浅析电伴热在船用踏步模块的融雪应用

引言

过去多年通往北极的航道一直布满浮冰,不得通行,多国探险家试图开通这一航道,但由于风险太大没有成功,随着近年来全球气候变暖,极地海域的冰层不断消融,通往冰区的航道逐渐映入眼帘,大量的冰区船也开始被投用。然而冰区气候条件极端恶劣,时常会出现降雪天气,不仅对船用设备的运行有着极高的要求,同时,如果不能及时处理好积雪,对人身安全也会造成一定的隐患。船上外部主要的人行区域在甲板面,由于露天,直接受天气影响,最容易产生积雪,随着堆积时间的推移,会形成危害更大的冰面,再加上船体本身会存在一定的晃动,所以在这样的情况下,在积冰的踏步上行走,会增加人员意外伤害的可能。

解决这一问题的办法可适当参考陆地的融雪模型,陆地北方也会出现强降雪天气,导致大面积的道路积雪,情况与船用甲板有一定的相似性。我国现阶段有两种除雪方式:(1)人工清除法,通过人工或机械撒盐、热水:(2)化学融化法,使用融雪剂消融积雪。前者会消耗大量的人力,后者会对坏境及材质产生不确定影响,两种方法都有一定的滞后性,不能第一时间消除积雪,所以均不适用于船用甲板踏步(图1)。因此,本文介绍了一种基于电伴热的融雪化冰系统。

图1踏步融雪模型热量示意图

1融雪过程主要热量计算

(1)温度为7s雪化成7a冰后,升到预定温度所需要的热量为显热Os:

式中,pwater为水的密度,pwater=1x103kg/m3:CP.ice为冰的比热容,CP.ice=2.1J/(kg·℃):CP.water为水的比热容:CP.water=4.2J/(kg·℃):s为降雪速率(mm/h):C为系数,取3.6×106:7f为液体温度(℃):7s为融化温度(℃):7a为环境温度(℃)。

(2)0℃以下的冰到0℃水所需要的热量为潜热Om:

式中,Hif为冰溶解热,Hif=3.34×105J/kg。

(3)甲板踏步积雪对外界蒸发产生的热量Oe:

式中,paryair为干燥空气密度(kg/m3):Hm为质量传递系数(m/s):wf为薄膜周围相对湿度:wa为空气相对湿度:Hfg为蒸发热(J/kg)。

式中,Pr为普朗特数,取0.7:sc为施密特数,取0.6:Hc为对流传热系数[w/(m2·K)]。

(4)雪化水后高低温之间对流产生的对流热量Oc:

式中,Hc为对流传热系数[w/(m2·K)]。

式中,Kair为空气导热系数[w/(m·K)]:L为方向特征长度:Re1为雷诺系数。

式中,v为设计风速(km/h):C2为转换系数,取0.278:vair为空气运动滞留系数,取14.8×10-6。

(5)水对环境辐射的热量Or:

式中,7f为液体温度(℃):7MR为平均环境辐射温度(℃):g为斯蒂芬玻尔兹曼常数,g=5.670×10-8w/(m2·K4):s为地面辐射率。

综上,融雪过程中的热量为上述五种热量之和:

2电伴热系统组成

电伴热系统由两大核心元器件组成:伴热带和温控器。伴热系统的组成是一种系统工程的搭建,不仅是完成对设备热通量的计算,同时需考虑系统前期投入、运营、能耗、可靠性以及温控系统/伴热带安装、保温施工等全方面的因素。

2.1电伴热带

市面上的伴热带基本为两种形式,一种是自限温伴热带,另一种是恒功率伴热带(图2)。

图2电伴热系统的两种形式

自限温伴热带是一种并行结构的柔性伴热带,其输出功率可根据伴热物体表面温度自行调节,无需额外安装温限器,可交叉铺设,具有节能特性,由于它并联的特性,自限温伴热带可现场任意裁剪,且不会影响单位长度上的功率输出,便于安装:而恒功率伴热带是一种串联电阻式的伴热带,其输出功率恒定,不受伴热物体表面温度影响,伴热带耐受温度高,如有温度限制要求,需额外加装温控器,且禁止伴热带重叠,由于其串联的特性,一旦改变设定长度,就会影响单位长度的功率输出,所以现场严禁裁剪。

理论上只要两种形式的伴热带满足融雪热通量计算值,均可用于甲板踏步模块的伴热,但是根据现场实际工况,建议选择自限温伴热带进行系统设计,原因如下:

(1）船用甲板踏步多为模块化产品,现场需要多个模块拼接,才能组成一个完整的通道,所以需要根据模块实际的大小及计算热通量,调整现场伴热带的使用量,对伴热带安装的机动性有一定的要求。

(2）船用电伴热系统,一旦入冰区,会存在长时间运行的情况。自限温系统即使温控器失效伴热带也能持续运行,当甲板踏步温度过高,会自动调节功率输出,防止局部超温:而恒功率系统由于输出功率恒定,当温控器失效时,如无法切断系统控制,会出现持续加热的情况,一方面相对自限温系统会产生较多的能量损失,另一方面会影响伴热系统的使用进而产生安全隐患。

2.2温控系统

常规的温度控制方式有两种:

(1）防冻控制:用环境温控器(图3）来监测环境温度,通过控制主接触器来启停系统,一旦监测的环境温度低于设定值,伴热系统启动,反之则停止。一般用于对控温及限温精度要求不高的场所。

(2）工艺维持控制:每个电气回路用独立电子式温控器(图3）监测设备的运行温度,通过控制独立的接触器来启停该回路,当监测温度低于设定值,该电气回路启动,反之则停止。该控制方式的优点是控制温度准确,缺点是使用温控器的数量较多,前期投入较大。

船用甲板踏步主要是用于融雪除冰,对踏步的温度没有控制要求,且一般船用踏步模块的面积较小,使用数量较多,单独为每一块踏步模块配置温控器没有太多的监测意义,综合考虑先期的投入成本,采用防冻控制方式更适合融雪除冰的需求。

3伴热带在踏步上的安装

通过上述融雪公式计算出每块踏步需要的功率QT,再根据自限温伴热带的功率P,可以算出每块踏步模块所需要的长度。结合现场接线盒的位置、踏步所在甲板的区域环境,可适当增加一定的伴热安装余量。为保证整个踏步模块受热均匀,建议将计算好长度的电伴热带按"S"型等间距铺设在踏步上,如果工艺允许,可在伴热带下方铺设一定厚度的绝缘材料,能更好地增加伴热带的融雪效果。现场踏步模块与模块之间可通过接线盒进行连接(图4）。

4冰区船用伴热系统展望

在今后的发展中,冰区船的使用会逐渐增加,可以预见在将来会有更多种类的设备应用于冰区船中,不只限于船用甲板踏步。另外,冰区电伴热系统也将日渐完善,形式也不再单一,可向如下几个方向进行扩展。(1）完善冰区船的控制系统,通过各电气回路的电流、漏电流及电压监测,提前对可能出现的故障伴热回路进行报警并加以预防。(2）网络化。电伴热系统具有网络化功能,可将现场伴热设备状况集成为监控平面布置图,以直观掌握设备运行状况及冰雪覆盖率。(3）模块化。可集成伴热系统,使其模块化,现场可快速安装,如设备保温夹套模块、踏步快速连接装置模块、楼梯保温伴热的集成模块。(4）民商用化。电伴热系统不仅可应用于工业领域,对于民用需求也能给予一定响应,如冰区豪华游轮,可通过使用电伴热系统对室内的地板、卫生间、衣柜进行伴热,达到相应的加热和除湿效果。