關(guān)于蒸汽式除雪車作業(yè)效率的關(guān)鍵影響因素研究

許紅飛 趙雪玲

河南森源重工有限公司 河南長葛 461500

1 前言

目前清除道路冰雪的方式主要有人工除雪、機(jī)械除雪、化學(xué)除雪和熱能除雪等[1-2]。

人工除雪勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低；而利用撒布化學(xué)藥劑促使積雪融化的方法對(duì)環(huán)境及路面易造成污染和腐蝕，僅適合一些特殊場合；機(jī)械設(shè)備清除積雪的方法應(yīng)用較為廣泛，其除雪效率高、成本低、無污染，但容易破壞路面，且無法徹底清除路面冰雪。熱能除雪是利用熱能將積雪融化，對(duì)路面沒有污染，是各種除雪方法中除雪最徹底的一種[3]。

蒸汽式除雪車是采用大量熱蒸汽將路面冰雪融化的一種新型除雪除冰裝備，其可將融化后的污水收集起來，防止路面二次結(jié)冰。尤其是壓實(shí)積雪路面及薄冰路面，目前其他除雪除冰裝備在這種路面上進(jìn)行除雪基本無效，而蒸汽式除雪車卻效果顯著。但影響蒸汽式除雪車作業(yè)效率的因素比較多，如路面積雪狀態(tài)、積雪厚度、車輛作業(yè)速度及蒸汽鍋爐蒸發(fā)量等。為了在實(shí)際應(yīng)用過程中更好地發(fā)揮蒸汽式除雪車的作用，有必要對(duì)影響蒸汽式除雪車除雪率、除冰率的主要因素進(jìn)行分析及試驗(yàn)研究。

在試驗(yàn)研究前，根據(jù)除雪車國家標(biāo)準(zhǔn)，首先明確除雪率和除冰率兩個(gè)概念。除雪率是指除雪車在規(guī)定的試驗(yàn)條件下所測得的被清除的路面積雪質(zhì)量與作業(yè)前路面積雪質(zhì)量之比。除冰率是指除雪車在規(guī)定的試驗(yàn)條件下所測得的融化冰層后露出路面的面積與作業(yè)前路面冰層面積之比[4]。

2 蒸汽式除雪車工作原理

蒸汽式除雪車結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由底盤、抽吸風(fēng)機(jī)、污水箱、清水箱、蒸汽鍋爐、蒸汽除雪裝置及吸污裝置等7部分組成。除雪車工作時(shí)，蒸汽除雪裝置和吸污裝置的連桿機(jī)構(gòu)被放下，使其緊貼路面，與路面形成封閉區(qū)域，清水箱中的水進(jìn)入蒸汽鍋爐中被加熱蒸發(fā)產(chǎn)生大量的高溫蒸汽，高溫蒸汽通過管道到達(dá)蒸汽除雪裝置，通過其底面的一排排噴射裝置將高溫蒸汽噴射到路面冰雪上，不斷噴射的高溫蒸汽將路面冰雪融化，融化后的水進(jìn)入吸污裝置的下方，在抽吸風(fēng)機(jī)的作用下，吸污裝置與路面組成的封閉區(qū)域形成負(fù)壓，融化后的污水通過吸污管道被吸到污水箱內(nèi)，保證路面不會(huì)因?yàn)楸┤诨纬啥谓Y(jié)冰，危害行車安全，可以徹底的除雪除冰。

圖1 蒸汽式除雪車

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)場及設(shè)備

試驗(yàn)場：中汽中心呼倫貝爾冬季汽車試驗(yàn)場。

試驗(yàn)設(shè)備：造雪機(jī)、灑水車（用于路面薄冰制備）、某品牌除雪車。

試驗(yàn)時(shí)間：2017年11月14日～12月5日。

試驗(yàn)場環(huán)境溫度：-30℃~-10℃。

測量工具：鋼尺、卷尺。

試驗(yàn)路面：柏油路面。

3.2 試驗(yàn)方案及過程

先由造雪機(jī)在柏油路面制備厚度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm的積雪，再由灑水車在柏油路面均勻?yàn)⑺Ｓ捎诃h(huán)境氣溫很低，水很快結(jié)冰形成薄冰路面，冰層厚度約為2 mm。蒸汽式除雪車每小時(shí)產(chǎn)生的熱蒸汽量分4個(gè)可調(diào)節(jié)檔位：1 t/h、2 t/h、3 t/h、4 t/h。蒸汽式除雪車作業(yè)時(shí)分別采用2.7 km/h、5 km/h、7.5 km/h、10 km/h四種作業(yè)速度。圖2所示為蒸汽式除雪車在冬季汽車試驗(yàn)場進(jìn)行試驗(yàn)的實(shí)際作業(yè)照片。

圖2 蒸汽式除雪車實(shí)際作業(yè)照片

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

蒸汽式除雪車除雪、除冰的過程實(shí)際是熱蒸汽與積雪或冰能量交換的過程，積雪或薄冰融化吸熱的過程可以分為兩個(gè)階段：一是由環(huán)境溫度（可取平均值-20℃）升溫至0℃階段，此階段需要吸收的熱量Q1可由公式(1)計(jì)算得到；二是0℃雪或冰相變成0℃水的階段，此階段需要吸收的熱量Q2可由公式(2)計(jì)算得到，Q1與Q2之和即為雪或冰融化所需要的熱量。

蒸汽式除雪車工作時(shí)產(chǎn)生的恒定壓力為1 MPa，183℃的飽和熱蒸汽釋放熱量的過程也可分為兩個(gè)階段：一是熱蒸汽由183℃降溫至0℃階段，此階段釋放的熱量也可由公式(1)計(jì)算得到，二是0℃水蒸汽相變成0℃水的階段，此階段釋放的熱量Q3可由公式(3)計(jì)算得到，故熱蒸汽釋放的熱量為Q1與Q3之和。

式中，Q1為吸收或釋放的熱量，kJ；c為物質(zhì)的比熱容，kJ/(kg℃)，雪和冰的比熱容一樣，為2.1 kJ /(kg℃)；1 MPa，183℃的飽和熱蒸汽，其定壓比熱容為2.64 kJ/(kg℃)；m為物質(zhì)的質(zhì)量，kg，已知粉雪和冰的密度分別為100 kg/m3、1000 kg/m3，雪或冰體積可由除雪車作業(yè)寬度、雪或冰厚度、作業(yè)長度求得；T1為物質(zhì)初始溫度，℃；T2為物質(zhì)終態(tài)溫度，℃。

式中，Q2為雪或冰相變成水吸收的熱量，kJ；Lm為物質(zhì)的相變熱，kJ/kg，可以認(rèn)為雪和冰的熔化熱一樣，為336 kJ/kg；m為物質(zhì)的質(zhì)量，kg，雪或冰質(zhì)量計(jì)算方法同公式(1)中m。

式中，Q3為水蒸氣相變成水釋放的熱量，kJ；ΔH為物質(zhì)的汽化熱，kJ/kg，水的汽化熱為2 501 kJ/kg；m為物質(zhì)的質(zhì)量，kg，蒸汽式除雪車產(chǎn)生水蒸氣的質(zhì)量可由鍋爐蒸發(fā)量、作業(yè)速度及作業(yè)長度求得。

3.3.1 積雪路面條件

3.3.1.1 積雪厚度對(duì)蒸汽式除雪車除雪率的影響

表1所示為一定鍋爐蒸發(fā)量和一定作業(yè)速度下，積雪厚度對(duì)蒸汽式除雪車除雪率的影響。由表1可以看出，對(duì)于未壓實(shí)積雪，當(dāng)蒸汽式除雪車鍋爐蒸發(fā)量為4 t/h，作業(yè)速度為2.7 km/h時(shí)，可以徹底清除10 mm及以下厚度的未壓實(shí)積雪，其除雪率為100%，隨著積雪厚度增加，除雪率降低，即除雪效果變差，對(duì)于40 mm以上的積雪，即使最大的鍋爐蒸發(fā)量和最小的作業(yè)速度也無法達(dá)到較好的效果，除雪率只有32%。

針對(duì)該試驗(yàn)條件，采用公式(1)和(2)計(jì)算可得，長度為100 m，寬度為2.2 m，厚度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm的積雪由-20℃融化成0℃的水至少需要的熱量分別為82 236 kJ、164 472 kJ、246 708 kJ、328 944 kJ；由公式(1)和(3)可以計(jì)算得到鍋爐蒸發(fā)量為4 t/h，作業(yè)速度為2.7 km/h時(shí)，作業(yè)100 m，蒸汽式除雪車產(chǎn)生的183℃的熱蒸汽轉(zhuǎn)化為0℃的水所提供的熱量為442 091 kJ，分別是四種厚度積雪融化所需能量的5.4倍、2.6倍、1.8倍、1.3倍。

單從能量角度分析，在理想的熱交換情況下，蒸汽式除雪車在該作業(yè)參數(shù)下提供的熱量足以融化40 mm厚的積雪，但實(shí)際作業(yè)過程中，產(chǎn)生的熱蒸汽不可避免地會(huì)外溢與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，造成熱量損失，另外熱蒸汽噴射到較厚積雪上時(shí)，積雪是一層一層被融化的，表層積雪融化成水后覆蓋在積雪上，融化的水一方面繼續(xù)吸收熱蒸汽的能量使其溫度升高，另一方面在熱蒸汽與下層積雪之間形成阻礙，不利于熱蒸汽繼續(xù)融化底層積雪。因此，當(dāng)積雪厚度小于20 mm時(shí)，由于熱蒸汽提供的熱量遠(yuǎn)大于積雪融化所需熱量，即使有熱量損失，熱蒸汽也能將積雪全部融化，達(dá)到清除積雪的目的；當(dāng)積雪厚度大于20 mm時(shí)，由于積雪融化所需熱量較多，除去熱量損失及表層融化雪水的阻礙作用，剩余熱量不足以將底層積雪全部融化，從而導(dǎo)致除雪率降低。

由此試驗(yàn)結(jié)果及分析可以得出結(jié)論：蒸汽式除雪車主要用于20 mm以下未壓實(shí)積雪的除雪作業(yè)，對(duì)于20 mm以上的積雪，可以通過多次作業(yè)或者與其他除雪裝備聯(lián)合作業(yè)達(dá)到徹底清除積雪的目的。

表1 積雪厚度對(duì)蒸汽式除雪車除雪率的影響

3.3.1.2 作業(yè)速度對(duì)蒸汽式除雪車除雪率的影響

表2所示為積雪厚度一定，鍋爐蒸發(fā)量一定時(shí)，作業(yè)速度對(duì)蒸汽式除雪車除雪率的影響。由表2可以看出，積雪厚度一定，鍋爐蒸發(fā)量一定時(shí)，隨著作業(yè)速度的增加，除雪率逐漸降低，當(dāng)作業(yè)速度大于7.5 km/h，除雪率明顯降低，除雪效果較差。由前面計(jì)算結(jié)果可知，長度為100 m，寬度為2.2 m，厚度為10 mm的積雪由-20℃融化成0℃的水至少需要的熱量為82 236 kJ，由公式(1)和(3)可以計(jì)算得到，蒸汽式除雪車在鍋爐蒸發(fā)量為4 t/h，作業(yè)速度分別為2.7 km/h、5 km/h、7.5 km/h、10 km/h時(shí)，作業(yè)100 m產(chǎn)生的183℃的熱蒸汽轉(zhuǎn)化為0℃的水所提供的熱量分別為442 091 kJ、238 730 kJ、159 153 k J、119 365 kJ。

從能量角度分析，在理想的熱交換情況下，蒸汽式除雪車在四種作業(yè)速度下提供的熱量均大于10 mm積雪融化所需熱量，分別是其所需熱量的5.4倍、2.9倍、1.9倍、1.5倍左右，由于前三種作業(yè)速度較低，熱蒸汽提供的能量遠(yuǎn)大于10 mm積雪融化所需能量，故除去熱量損失外，剩余熱量仍能將積雪基本融化完全，而當(dāng)作業(yè)速度為10 km/h時(shí)，由于單位距離內(nèi)的熱蒸汽較少，同時(shí)一部分蒸汽外溢造成熱量損失，故有少量積雪未完全融化。

因此對(duì)于厚度10 mm左右的積雪，鍋爐蒸發(fā)量為4 t/h時(shí)，蒸汽式除雪車作業(yè)速度應(yīng)小于7.5 km/h，以達(dá)到較高的除雪率。

表2 作業(yè)速度對(duì)蒸汽式除雪車除雪率的影響

3.3.1.3 鍋爐蒸發(fā)量對(duì)蒸汽式除雪車除雪率的影響

表3所示為積雪厚度一定，作業(yè)速度一定時(shí)，鍋爐蒸發(fā)量對(duì)蒸汽式除雪車除雪率的影響。由表3可以看出，積雪厚度為10 mm，作業(yè)速度為2.7 km/h時(shí)，鍋爐蒸發(fā)量為4 t/h、3/h時(shí)，除雪率均為100%，隨著鍋爐蒸發(fā)量的繼續(xù)減小，除雪率逐漸降低，當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量小于2 t/h時(shí)，除雪率顯著降低。由前邊計(jì)算結(jié)果可知，長度為100 m，寬度為2.2 m，厚度為10 mm的積雪由-20℃融化成0℃的水至少需要的熱量為82 236 kJ，由公式(1)和(3)可以計(jì)算得到，蒸汽式除雪車作業(yè)速度為2.7 km/h，鍋爐蒸發(fā)量分別為4 t/h、3 t/h、2 t/h、1t/h時(shí)，作業(yè)100 m產(chǎn)生的183℃的熱蒸汽轉(zhuǎn)化為0℃的水所提供的熱量分別為442 091 kJ、331 569 kJ、221 046 kJ、110 523 kJ。從能量角度分析，在理想的熱交換情況下，蒸汽式除雪車在四種作業(yè)速度下提供的熱量均大于10 mm積雪融化所需熱量，分別是其所需熱量的5.4倍、4倍、2.7倍、1.3倍左右，當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量大于2 t/h時(shí)，熱蒸汽提供的能量遠(yuǎn)大于10 mm積雪融化所需能量，故除去熱量損失外，剩余熱量仍能將積雪基本融化完全，而當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量小于2 t/h時(shí)，由于熱蒸汽所含熱量較少，同時(shí)一部分蒸汽外溢造成熱量損失，故有少量積雪未完全融化。

表3 鍋爐蒸發(fā)量對(duì)蒸汽式除雪車除雪率的影響

3.3.2 薄冰路面條件

3.3.2.1 作業(yè)速度對(duì)蒸汽式除雪車除冰率的影響

表4所示為冰層厚度一定，鍋爐蒸發(fā)量一定時(shí)，作業(yè)速度對(duì)蒸汽式除雪車除冰率的影響。由表4可以看到，當(dāng)冰層厚度為2 mm，鍋爐蒸發(fā)量為4 t/h時(shí)，在各作業(yè)速度下，蒸汽式除雪車的除冰率均小于100%，當(dāng)作業(yè)速度為2.7 km/h時(shí)，除冰率為99%，隨著作業(yè)速度的增大，蒸汽式除雪車的除冰率先緩慢降低，后快速降低，當(dāng)作業(yè)速度達(dá)到10 km/h時(shí)，除冰率只有41%。由公式(1)和(2)可以計(jì)算得到，長度為100 m，寬度為2.2 m，厚度為2 mm的薄冰由-20℃融化成0℃的水至少需要的熱量為164 472 kJ，由前邊計(jì)算結(jié)果可知，蒸汽式除雪車在鍋爐蒸發(fā)量為4 t/h，作業(yè)速度分別為2.7 km/h、5 km/h、7.5 km/h、10 km/h時(shí)，作業(yè)100 m產(chǎn)生的183℃的熱蒸汽轉(zhuǎn)化為0℃的水所提供的熱量分別為442 091 kJ、238 730 kJ、159 153 kJ、119 365 kJ。

從能量角度分析，除雪車在2.7 km/h和5 km/h作業(yè)速度下提供的熱量大于2 mm薄冰融化所需熱量，分別是其所需熱量的2.6倍、1.5倍，此時(shí)雖然熱蒸汽提供的熱量足夠，但有部分熱量損失，另外冰層比較致密，融化比較費(fèi)時(shí)，因此即使采用最大鍋爐蒸發(fā)量和較小的作業(yè)速度，仍有少量薄冰遺留；當(dāng)作業(yè)速度為7.5 km/h、10k m/h時(shí)，除雪車熱蒸汽提供的熱量小于2 mm薄冰融化所需熱量，故此時(shí)不能將薄冰完全融化，除冰率較低。

3.3.2.2 鍋爐蒸發(fā)量對(duì)蒸汽式除雪車除冰率的影響

表5所示為冰層厚度一定，作業(yè)速度一定時(shí)，鍋爐蒸發(fā)量對(duì)蒸汽式除雪車除冰率的影響。由表5可以看出，當(dāng)冰層厚度為2 mm，作業(yè)速度為2.7 km/h時(shí)，在各個(gè)鍋爐蒸發(fā)量下，蒸汽式除雪車的除冰率均小于100%，鍋爐蒸發(fā)量為4 t/h時(shí)，除冰率為99%，隨著鍋爐蒸發(fā)量的減小，蒸汽式除雪車的除冰率先緩慢降低，后快速降低，當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量降低到1 t/h時(shí)，除冰率只有49%。由前邊計(jì)算結(jié)果可知，長度為100 m，寬度為2.2 m，厚度為2 mm的薄冰在-20 ℃ 時(shí)融化成0 ℃ 的水至少需要的熱量為164 472 kJ，除雪車作業(yè)速度為2.7 km/h，鍋爐蒸發(fā)量分別為4 t/h、3 t/h、2 t/h、1t/h時(shí)，作業(yè)100 m產(chǎn)生的183℃ 的熱蒸汽轉(zhuǎn)化為0 ℃ 的水所提供的熱量分別為442 091 kJ、331 569 kJ、221 046 kJ、110 523 kJ。從能量角度分析，當(dāng)除雪車鍋爐蒸發(fā)量分別為4 t/h、3 t/h、2 t/h時(shí)提供的熱量大于2mm薄冰融化所需熱量，分別是其所需熱量的2.7倍、2倍、1.3倍左右，此時(shí)雖然熱蒸汽提供的熱量足夠，但有部分熱量損失，另外冰層比較致密，融化比較費(fèi)時(shí)，因此即使采用最大鍋爐蒸發(fā)量和最小的作業(yè)速度，仍有少量薄冰遺留；當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量為1 t/h時(shí)，熱蒸汽提供的能量小于2 mm薄冰融化所需能量，且一部分蒸汽外溢造成熱量損失，故此時(shí)除冰率很低。

表4 作業(yè)速度對(duì)蒸汽式除雪車除冰率的影響

表5 鍋爐蒸發(fā)量對(duì)蒸汽式除雪車除冰率的影響

由表4、5結(jié)果分析可知，除冰需要消耗很多的熱量，蒸汽式除雪車除冰能力有限，只能用于處理路面薄冰，當(dāng)采用最大鍋爐蒸發(fā)量4 t/h時(shí)，作業(yè)速度不應(yīng)超過5 km/h，才能達(dá)到較好的除冰效果。

4 結(jié)語

蒸汽式除雪車是一種新型環(huán)保的除雪除冰裝備，與行業(yè)現(xiàn)有的除雪裝備具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，特別是能夠去除薄冰。蒸汽式除雪車適合聯(lián)合作業(yè)，處理對(duì)象是20 mm厚度以下浮雪或厚度2 mm以下的薄冰，綜合效果顯著。當(dāng)積雪厚度大于200 mm時(shí)，可采用拋雪機(jī)預(yù)處理后再使用蒸汽式除雪車徹底清除路面積雪。當(dāng)積雪厚度在20～200 mm之間時(shí)，可采用雪鏟或雪輥預(yù)處理后再使用蒸汽式除雪車徹底清除路面積雪。蒸汽式除雪車聯(lián)合作業(yè)時(shí)，一般采用4 t的鍋爐蒸發(fā)量和不低于5 km/h的作業(yè)速度。

蒸汽式除雪車作業(yè)效率的關(guān)鍵影響因素在于蒸汽熱量是否充足和熱傳導(dǎo)效率是否充分。蒸汽熱量是否充足取決于鍋爐蒸發(fā)量和作業(yè)行車速度，鍋爐蒸發(fā)量越大、作業(yè)速度越低，則作業(yè)單位距離內(nèi)提供的蒸汽熱量越多，作業(yè)效果越好。熱傳導(dǎo)效率是否充分主要取決于積雪厚度，當(dāng)積雪厚度超過20mm時(shí)，表層的雪因先接觸高溫蒸汽融化成水，阻斷了高溫蒸汽與底層雪的直接熱傳導(dǎo)，大大降低了除雪率。