組成.電加熱器采用PTC陶瓷電加熱器(MCH),使用壽命為電阻絲的5~10倍.
傳熱液體介質(zhì):采用超導(dǎo)液體,其導(dǎo)熱系數(shù)是銅的100~1 000倍.
保溫材料:采用納米多孔氣凝膠隔熱保溫材料,這種材料在納米尺度下的氣孔比空氣中的分子平均自由程還要小,是目前世界上熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料.在厚度很薄的情況下,就能實(shí)現(xiàn)隔熱保溫.它無(wú)毒、無(wú)腐蝕,對(duì)水和環(huán)境無(wú)污染.
表2 閘門門槽加熱方法比較
熱敏電阻陶瓷的電阻隨溫度的變化呈正溫度系數(shù)的特性,是一種新型電加熱元件,具有以下一些特點(diǎn):
1)電阻-溫度特性熱敏電阻陶瓷材料依環(huán)境溫度的變化自動(dòng)控溫,達(dá)到自動(dòng)恒溫的效果,可以節(jié)約大量能源.
2)自動(dòng)控溫的特殊功能 當(dāng)PTC元件施加電壓升溫時(shí),在居里點(diǎn)溫度以下,電阻率很低;一旦超越居里點(diǎn)溫度,電阻急劇增大10~108倍,使其電流下降至穩(wěn)定值,達(dá)到自動(dòng)控制溫度、恒溫目的(圖1).
圖 1 PTC電阻-溫度特性
3)無(wú)明火、無(wú)氧耗、不燃燒、安全可靠.PTC元件發(fā)熱時(shí)不燃燒.元件周圍溫度超越限值時(shí),其功率下降至平衡值,不會(huì)產(chǎn)生燃燒危險(xiǎn).
4)節(jié)約能源 PTC元件具有很高的電熱轉(zhuǎn)化效率,可以大大節(jié)約能源.
5)壽命長(zhǎng) PTC元件本身為氧化物,壽命長(zhǎng),無(wú)鎳鉻絲之高溫氧化斷路的弊端,也沒(méi)有紅外線管的易碎現(xiàn)象.
熱管技術(shù)利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì),透過(guò)熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外,其導(dǎo)熱能力超過(guò)任何已知金屬(圖2).
圖 2 熱管熱傳導(dǎo)原理
由于閘門尺寸較大,且環(huán)境溫度最低在-27℃以下,在一般的條件下是不可能進(jìn)行試驗(yàn)的.筆者基于相似理論,采用模型試驗(yàn)研究的方法,通過(guò)改變閘門門槽的一些重要特征參數(shù),制作一個(gè)模擬門槽熱管,采用先進(jìn)的加熱方法,通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)閘門防冰凍結(jié)構(gòu)的工作性能進(jìn)行試驗(yàn)研究.試驗(yàn)結(jié)果證明:
1)陶瓷管的電阻溫度特性、電流時(shí)間特性和超導(dǎo)液體的導(dǎo)熱速率及均勻性均符合要求;
2)低溫環(huán)境溫度下,將埋件加熱到一定溫度,采用超導(dǎo)液體為傳熱介質(zhì),負(fù)壓狀態(tài)下的能效比最高.
根據(jù)模型試驗(yàn)得出的相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)國(guó)內(nèi)的一個(gè)輸水工程的閘門采用熱管直接加熱法進(jìn)行防冰凍設(shè)計(jì),試驗(yàn)結(jié)果表明:防冰凍效果良好,工作可靠,有效防止了閘門止水橡皮與門槽埋件凍結(jié).與其它加熱方法相比具有明顯的優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性,它將成為今后水利水電工程防冰凍的發(fā)展趨勢(shì).
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