關于蒸汽式除雪車作業效率的關鍵影響因素研究

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、機械除雪、化學除雪和熱能除雪等[1-2]。

人工除雪勞動強度大、工作效率低；而利用撒布化學藥劑促使積雪融化的方法對環境及路面易造成污染和腐蝕，僅適合一些特殊場合；機械設備清除積雪的方法應用較為廣泛，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，防止路面二次結冰。尤其是壓實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效率的因素比較多，如路面積雪狀態、積雪厚度、車輛作業速度及蒸汽鍋爐蒸發量等。為了在實際應用過程中更好地發揮蒸汽式除雪車的作用，有必要對影響蒸汽式除雪車除雪率、除冰率的主要因素進行分析及試驗研究。

在試驗研究前，根據除雪車國家標準，首先明確除雪率和除冰率兩個概念。除雪率是指除雪車在規定的試驗條件下所測得的被清除的路面積雪質量與作業前路面積雪質量之比。除冰率是指除雪車在規定的試驗條件下所測得的融化冰層后露出路面的面積與作業前路面冰層面積之比[4]。

2 蒸汽式除雪車工作原理

蒸汽式除雪車結構如圖1所示，它主要由底盤、抽吸風機、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，蒸汽除雪裝置和吸污裝置的連桿機構被放下，使其緊貼路面，與路面形成封閉區域，清水箱中的水進入蒸汽鍋爐中被加熱蒸發產生大量的高溫蒸汽，高溫蒸汽通過管道到達蒸汽除雪裝置，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，融化后的水進入吸污裝置的下方，在抽吸風機的作用下，吸污裝置與路面組成的封閉區域形成負壓，融化后的污水通過吸污管道被吸到污水箱內，保證路面不會因為冰雪融化形成二次結冰，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

3.1 試驗場及設備

試驗場：中汽中心呼倫貝爾冬季汽車試驗場。

試驗設備：造雪機、灑水車（用于路面薄冰制備）、某品牌除雪車。

試驗時間：2017年11月14日～12月5日。

試驗場環境溫度：-30℃~-10℃。

測量工具：鋼尺、卷尺。

試驗路面：柏油路面。

3.2 試驗方案及過程

先由造雪機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灑水。由于環境氣溫很低，水很快結冰形成薄冰路面，冰層厚度約為2 mm。蒸汽式除雪車每小時產生的熱蒸汽量分4個可調節檔位：1 t/h、2 t/h、3 t/h、4 t/h。蒸汽式除雪車作業時分別采用2.7 km/h、5 km/h、7.5 km/h、10 km/h四種作業速度。圖2所示為蒸汽式除雪車在冬季汽車試驗場進行試驗的實際作業照片。

圖2 蒸汽式除雪車實際作業照片

3.3 試驗結果及討論

蒸汽式除雪車除雪、除冰的過程實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階段：一是由環境溫度（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產生的恒定壓力為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為物質的質量，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寬度、雪或冰厚度、作業長度求得；T1為物質初始溫度，℃；T2為物質終態溫度，℃。

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

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

3.3.1 積雪路面條件

3.3.1.1 積雪厚度對蒸汽式除雪車除雪率的影響

表1所示為一定鍋爐蒸發量和一定作業速度下，積雪厚度對蒸汽式除雪車除雪率的影響。由表1可以看出，對于未壓實積雪，當蒸汽式除雪車鍋爐蒸發量為4 t/h，作業速度為2.7 km/h時，可以徹底清除10 mm及以下厚度的未壓實積雪，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，對于40 mm以上的積雪，即使最大的鍋爐蒸發量和最小的作業速度也無法達到較好的效果，除雪率只有32%。

針對該試驗條件，采用公式(1)和(2)計算可得，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)可以計算得到鍋爐蒸發量為4 t/h，作業速度為2.7 km/h時，作業100 m，蒸汽式除雪車產生的183℃的熱蒸汽轉化為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參數下提供的熱量足以融化40 mm厚的積雪，但實際作業過程中，產生的熱蒸汽不可避免地會外溢與周圍環境進行熱交換，造成熱量損失，另外熱蒸汽噴射到較厚積雪上時，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，不利于熱蒸汽繼續融化底層積雪。因此，當積雪厚度小于20 mm時，由于熱蒸汽提供的熱量遠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，達到清除積雪的目的；當積雪厚度大于20 mm時，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，從而導致除雪率降低。

由此試驗結果及分析可以得出結論：蒸汽式除雪車主要用于20 mm以下未壓實積雪的除雪作業，對于20 mm以上的積雪，可以通過多次作業或者與其他除雪裝備聯合作業達到徹底清除積雪的目的。

表1 積雪厚度對蒸汽式除雪車除雪率的影響

3.3.1.2 作業速度對蒸汽式除雪車除雪率的影響

表2所示為積雪厚度一定，鍋爐蒸發量一定時，作業速度對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，鍋爐蒸發量一定時，隨著作業速度的增加，除雪率逐漸降低，當作業速度大于7.5 km/h，除雪率明顯降低，除雪效果較差。由前面計算結果可知，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)可以計算得到，蒸汽式除雪車在鍋爐蒸發量為4 t/h，作業速度分別為2.7 km/h、5 km/h、7.5 km/h、10 km/h時，作業100 m產生的183℃的熱蒸汽轉化為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，由于前三種作業速度較低，熱蒸汽提供的能量遠大于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，而當作業速度為10 km/h時，由于單位距離內的熱蒸汽較少，同時一部分蒸汽外溢造成熱量損失，故有少量積雪未完全融化。

因此對于厚度10 mm左右的積雪，鍋爐蒸發量為4 t/h時，蒸汽式除雪車作業速度應小于7.5 km/h，以達到較高的除雪率。

表2 作業速度對蒸汽式除雪車除雪率的影響

3.3.1.3 鍋爐蒸發量對蒸汽式除雪車除雪率的影響

表3所示為積雪厚度一定，作業速度一定時，鍋爐蒸發量對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，作業速度為2.7 km/h時，鍋爐蒸發量為4 t/h、3/h時，除雪率均為100%，隨著鍋爐蒸發量的繼續減小，除雪率逐漸降低，當鍋爐蒸發量小于2 t/h時，除雪率顯著降低。由前邊計算結果可知，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)可以計算得到，蒸汽式除雪車作業速度為2.7 km/h，鍋爐蒸發量分別為4 t/h、3 t/h、2 t/h、1t/h時，作業100 m產生的183℃的熱蒸汽轉化為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，當鍋爐蒸發量大于2 t/h時，熱蒸汽提供的能量遠大于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，而當鍋爐蒸發量小于2 t/h時，由于熱蒸汽所含熱量較少，同時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 鍋爐蒸發量對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 作業速度對蒸汽式除雪車除冰率的影響

表4所示為冰層厚度一定，鍋爐蒸發量一定時，作業速度對蒸汽式除雪車除冰率的影響。由表4可以看到，當冰層厚度為2 mm，鍋爐蒸發量為4 t/h時，在各作業速度下，蒸汽式除雪車的除冰率均小于100%，當作業速度為2.7 km/h時，除冰率為99%，隨著作業速度的增大，蒸汽式除雪車的除冰率先緩慢降低，后快速降低，當作業速度達到10 km/h時，除冰率只有41%。由公式(1)和(2)可以計算得到，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，由前邊計算結果可知，蒸汽式除雪車在鍋爐蒸發量為4 t/h，作業速度分別為2.7 km/h、5 km/h、7.5 km/h、10 km/h時，作業100 m產生的183℃的熱蒸汽轉化為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，融化比較費時，因此即使采用最大鍋爐蒸發量和較小的作業速度，仍有少量薄冰遺留；當作業速度為7.5 km/h、10k m/h時，除雪車熱蒸汽提供的熱量小于2 mm薄冰融化所需熱量，故此時不能將薄冰完全融化，除冰率較低。

3.3.2.2 鍋爐蒸發量對蒸汽式除雪車除冰率的影響

表5所示為冰層厚度一定，作業速度一定時，鍋爐蒸發量對蒸汽式除雪車除冰率的影響。由表5可以看出，當冰層厚度為2 mm，作業速度為2.7 km/h時，在各個鍋爐蒸發量下，蒸汽式除雪車的除冰率均小于100%，鍋爐蒸發量為4 t/h時，除冰率為99%，隨著鍋爐蒸發量的減小，蒸汽式除雪車的除冰率先緩慢降低，后快速降低，當鍋爐蒸發量降低到1 t/h時，除冰率只有49%。由前邊計算結果可知，長度為100 m，寬度為2.2 m，厚度為2 mm的薄冰在-20 ℃ 時融化成0 ℃ 的水至少需要的熱量為164 472 kJ，除雪車作業速度為2.7 km/h，鍋爐蒸發量分別為4 t/h、3 t/h、2 t/h、1t/h時，作業100 m產生的183℃ 的熱蒸汽轉化為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，當除雪車鍋爐蒸發量分別為4 t/h、3 t/h、2 t/h時提供的熱量大于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，融化比較費時，因此即使采用最大鍋爐蒸發量和最小的作業速度，仍有少量薄冰遺留；當鍋爐蒸發量為1 t/h時，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，故此時除冰率很低。

表4 作業速度對蒸汽式除雪車除冰率的影響

表5 鍋爐蒸發量對蒸汽式除雪車除冰率的影響

由表4、5結果分析可知，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，當采用最大鍋爐蒸發量4 t/h時，作業速度不應超過5 km/h，才能達到較好的除冰效果。

4 結語

蒸汽式除雪車是一種新型環保的除雪除冰裝備，與行業現有的除雪裝備具有較強的互補性，特別是能夠去除薄冰。蒸汽式除雪車適合聯合作業，處理對象是20 mm厚度以下浮雪或厚度2 mm以下的薄冰，綜合效果顯著。當積雪厚度大于200 mm時，可采用拋雪機預處理后再使用蒸汽式除雪車徹底清除路面積雪。當積雪厚度在20～200 mm之間時，可采用雪鏟或雪輥預處理后再使用蒸汽式除雪車徹底清除路面積雪。蒸汽式除雪車聯合作業時，一般采用4 t的鍋爐蒸發量和不低于5 km/h的作業速度。

蒸汽式除雪車作業效率的關鍵影響因素在于蒸汽熱量是否充足和熱傳導效率是否充分。蒸汽熱量是否充足取決于鍋爐蒸發量和作業行車速度，鍋爐蒸發量越大、作業速度越低，則作業單位距離內提供的蒸汽熱量越多，作業效果越好。熱傳導效率是否充分主要取決于積雪厚度，當積雪厚度超過20mm時，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，大大降低了除雪率。