鐘東階 ， 蔣國璋， 李克華

(1 武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院， 湖北 武漢 430081； 2 長委長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院， 湖北 武漢 430060)

在我國冬季嚴(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，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，在我國冰期輸水仍沒有成功和成熟的實際運(yùn)行經(jīng)驗．結(jié)合國內(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

針對直接加熱法，將需要加熱的閘門門槽埋件設(shè)計成空腔，把加熱裝置布置于空腔中，通過控制系統(tǒng)，使附著在埋件和水封上的冰融化，確保閘門冰期操作時水封不被破壞．整個加熱系統(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，就能實現(xiàn)隔熱保溫．它無毒、無腐蝕，對水和環(huán)境無污染．

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)境溫度的變化自動控溫，達(dá)到自動恒溫的效果，可以節(jié)約大量能源．

2)自動控溫的特殊功能 當(dāng)PTC元件施加電壓升溫時，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)到自動控制溫度、恒溫目的(圖1)．

圖 1 PTC電阻-溫度特性

3)無明火、無氧耗、不燃燒、安全可靠.PTC元件發(fā)熱時不燃燒．元件周圍溫度超越限值時，其功率下降至平衡值，不會產(chǎn)生燃燒危險．

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 PTC元件本身為氧化物，壽命長，無鎳鉻絲之高溫氧化斷路的弊端，也沒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)行試驗的．筆者基于相似理論，采用模型試驗研究的方法，通過改變閘門門槽的一些重要特征參數(shù)，制作一個模擬門槽熱管，采用先進(jìn)的加熱方法，通過模型試驗對閘門防冰凍結(jié)構(gòu)的工作性能進(jìn)行試驗研究．試驗結(jié)果證明：

1)陶瓷管的電阻溫度特性、電流時間特性和超導(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

根據(jù)模型試驗得出的相關(guān)數(shù)據(jù)，對國內(nèi)的一個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，試驗結(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．

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