嚴(yán)寒地區(qū)閘門防冰凍技術(shù)研究

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

1 加熱方法比較

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．

2 熱管直接加熱法的防冰凍技術(shù)研究

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

2.1 熱敏電阻陶瓷電加熱器[4-7](PTC)

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．

2.2 真空超導(dǎo)技術(shù)(熱管技術(shù))

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

3 閘門防冰凍技術(shù)的模型試驗(yàn)研究[8]

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．

4 結(jié)語(yǔ)

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)．

[參考文獻(xiàn)]

[1] 范志國(guó). 南水北調(diào)中線京石段閘門設(shè)計(jì)探討[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù),2006(2)：25-26.

[2] 蔡建國(guó). 楊鐵榮. 水利水電工程鋼閘門防冰凍設(shè)計(jì)[J].海河水利, 2000(1):22-23.

[3] 李書民. 南水北調(diào)工程與淺層季節(jié)凍土區(qū)防冰凍研究[J].河北水利水電技術(shù),2002(2):37-38.

[4] 張巧勇. 動(dòng)力工程中熱管技術(shù)的應(yīng)用探討[J]. 科技資訊,2009(4):132.

[5] 廖輝明. 熱管預(yù)熱技術(shù)在高爐上的應(yīng)用[J]. 江西冶金,2001(4):51-52.

[6] 莊 駿，張 紅．熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社 ，2000：196-198.

[7] 唐志偉，俞昌銘，馬重芳．熱管性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則探討[J]．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，29(1)：55-56．

[8] 魏華梁,王肇敏,劉藻珍. 系統(tǒng)仿真置信度研究中的若干問(wèn)題與原則[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào) 2000(1):48-50.