嚴寒地區閘門防冰凍技術研究

鐘東階 ， 蔣國璋， 李克華

(1 武漢科技大學機械自動化學院， 湖北 武漢 430081； 2 長委長江勘測規劃設計研究院， 湖北 武漢 430060)

在我國冬季嚴寒地區，由于氣溫低(表1)，輸水渠及河流經常會結冰，冰情特征呈現出冰花、流冰、冰塞、冰壩等現象．在溫度很低時，主要輸水建筑物如節制閘、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行和操作的閘門應采取保溫加熱措施，以防止閘門止水橡皮與門槽埋件凍結．

表1 部分寒冷地區氣溫特征

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行經驗．結合國內外的一些閘門防冰凍的技術，筆者總結了防止閘門與埋件被冰凍結在一起的加熱方法：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液體傳熱介質直接加熱門槽防止閘門止水橡皮與埋件凍結在一起．

2 熱管直接加熱法的防冰凍技術研究

針對直接加熱法，將需要加熱的閘門門槽埋件設計成空腔，把加熱裝置布置于空腔中，通過控制系統，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．整個加熱系統由加熱裝置(電加熱器、溫度傳感器)、控制系統和超導液體介質等組成．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：采用超導液體，其導熱系數是銅的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，是目前世界上熱導率最低的固態材料．在厚度很薄的情況下，就能實現隔熱保溫．它無毒、無腐蝕，對水和環境無污染．

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的特性，是一種新型電加熱元件，具有以下一些特點：

1)電阻-溫度特性熱敏電阻陶瓷材料依環境溫度的變化自動控溫，達到自動恒溫的效果，可以節約大量能源．

2)自動控溫的特殊功能 當PTC元件施加電壓升溫時，在居里點溫度以下，電阻率很低；一旦超越居里點溫度，電阻急劇增大10～108倍，使其電流下降至穩定值，達到自動控制溫度、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，不會產生燃燒危險．

4)節約能源 PTC元件具有很高的電熱轉化效率，可以大大節約能源．

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象．

2.2 真空超導技術(熱管技術)

熱管技術利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬(圖2)．

圖 2 熱管熱傳導原理

3 閘門防冰凍技術的模型試驗研究[8]

由于閘門尺寸較大，且環境溫度最低在-27℃以下，在一般的條件下是不可能進行試驗的．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，制作一個模擬門槽熱管，采用先進的加熱方法，通過模型試驗對閘門防冰凍結構的工作性能進行試驗研究．試驗結果證明：

1)陶瓷管的電阻溫度特性、電流時間特性和超導液體的導熱速率及均勻性均符合要求；

2)低溫環境溫度下，將埋件加熱到一定溫度，采用超導液體為傳熱介質，負壓狀態下的能效比最高．

4 結語

根據模型試驗得出的相關數據，對國內的一個輸水工程的閘門采用熱管直接加熱法進行防冰凍設計，試驗結果表明：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．與其它加熱方法相比具有明顯的優越性和經濟性，它將成為今后水利水電工程防冰凍的發展趨勢．

[參考文獻]

[1] 范志國. 南水北調中線京石段閘門設計探討[J]. 水科學與工程技術,2006(2)：25-26.

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

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

[4] 張巧勇. 動力工程中熱管技術的應用探討[J]. 科技資訊,2009(4):132.

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

[6] 莊 駿，張 紅．熱管技術及其工程應用[M]．北京: 化學工業出版社 ，2000：196-198.

[7] 唐志偉，俞昌銘，馬重芳．熱管性能評價準則探討[J]．北京工業大學學報，2003，29(1)：55-56．

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