紅外線加熱下冰層融化特性實(shí)驗(yàn)

李 超，謝 騰，陳浩文，董建鍇，姜益強(qiáng)

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紅外線加熱下冰層融化特性實(shí)驗(yàn)

李 超，謝 騰，陳浩文，董建鍇，姜益強(qiáng)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090）

為研究紅外加熱下冰層融化特性和除冰能效，搭建了紅外線加熱除冰實(shí)驗(yàn)臺，采用實(shí)驗(yàn)的方法，研究融化過程中冰層內(nèi)部溫度變化，計(jì)算融冰速率及除冰能效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用紅外線加熱除冰，輻射能量被冰層表面接收后會以熱傳導(dǎo)的方式由表面向內(nèi)部傳遞；融冰水蓄存會降低融冰速率，冰層厚度5.8±0.2cm條件下除冰時間增加73%；紅外加熱管溫度對除冰能效影響顯著，低溫加熱器比高、中溫加熱器更節(jié)能，其平均能效比后者分別高21%和35%。

紅外輻射；除冰；溫度變化特性；除冰能效

0 引言

道路、電網(wǎng)、飛機(jī)機(jī)翼、動車組轉(zhuǎn)向架等物體的表面在雨雪天氣下會結(jié)冰，冰層將造成結(jié)冰物體自身結(jié)構(gòu)變化或性能的降低[1-2]。所以，需要尋求合理的除冰方式。

當(dāng)前，常用的除冰方法按照除冰機(jī)理可以分為機(jī)械除冰、化學(xué)除冰和熱力除冰[3]等。機(jī)械除冰是利用各種機(jī)械方法使冰層受力脫落；化學(xué)除冰主要是噴撒化學(xué)藥劑來降低冰的融點(diǎn)使冰層融化；熱力除冰則是利用外熱源加熱冰層使其吸熱融化。紅外線輻射除冰屬于熱力除冰的一種，具有清潔環(huán)保、對被除冰物體損害小、加熱效率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。

目前國內(nèi)外對于紅外線輻射除冰的研究及應(yīng)用較少，并且多數(shù)研究是運(yùn)用數(shù)值模擬手段進(jìn)行。Tang等[5]對微波輻射除冰進(jìn)行了模擬研究并得到微波除冰的最佳頻率是5.8GHz，但若對加熱設(shè)備操作不當(dāng)可能會導(dǎo)致微波泄露，造成微波污染。Li等[6]分析比較了京滬高速粵北段適用的各種除冰系統(tǒng)，并對紅外加熱除冰方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，最終分析得到利用機(jī)械與紅外加熱相結(jié)合的除冰方式。陳光[7]設(shè)計(jì)了掃雪除冰車的紅外加熱系統(tǒng)，模擬計(jì)算了系統(tǒng)的工作參數(shù)和外界條件對冰雪層溫度場的影響。李建林等[8]試驗(yàn)證明紅外輻射不能穿透冷凍肉食，在加熱過程中食品的溫度內(nèi)低外高，導(dǎo)致加熱不均勻，解凍效果不理想，紅外輻射加熱解凍實(shí)用價值不大。

實(shí)際工程中，紅外線輻射除冰技術(shù)在飛行器除冰方面的應(yīng)用最為廣泛[9-10]，Ryerson[11]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紅外加熱系統(tǒng)的除冰效率比除雪效率高，同時還實(shí)驗(yàn)得到，紅外輻射相比于丙二醇和熱風(fēng)，對飛行器螺旋槳具有更高的除冰效率，且經(jīng)濟(jì)性高，需要的操作人員少。George[12]等實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)冰對紅外輻射的吸收率在90%以上，且輻射很難穿透冰層，隨著輻射溫度的升高，穿透深度增加，當(dāng)輻射源溫度在3000 K以下時，穿透深度不超過0.6 mm。

目前，在紅外除冰過程中，對冰層融化特性和除冰能效的研究較少，本文通過實(shí)驗(yàn)對上述問題進(jìn)行了研究。首先設(shè)計(jì)了紅外除冰實(shí)驗(yàn)臺，之后討論了實(shí)驗(yàn)方案及步驟，最后得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分析冰層內(nèi)部溫度變化特性和紅外除冰的影響因素，計(jì)算融冰速率及除冰能效。為紅外線輻射除冰在相關(guān)工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供有益參考。

1 實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)臺介紹

實(shí)驗(yàn)臺主要是由紅外輻射加熱器、實(shí)驗(yàn)冰塊樣品、鋁制基底、測溫?zé)犭娕肌①|(zhì)量傳感器和數(shù)據(jù)采集儀等組成，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖

紅外輻射加熱器包括燈管和燈座兩部分，燈管是定制的鎢絲燈，有3種類型，對應(yīng)的額定溫度分別為1073 K、1773 K和2273 K；燈座用來固定燈管，可以安裝3根燈管，并裝有聚光罩。實(shí)驗(yàn)冰塊樣品厚度均為5.8±0.2 cm。鋁制基底尺寸為30 cm×30 cm×2 cm，其上設(shè)有9個溫度測點(diǎn)柱（高度5 cm），實(shí)驗(yàn)中鋁制基底有兩種類型：無水槽型和有水槽型。冰層在無水槽基底上融化時產(chǎn)生的水會沿其周圍自然流下；在有水槽基底上融化時，融冰水會蓄存在冰層上部。T型熱電偶（±0.2℃）共27個，分下、中、上3層布置在冰層內(nèi)部，與鋁制基底表面的距離分別為0 cm、2.5 cm和5.0 cm，每層9個測點(diǎn)。質(zhì)量傳感器用來測量融冰水的質(zhì)量，其量程為20 kg，全量程誤差2%。數(shù)據(jù)采集儀采用安捷倫34972A。結(jié)冰基底及測溫點(diǎn)的布置如圖2所示。

圖2 鋁制基底及測溫點(diǎn)布置

1.2 實(shí)驗(yàn)方案介紹

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度控制在－5.0±0.5℃，相對濕度50%。實(shí)驗(yàn)所需冰塊樣品是將處理過的水（無氣泡）連帶鋁制基底放置在－30℃～－20℃的室外環(huán)境（實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)哈爾濱市）中進(jìn)行自然凍結(jié)。本文在不同條件下共進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，下文中分別稱為實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三。

1）實(shí)驗(yàn)一：冰層和加熱器為水平放置，二者間距10 cm，紅外加熱器額定溫度1073 K，鋁制基底選用無水槽型。實(shí)驗(yàn)開始首先開啟安捷倫數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)為5 s，后將加熱器打開，直到鋁制底板表面溫度達(dá)到0℃以上，證明此時冰層已全部融化，停止實(shí)驗(yàn)。

2）實(shí)驗(yàn)二：選用有水槽型鋁制基底，融冰水蓄存在冰層表面。其他實(shí)驗(yàn)條件和操作與實(shí)驗(yàn)一相同。

3）實(shí)驗(yàn)三：冰層和加熱器豎直放置，二者間距40 cm，冰層下方設(shè)有融冰水收集槽，水槽下設(shè)質(zhì)量傳感器。實(shí)驗(yàn)主要研究紅外除冰速率和除冰能效，每次實(shí)驗(yàn)選用不同類型加熱器（實(shí)驗(yàn)有3種不同額定加熱溫度1073 K、1773 K和2273 K，每種工況對應(yīng)燈管數(shù)量為一根、兩根和三根，共有9種不同的加熱器形式），共進(jìn)行9次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作過程同實(shí)驗(yàn)一。實(shí)驗(yàn)中需采集融冰水的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)一工況下冰層融化特性分析

實(shí)驗(yàn)中冰層融化產(chǎn)生的水會沿冰層四周自然流下。各層溫度測點(diǎn)的數(shù)值變化如圖3所示。

圖3 溫度測點(diǎn)的數(shù)值變化

圖3中0℃虛線與3條溫度變化曲線的交點(diǎn)對應(yīng)橫坐標(biāo)值即為內(nèi)部冰層發(fā)生相變?nèi)诨瘯r刻。由圖中可看出，上部、中部和下部冰層由初始狀態(tài)－3.9℃達(dá)到融化狀態(tài)點(diǎn)0℃所需的時間分別為11.5 min、21.7 min和29.5 min。實(shí)驗(yàn)開始后，冰層表面首先接收到紅外輻射能量，溫度逐漸升高，達(dá)到固-液相變點(diǎn)后融化，同時，冰層中、下部的溫度也會緩慢上升。上、中、下各層溫度值在時間順序上依次升高至0℃，可知整個融化過程是由冰層表面向鋁制基底表面方向逐漸進(jìn)行。這是因?yàn)椋诔^程中，紅外輻射只能對冰層表面進(jìn)行加熱，而不能穿透冰層。熱量主要以熱傳導(dǎo)的方式由冰層表面向內(nèi)部傳遞，隨著冰層厚度的增加，導(dǎo)熱熱阻逐漸增大，由表面?zhèn)鬟f至冰層底部的熱流量相應(yīng)減少，若考慮熱量在傳遞過程中的耗散，實(shí)際到達(dá)冰層底部的熱流量會更少。所以，雖然紅外線輻射不能穿透冰層，但由于導(dǎo)熱作用，冰層中、下部的溫度也會上升，且鋁制基底表面上平均溫升速率最小。

2.2 實(shí)驗(yàn)二工況下融冰水蓄存對冰層融化特性的影響

實(shí)驗(yàn)中融冰水蓄存在冰層表面，隨著融冰時間的增加，水層的厚度也會相應(yīng)增大。各層溫度測點(diǎn)的數(shù)值變化如圖4所示。

冰層融化過程中，其內(nèi)部溫度上升緩慢。實(shí)驗(yàn)開始后，冰層表面首先融化，產(chǎn)生的融冰水會蓄存在冰層的上部。隨著融化進(jìn)行，融冰水厚度逐漸增加，紅外輻射不能穿透液態(tài)水加熱冰層，只能加熱融冰水表層，表層水吸收輻射能量后溫度上升并蒸發(fā)出水蒸汽，致使在總的紅外輻射能中，部分能量用來加熱了融冰水或者提供融冰水的氣化潛熱。水層中熱量傳遞有對流和導(dǎo)熱兩種形式，因?yàn)樗畬由媳砻嬷苯咏邮占t外輻射，溫度較高可達(dá)35℃以上，而其下表面為固-液相變表面，溫度維持在0℃左右，溫度分布呈上層高下層低的狀態(tài)，不利于對流換熱，所以到達(dá)冰層相變面的熱量主要是通過導(dǎo)熱傳遞。由于融冰水的蓄存，水層厚度會不斷增加，導(dǎo)熱熱阻也會隨之增大，使傳遞到融化面的熱流量逐漸減少。所以，融冰水對輻射能量的吸收和對熱傳遞的阻礙作用導(dǎo)致了冰層內(nèi)部溫度上升速率緩慢，上層、中層和底層的溫度測點(diǎn)分別在13.0 min、25.5 min和51.0 min時達(dá)到0℃，對比實(shí)驗(yàn)一，總的融冰時間增加了73%。融冰水蓄存降低了紅外除冰速率。

圖4 溫度測點(diǎn)的數(shù)值變化

2.3 實(shí)驗(yàn)三工況下紅外輻射除冰能效分析

針對豎直情況下紅外輻射除冰效率進(jìn)行分析。圖5為在額定加熱溫度1073 K的條件下，采用不同數(shù)量紅外輻射燈管除冰時，融冰水質(zhì)量隨時間的變化曲線。

隨著輻射燈管數(shù)量的增加，除冰速率上升明顯，近似認(rèn)為融冰水的質(zhì)量隨時間線性增加，經(jīng)過計(jì)算，3種工況下的融冰速率分別為1.20 g/s、2.63 g/s和3.73 g/s。不同加熱工況下除冰系統(tǒng)的能量利用效率見表1。

圖5 融冰水質(zhì)量隨時間變化

Fig.5 The mass of melting ice changing with time

表1 紅外輻射除冰系統(tǒng)的能效

忽略冰層與周圍環(huán)境的換熱量，理論耗能量的計(jì)算公式如下：

t＝i＋m＋w(1)

式中：t為單位質(zhì)量理論耗能量；m為單位質(zhì)量冰層融化所需能量；i為單位質(zhì)量冰層溫升所需能量；w為單位質(zhì)量融冰水溫升消耗的能量。

能效計(jì)算公式如下：

式中：為紅外除冰系統(tǒng)能效；為單位質(zhì)量總耗電量。

同時，本文計(jì)算了在額定加熱溫度1773 K和2273 K條件下的除冰速率以及能效。不同加熱工況下紅外輻射除冰能效隨額定加熱溫度的變化見圖6。

在額定加熱溫度1073 K、三根燈管同時加熱條件下，紅外除冰系統(tǒng)的能效值最高，為0.616；而在額定加熱溫度為1773 K、單根燈管工作時能效值最低，為0.425。

當(dāng)加熱器溫度保持一致，能效值隨加熱燈管數(shù)量的不同會有所變化，其中，中溫（1773 K）加熱器受其影響最小，高溫（2273 K）加熱器受影響最大，能效最大值與最小值分別相差0.02和0.07。

圖6 系統(tǒng)的能效隨功率變化

對于實(shí)驗(yàn)中3種不同額定加熱溫度，低溫（1073K）紅外加熱系統(tǒng)的平均能效值最高，為0.590；高溫加熱系統(tǒng)次之，為0.486；中溫加熱系統(tǒng)最低，為0.436。低溫加熱器平均能效值比高、中溫加熱器分別高21%和35%，可知加熱溫度對除冰能效的影響較大。低溫加熱器節(jié)能效果更好，但加熱器的額定工作溫度越低，融冰速率越慢，所需除冰時間越長；額定工作溫度高的加熱器除冰速率快，但系統(tǒng)在運(yùn)行時的安全隱患也會增大。所以，在實(shí)際情況中，應(yīng)對除冰速率、能效和系統(tǒng)的安全性進(jìn)行綜合考慮之后，再選取適合的紅外輻射加熱系統(tǒng)。

3 結(jié)論

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，本文得到主要結(jié)論如下：

1）利用紅外線加熱除冰，輻射能量被冰層表面接收后，會以熱傳導(dǎo)的方式由表面向內(nèi)部傳遞，隨著冰層深度的增加，導(dǎo)熱熱阻變大，向冰層內(nèi)部傳遞的熱量減少。

2）融冰水蓄存會降低除冰速率，在冰層厚度為5 cm的條件下，除冰時間會增加73%。

3）加熱工作溫度對紅外除冰能效影響顯著，低溫加熱器平均能效比高、中溫加熱器分別高21%和35%，實(shí)際情況中，應(yīng)對除冰速率、能效和系統(tǒng)的安全性進(jìn)行綜合考慮之后，再選取適合的紅外輻射加熱系統(tǒng)。

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Experiment Investigation on Deicing Characteristics Using Infrared Ray as Heat Source

LI Chao，XIE Teng，CHEN Haowen，DONG Jiankai，JIANG Yiqiang

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

To investigate the ice melting characteristics and deicing efficiency using infrared ray as heat source, a test-rig was built by which tests were conducted. The internal temperature of ice changes is investigated and the melting rate and energy efficiency of deicing are calculated during the process of melting. The experimental results show that infrared energy will transfer from the ice surface to the interior through conduction after being absorbed at the surface. Melt water accumulation will reduce the ice melting rate, making deicing time increase by 73% under the condition of the ice thickness of 5.8±0.2cm. The temperature of infrared heating lamp has a significant effect on the energy efficiency of deicing. Compared with the high and medium temperature heaters, the low temperature heater is more energy-efficient, whose average energy efficiency of 21% and 35% are higher respectively than the former ones.

infrared radiation，deicing，temperature variation characteristics，deicing energy efficiency

TN219

A

1001-8891(2017)04-0378-05

2015-05-16；

2017-03-24.

李超（1992-），男，碩士研究生。主要研究方向：嚴(yán)寒地區(qū)動車組除冰，E-mail：chaoli0523@163.com。

董建鍇（1982-），主要研究方向：熱泵空調(diào)技術(shù)、太陽能高溫?zé)崂茫珽-mail：djkheb@163.com。

黑龍江省自然科學(xué)基金（E2015019）。