微波除冰關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景分析

趙新美，丁勇杰，周 平

（1.重慶鵬方路面技術(shù)研究院有限公司，重慶 400054；2.重慶交通大學，重慶 400074；3.江西交通咨詢公司，江西 南昌 330003）

0 引言

在冬季的雨、雪、霧天氣里，當?shù)孛鏈囟鹊陀?℃時就會出現(xiàn)積雪或結(jié)冰現(xiàn)象，其中，對道路通行影響最嚴重的是凍雨，凍雨是一種特殊的天氣現(xiàn)象，由于近地溫度特別低，高空的雨水降臨到近地面時會結(jié)冰形成冰凍層。道路表面因凍雨所形成的冰凍層，粘結(jié)極為牢固，普通除雪機械難以清除[1]。所以，應(yīng)研制適應(yīng)這種特殊冰凍層的特殊除冰方法。

由于道路上凍雨所形成的冰層極為堅固，采用除冰機械清除冰層后仍會留有一層薄薄的冰層與路面緊緊地粘在一起。正常行駛的車輛即使裝上防滑鏈也仍難免在這層薄冰上打滑。為解決此問題，各國都在研制微波融冰裝置，希望利用此裝置對冰層與路面的接觸處部位進行加熱，使冰層與路面分離，然后再進行破冰。清除積冰后，路面的余熱會將地面上留下的水膜烘干，以干燥路面從而達到徹底清除路面冰層的目的。

1 微波除冰機理

微波是指波長為1mm～1m的范圍內(nèi)的電磁波，對應(yīng)的頻率范圍為300MHz～300GHz，介于普通無線電波與紅外線之間。對于微波加熱，考慮到便于微波器件和設(shè)備的標準化，以及避免使用頻率太多造成對雷達和微波通信的干擾，各國對微波加熱使用的頻段都有以下明確的規(guī)定：890～940MHz為波段L，中心波長為0.330m；2400～2500MHz為波段S，中心波長為0.122m；5725～5825MHz為波段C，中心波長為0.052m；22000～22250MHz為波段K，中心波長為0.008m。目前微波加熱常用的是L和S波段，最常用的頻率為2 450MHz。

微波加熱即是物體吸收的微波能量轉(zhuǎn)化成熱量，研究表明，微波能量被吸收轉(zhuǎn)變成熱能效率與微波工作頻率成正比，提高微波頻率，就相當于單位面積上更多的微波能量集中在物體表層。同時，提高微波輸出功率，相應(yīng)地增強了微波電場強度，單位面積的材料獲得的熱能也會增大。影響物質(zhì)吸收微波能力的主要性能參數(shù)是相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切（如表1所示）[2]。

表1 物質(zhì)相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切

由表1看出，冰的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切都極小，所以使用微波加熱結(jié)冰路面，微波能量可以穿過冰層，加熱路面材料。路面材料比如瀝青混凝土，具有一定的吸收能力，可以將一部分微波能量轉(zhuǎn)化為熱量將冰層底部融化。同時，從表1可以看出，液態(tài)水吸收微波的能力極強，當冰開始向液態(tài)水轉(zhuǎn)化之后，由于水對微波的強吸收能力，冰便會加速轉(zhuǎn)化為水。當冰層與路面接觸處完全融化之后，使用機械除冰裝置便可實現(xiàn)快速除冰。

2 微波除冰關(guān)鍵技術(shù)

由以上分析可以看出，道路材料對微波的吸收效率和微波頻率及電場強度是制約微波除冰效率的關(guān)鍵因素。同時，微波發(fā)射裝置的使用方式例如波導口距路面高度和微波設(shè)備與機械除冰設(shè)備的相互配合也是制約微波除冰效率的主要因素之一，目前關(guān)于微波除冰的研究主要集中在以下幾方面。

2.1 微波發(fā)射設(shè)備研究

微波除冰效率是制約微波除冰研究進展的關(guān)鍵，通過對微波除冰技術(shù)進行分析，得到微波除冰效率和微波頻率、微波電場強度、微波加熱模式、波導口距路面高度等有關(guān)的結(jié)論。選擇合適的微波工作頻率是微波發(fā)射設(shè)備研究的前提，焦生杰[3]等研究發(fā)現(xiàn)使用5.80GHz微波較2.45GHz微波能提高4～6倍微波除冰效率。也有一些研究者提出了關(guān)于微波發(fā)射設(shè)備構(gòu)造的設(shè)想，劉長生[4]等設(shè)想將微波發(fā)射管安裝在一個矩形箱體內(nèi)，箱體內(nèi)安裝反射板，通過矩形箱體的開口向路面發(fā)射微波。唐相偉[5]等也設(shè)想了類似的簡易微波發(fā)射裝置，但是這些裝置的設(shè)想都沒有考慮到微波輻射泄漏和對環(huán)境的危害，微波波長較長(1m～1mm)，容易繞過一些尺寸較小的障礙物進行傳播，而且在傳播過程中難免會發(fā)生反射，由于人體內(nèi)含有大量水分，微波對水有很強的加熱效應(yīng)，所以微波輻射會導致對人體健康造成嚴重影響。因此，在進行微波發(fā)射裝置研究中，應(yīng)充分考慮微波輻射的泄漏，避免除冰作業(yè)時對工作人員以及周圍環(huán)境產(chǎn)生傷害。

2.2 道路材料微波吸收效率

微波加熱深度為微波功率從物體表面降至表面值的1／e(約為36.8%)時的距離， 物體內(nèi)部微波吸收效率隨深度變化如公式1所示：

式中：D——微波加熱深度；

λ——微波自由空間波長；

εr'——瀝青混凝土的相對介電常數(shù)；

tanδ——瀝青混凝土的介質(zhì)損耗角正切。

以公路上常用的路面材料瀝青混凝土為例，將瀝青混凝土的相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切和常用的2.45GHz微波波長代入式（1）計算，2.45GHz的微波加熱瀝青混凝土的深度為11.2cm[6]。 距路表面1cm的范圍內(nèi)的瀝青混凝土僅吸收微波總能量的4%～5%，進行除冰作業(yè)時僅需要加熱道路表層與冰層接觸部分區(qū)域。由以上計算可以看出，若在普通瀝青混凝土路面上采用微波除冰方式，能源利用率較低，這也是目前制約微波除冰方式應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一，針對這一問題，國內(nèi)外研究者也開發(fā)了一系列應(yīng)用對策。明尼蘇達大學的Hopstock提出將鐵燧巖作為瀝青路面面層材料增強路面對微波的吸收能力，提高除冰效率[7]，國內(nèi)長安大學唐相偉等研究者研究發(fā)現(xiàn)，由于鐵磁性材料具有較強的微波吸收能力，因此在瀝青混合料中摻入鐵磁性材料能提高除冰效率3～5倍[3]。

2.3 微波除冰車制造

微波除冰需要使冰層和路面完全分離，并將分離后的冰層清除出路面。如果使用微波將路面冰層全部融化，將造成較大的能源浪費。因此，在微波除冰過程中，微波除冰裝置需要與機械除冰裝置配合使用，機械除冰裝置主要起到如下兩個作用。

2.3.1 消除微波加熱死角

微波發(fā)射器經(jīng)常不能實現(xiàn)無縫排列，加熱死角造成路面加熱的不均勻。這樣就會造成局部的冰層不能脫落，需要與機械除冰裝置配合使用，去除未能融化的冰層。

2.3.2 將冰層破碎并清除出路面

冰層與路面接觸處融化之后，需要將冰層立即清除出路面范圍以外，否則，在低溫條件下，冰層可能重新與路面凍結(jié)在一起。因此，機械除冰裝置需與微波除冰裝置緊密配合。微波除冰車需要能夠在破碎冰層的同時完成對碎冰的清除。

因此在現(xiàn)有的機械除冰車基礎(chǔ)上進行改造是制造微波除冰車的一個較簡易途徑。各種除冰機械都具有各自的特點以適應(yīng)除冰條件，選擇機械除冰方式應(yīng)該考慮到既能與微波除冰裝置較好地配合，達到快速除冰的目的，又能有效地破除微波加熱不均造成的局部與路面粘結(jié)堅固的冰層。但也可根據(jù)微波除冰的特點，設(shè)計與微波除冰設(shè)備相適應(yīng)的機械除冰方式，唐相偉[7]等研究者設(shè)想了螺旋式除冰裝置與微波加熱裝置配合使用，裝置刀片向下的力由彈簧進行調(diào)整，可以適用不同厚度的冰層。由于微波除冰還未達到實際應(yīng)用的水平，因此除冰車的效率還無從驗證。

3 應(yīng)用前景分析

目前微波除冰技術(shù)尚處于研發(fā)階段，離實際應(yīng)用尚有一定距離，具體原因是其技術(shù)難度高、產(chǎn)業(yè)化困難。因此，未來微波除冰技術(shù)的研究應(yīng)著重考慮以下幾方面問題。

3.1 開發(fā)路面新材料

路面材料微波吸收效率低是制約微波除冰技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，開發(fā)對微波能量具有高吸收效率的路面材料是微波除冰技術(shù)研究的一個重要方向。目前由于普通材料的微波吸收效率較低，因此需在普通路面材料中加入對微波具有較高吸收效率的材料。鈦酸鋇是一種鐵電陶瓷材料，其介電特征如表1所示，對微波具有較強的吸收能力，因此，選擇將鈦酸鋇加入瀝青混凝土中進行試驗，驗證加入后瀝青混凝土查看其吸收微波能力的變化。

試驗設(shè)計鈦酸鋇的加入量為瀝青混凝土質(zhì)量的5%，將混凝土試件和冰塊冰凍在一起，冰塊與混凝土之間加入溫度傳感器，通過溫度記錄儀實時記錄溫度變化，將混凝土和冰塊冰凍至-20℃，移至微波爐內(nèi)進行加熱，記錄溫度傳感器溫度升至0℃時間以評價路面材料對微波的吸收效率。試驗結(jié)果顯示，不加入鈦酸鋇的混凝土試件升溫至0℃需280s，加入鈦酸鋇的試件僅需要90s，微波吸收效率有明顯提高。

由以上試驗可以看出，加入強吸收微波材料可以使路面材料對微波的吸收效率明顯提高。但是在路面材料中摻入對微波具有較強吸收能力的材料，除了可能會影響路面材料的路用性能之外，還會造成路面成本的上升，因此，尋找低價、具有較強吸收微波能力且與路面材料相容性較好的材料是研究的關(guān)鍵。

3.2 設(shè)備使用靈活性

微波除冰技術(shù)是配合使用微波加熱設(shè)備與機械除冰設(shè)備，快速清除公路上的冰層。其中微波加熱設(shè)備也可以單獨制造，從而實現(xiàn)靈活利用。例如，利用單獨制造的微波加熱設(shè)備對冰層加熱，冰層破碎和碎冰收集由其他機械配合完成，這種組合方式還可以通過對與微波加熱設(shè)備相配合的機械除冰設(shè)備的選擇來適應(yīng)不同的使用條件。研究表明，環(huán)境溫度越低，冰層和路面結(jié)合處上升到0℃的加熱時間越長，相應(yīng)的微波除冰效率就越低。微波除冰設(shè)備可能面臨各種各樣的自然環(huán)境，在溫度較高，冰層較薄的情況下，可以與輕型、力量較小的除冰車配合使用，溫度較低、冰層較厚的情況下，可與重型除冰機械配合使用，達到靈活使用的目的。

另外，微波加熱設(shè)備單獨制造還可在除冬季以外的時間實現(xiàn)設(shè)備的一機多用。例如，由于微波加熱有加熱深度大、易于控制、不損傷瀝青混合料性能等優(yōu)勢，微波加熱設(shè)備可以用來當做瀝青路面養(yǎng)護及現(xiàn)場熱再生的加熱車。

3.3 將微波除冰技術(shù)納入綜合除冰除雪體系

微波除冰技術(shù)具有可除掉堅固冰層、速度快的優(yōu)點，但應(yīng)用中也存在微波利用率低、技術(shù)難度高的難點。要實現(xiàn)微波除冰技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用還比較困難，但是微波除冰技術(shù)可以在普通除冰設(shè)備不能發(fā)揮作用的局部地區(qū)實現(xiàn)應(yīng)用。因此，需要將微波除冰技術(shù)納入綜合除冰除雪體系，例如，對容易發(fā)生凍雨地區(qū)的需要快速除冰的公路路面面層進行特殊設(shè)計，在面層材料中摻入強吸收微波材料，在這些路段的冬季養(yǎng)護中就可以應(yīng)用微波除冰技術(shù)，實現(xiàn)快速除冰，保障路段暢通。

[1]裴玉龍，盂祥海，丁建梅.寒冷地區(qū)道路交通事故分布的研究[J].中國公路學報，1998，（1）：91-96.

[2]張兆鏜，鐘若青.微波加熱技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1988.

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[7]唐相偉.微波除冰國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].筑路機械及施工機械化，2007，（11）：1-4.