船舶防凍除冰技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

陸　煊，崔　玫，曹洪波，宋　劭

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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船舶防凍除冰技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

陸煊，崔玫，曹洪波，宋劭

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：介紹船舶領(lǐng)域傳統(tǒng)防凍除冰的技術(shù)，以及新型除冰防冰技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，探討船舶防凍除冰技術(shù)的發(fā)展前景和方向。

關(guān)鍵詞：船舶；防凍；除冰

在寒冷的氣候條件下，船舶露天表面容易結(jié)冰，尤其是駕駛室舷窗、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口、艙口蓋、天線(xiàn)等部位，若出現(xiàn)結(jié)冰，較為危險(xiǎn)。一直以來(lái)，船舶的防凍和除冰是亟待解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外已應(yīng)用和正在研究的除冰技術(shù)有40余種[1]，而在船舶領(lǐng)域中，特別是國(guó)內(nèi)，由于空間、能耗等多方面制約，加之國(guó)內(nèi)鮮有船舶在寒冷海域航行，可應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的除冰技術(shù)較少。但隨著我國(guó)造船、航運(yùn)、科考，以及軍事等領(lǐng)域的發(fā)展，具備防凍除冰措施的船舶將越來(lái)越多。

1傳統(tǒng)防冰除冰技術(shù)

1.1熱力融冰法

熱力融冰是最早使用的，同時(shí)也是世界公認(rèn)的最有效的除冰技術(shù)，其原理是焦耳原理[2]，已經(jīng)發(fā)展出過(guò)電流密度法、電磁波法微波法和激光法等多種技術(shù)，這些技術(shù)多適用于輸電線(xiàn)、公路及航空航天等領(lǐng)域，用于船舶領(lǐng)域的以電加熱和氣加熱為主。電加熱是指船舶發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量通過(guò)船用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電加熱設(shè)備轉(zhuǎn)化為熱能，從而進(jìn)行融冰除冰。氣加熱則是指將船舶設(shè)備產(chǎn)生的熱氣通過(guò)特殊的引氣裝置引至船舶易結(jié)冰的位置，通過(guò)熱氣流吹除進(jìn)行融冰除冰。

電加熱主要用于對(duì)局部重要設(shè)備進(jìn)行加熱，在易結(jié)冰的關(guān)鍵部位上安裝專(zhuān)門(mén)的電加熱器件，通過(guò)把電能轉(zhuǎn)換為熱能對(duì)部件表面進(jìn)行加熱除冰，保證關(guān)鍵部位的設(shè)備能夠正常工作。如船舶上的各種天線(xiàn)，為了保證其正常的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸，在天線(xiàn)的通信電路回路之外增加一個(gè)獨(dú)立的電加熱回路，達(dá)到融化天線(xiàn)上冰雪目的。為了防止駕駛艙舷窗外的水汽凝結(jié)成白色晶體，影響駕駛員視線(xiàn)，在前視窗玻璃內(nèi)部會(huì)敷設(shè)極細(xì)的電阻絲，對(duì)玻璃進(jìn)行加熱，再輔以高壓力的凈水，用雨刮來(lái)沖洗和刮除舷窗上的冰晶。

氣加熱由于使用的是現(xiàn)成的熱氣源，最好在設(shè)計(jì)初期就予以考慮，后期改裝難度較大。氣加熱最典型的應(yīng)用是對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口進(jìn)行加熱除冰，對(duì)于采用燃?xì)廨啓C(jī)的船舶，由于燃?xì)廨啓C(jī)工作需要大量的空氣，因此動(dòng)力艙進(jìn)氣口空氣流速很快，使進(jìn)氣口附近溫度急劇降低，使海面空氣中的大量水汽凝結(jié)成冰，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)附著在發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉和進(jìn)氣道內(nèi)，阻塞進(jìn)氣，影響燃?xì)廨啓C(jī)正常工作。所以一般會(huì)在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口設(shè)置傳感器，一旦發(fā)現(xiàn)結(jié)冰會(huì)馬上報(bào)警，然后采用從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣加熱的辦法，吹除溶解后的凝水。

電加熱由于需要消耗大量的能量，除冰成本較高，一般用于對(duì)局部重要設(shè)備進(jìn)行加熱。氣加熱由于船體結(jié)構(gòu)等因素的限制，考慮到空間、資源的成本，一般用于特定大面積部位的除冰。熱力融冰法是通過(guò)加熱的方法進(jìn)行融冰，所以融冰較慢，設(shè)備往往需要在產(chǎn)生薄冰之前，即結(jié)冰前期就進(jìn)行工作，同時(shí)也要配有相應(yīng)的排凝水措施，防止冰融化后再次凝結(jié)。

1.2機(jī)械破冰法

機(jī)械破冰法是指通過(guò)各種機(jī)械使冰內(nèi)部產(chǎn)生破壞應(yīng)力，從而使冰從船體表面脫離的物理除冰方法。距統(tǒng)計(jì)，機(jī)械破冰法普遍比熱力融冰法能耗要低100多倍，但這種方法需要安裝相應(yīng)的機(jī)械部件，并滿(mǎn)足其安裝使用的資源需求。

目前在船舶上甲板等區(qū)域的除冰主要以機(jī)械除冰法為主，因?yàn)榧装逦恢幂^低，且排水口和疏水管道易結(jié)冰堵塞，采用熱力融冰法融化的冰水無(wú)法有效的排出，容易再次結(jié)冰，因此現(xiàn)有的電加熱除冰裝置并不能有效地適用于甲板區(qū)域的除冰。機(jī)械除冰法中，由于電斥分離系統(tǒng)(EESS)生產(chǎn)和改裝方便且能耗低、效率高，已經(jīng)成功應(yīng)用于一些飛機(jī)和船舶上。EESS在船舶領(lǐng)域主要用來(lái)對(duì)艙口蓋進(jìn)行除冰，其已經(jīng)成功應(yīng)用在了美國(guó)MK41新型垂直發(fā)射裝置上，取得了良好的效果。EESS的導(dǎo)電構(gòu)件形狀見(jiàn)圖1。

圖1　EESS導(dǎo)電構(gòu)件的形狀

電流從串聯(lián)的U形條的一臂流入，從另一臂流出。當(dāng)電容向U形條快速放電時(shí)，兩臂中的電流瞬間產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)，使原本相互接近的U形條兩臂迅速分開(kāi)，嵌入除冰帶內(nèi)進(jìn)行除冰。相斥的脈沖力使厚度為0.50 mm的彈性帶保護(hù)套可迅速膨脹到2.25 mm，厚度增加5.5倍，然后可在小于1 ms的時(shí)間內(nèi)很快恢復(fù)到初始狀態(tài)。EESS與目前現(xiàn)有電加熱系統(tǒng)相比，能耗是其千分之一，重量是其1/10[3]。這種系統(tǒng)可在小于1 ms內(nèi)推斥25 mm厚的冰層，并且易于根據(jù)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加改裝[4]。

1.3自然被動(dòng)法

自然被動(dòng)法是指依自然力如風(fēng)、引力、光散射和溫度變化等被動(dòng)地進(jìn)行除冰。這種方法無(wú)需提供能量，但是效果也較為有限。在所有的被動(dòng)方法中，憎水性和憎冰性固體涂料在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的較為廣泛，通過(guò)其材料特殊的物理化學(xué)性能，阻止冰的凝結(jié)和附著。但是由于船舶惡劣環(huán)境因素的影響，這些涂料隨著時(shí)間的推移會(huì)老化脫落，需要通過(guò)人力、物力進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)來(lái)保證其性能，而且這些涂料雖然有一定效用，但是并不能完全阻止冰的形成，因此自然被動(dòng)除冰法只能是作為船舶除冰的輔助方法，與其他的除冰技術(shù)結(jié)合使用。

1.4其他方法

除了以上防除冰方法外，還有布撒防凍劑、用鏟子除冰等人力方法。防凍劑的原理是通過(guò)降低冰點(diǎn)來(lái)加速積雪的融化，優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單且工作量較小，是之前廣泛采用的除冰方法。目前防凍劑分為兩種，一種是鹽類(lèi)融雪劑，一種是環(huán)保型融雪劑，價(jià)格便宜[5]，但是無(wú)論是哪一種對(duì)甲板、船體、涂料等腐蝕極強(qiáng)。而直接人力鏟冰的方法由于十分危險(xiǎn)，人員在冰面上容易滑落。目前這種依靠人力或者對(duì)環(huán)境有腐蝕污染的方法基本上已經(jīng)不再使用。

2新型防冰除冰技術(shù)

近年來(lái)，隨著科技和除冰理念的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的可用于船舶的防冰技術(shù)，這些技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，沒(méi)有正式投入使用

2.1納米超憎水涂層

近幾年，納米技術(shù)迅猛發(fā)展，科學(xué)家把納米技術(shù)應(yīng)用到了防冰涂料中。一些納米材料與樹(shù)脂經(jīng)過(guò)復(fù)合處理后，其表面表現(xiàn)出同時(shí)存在超強(qiáng)的疏水、疏油特性，這種特殊的物理化學(xué)特性會(huì)使結(jié)冰位置的液滴自然滾落而被拋離。這種基于納米技術(shù)的超憎水涂層，可使防結(jié)冰效率提高20倍，使水的冰點(diǎn)大大降低，能有效阻止表面結(jié)冰。

2.2記憶合金技術(shù)

隨著記憶合金技術(shù)的成熟，美國(guó)威奇托州立大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種形狀記憶合金制造的除冰系統(tǒng)——將一種鎳鈦合金絲嵌入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，結(jié)構(gòu)未一半圓筒殼向內(nèi)變形，前緣表面產(chǎn)生變形而除冰。當(dāng)電流切斷時(shí)，合金絲冷卻不再產(chǎn)生壓應(yīng)變，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重新回到原狀。這種記憶和靜可應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)射筒和船舶管路上，但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性和工藝原因，在船舶上真正投入使用還有很長(zhǎng)的路要走。

2.3微波加熱除冰

微波加熱技術(shù)是近期出現(xiàn)的防冰除冰技術(shù)，其原理是通過(guò)微波作用，使材料中的雜亂熱運(yùn)動(dòng)特定分子隨著高頻場(chǎng)的作用快速震動(dòng)，從而產(chǎn)生熱能升高溫度。由于冰層內(nèi)分子不吸收微波，微波穿過(guò)冰層，作用到船舶表面的材料，材料吸收微波后溫度升高，融化與船體結(jié)合處的冰層，再結(jié)合機(jī)械破冰法或者人力進(jìn)行除冰[6]。這種方法對(duì)厚冰尤其有效，而且兼具節(jié)能、加熱均勻、快速、加熱設(shè)備體積小及便于控制的優(yōu)勢(shì)，在船舶領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

2.4氣流牽引式循環(huán)升溫防凍技術(shù)

氣流牽引式循環(huán)升溫防凍的技術(shù)基于氣象學(xué)基礎(chǔ)而提出的[7]。由于存在海氣耦合現(xiàn)象，上方低溫氣團(tuán)因密度較大在重力作用下緩慢下降，當(dāng)其降到海平面與海水進(jìn)行感熱潛熱動(dòng)量和水汽等交換，隨著溫度上升而作上升運(yùn)動(dòng)，在達(dá)到一定高度時(shí)又因逐漸冷卻而下降，如此往復(fù)。

而當(dāng)海面存在船舶時(shí)，甲板上方的氣體下沉?xí)r因有船舶的阻隔而無(wú)法到達(dá)海面進(jìn)行熱量交換。而船舶甲板表面溫度就因?yàn)榈蜏貧怏w的聚集而不斷降低，當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)以下時(shí)，艦船甲板就十分容易結(jié)冰。

圖2　艦船甲板平臺(tái)區(qū)域升溫防凍原理示意

氣流牽引式循環(huán)升溫防凍技術(shù)工作原理是啟動(dòng)氣體牽引相關(guān)設(shè)備將氣體吹送到甲板平臺(tái)區(qū)域，使原先在甲板上聚集的低溫氣體落入海面，導(dǎo)致甲板平臺(tái)區(qū)域表面壓強(qiáng)降低，從而使作上升運(yùn)動(dòng)的溫度較高的氣體被牽引回補(bǔ)到該區(qū)域，使該甲板的溫度上升，從而達(dá)到對(duì)甲板進(jìn)行升溫防凍和除冰等目的。

這種方法與采用憎水性和憎冰性固體涂料一樣，不能完全阻止冰的形成，可以作為輔助方法。

3結(jié)束語(yǔ)

隨著除冰技術(shù)的不斷發(fā)展，除冰理念慢慢從單一的除冰方法轉(zhuǎn)變?yōu)榉辣嘟Y(jié)合的方法。單一的傳統(tǒng)主動(dòng)除冰方法效果較為有限，被動(dòng)除冰法為輔，主動(dòng)除冰法為主的多種除冰方法相結(jié)合的新型除冰技術(shù)的研究將成為主流。特別是近幾年材料科學(xué)飛躍發(fā)展，出現(xiàn)了納米超憎水涂層、記憶合金技術(shù)等利用材料本身的特性進(jìn)行防冰除冰的技術(shù)，這種被動(dòng)除冰技術(shù)基本上無(wú)能量消耗或者能量消耗極小，特別適用于船舶這種資源有限的領(lǐng)域中。雖然這些方法十分先進(jìn)，但是距離實(shí)際應(yīng)用還有一段很長(zhǎng)的路要走，而研究高效率、高性能、低能耗、低風(fēng)險(xiǎn)而且設(shè)備體積小的除冰技術(shù)仍是今后工作的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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Present Situation and Development of De-icing and Prevent Frostbite Technology of Ships

LU Xuan, CUI Mei, CAO Hong-bo, SONG Shao

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The principle, advantages and disadvantages of the traditional prevent frostbite technology and the new technology of de-icing of the ship is introduced, and the development and prospect of the de-icing technology of the ships are discussed about.

Key words:ship; prevent frostbite; de-icing

中圖分類(lèi)號(hào)：U698.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0037-03

第一作者簡(jiǎn)介：陸煊(1985-)，男，碩士，工程師E-mail:5081484@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.011

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統(tǒng)