提高電加熱道岔融雪系統(tǒng)熱效率的研究

安巖

在我國高鐵建設(shè)中，通過采用電加熱道岔融雪系統(tǒng)設(shè)備（簡稱“融雪設(shè)備”）在道岔可動區(qū)域安裝電加熱元件，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，來消除道岔積雪和結(jié)冰問題，防止因積雪積冰而發(fā)生擠岔的安全問題，保障了道岔及轉(zhuǎn)轍機(jī)動作的可靠性和安全性［1］，為我國鐵路運(yùn)輸?shù)母咝А踩峁┝吮Ｕ稀Ｄ壳皣鴥?nèi)鐵路已安裝的融雪設(shè)備，其電加熱元件均固定在道岔可動區(qū)域基本軌的軌腰處或軌坡處［2］，由于空氣導(dǎo)熱性差，僅靠熱傳導(dǎo)融雪化冰效率不高，加熱熱量無法有效匯聚到岔尖與基本軌之間的區(qū)域，導(dǎo)致大量熱量通過鋼軌外側(cè)無效融雪區(qū)域消耗掉［3］，只能通過增加單位長度電加熱元件的功率來滿足現(xiàn)場使用要求，進(jìn)而使用電量隨之增加。此外，融雪設(shè)備在運(yùn)用過程中，一直存在使用方式粗放、電能利用率不高、設(shè)備耗電量大等問題，造成資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

針對以上問題，邱戰(zhàn)國等［4-5］提出通過精準(zhǔn)加熱、輸出功率可調(diào)節(jié)等方式進(jìn)行節(jié)能控制；寧詠梅等［6］從優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和控制柜分時(shí)啟動方面討論了融雪設(shè)備節(jié)能效果；王濤［7］從電加熱元件卡具優(yōu)選方案等方面進(jìn)行探討。這些研究雖然從控制方面和加熱功率配置方面進(jìn)行了一些分析研究，對融雪設(shè)備節(jié)能提出優(yōu)化方案，但是對融雪設(shè)備熱效率低的深層次問題探討尚顯不足。為此，本文通過模擬分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，對融雪設(shè)備熱效率低的因素進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提出改善融雪設(shè)備熱效率的有效措施。

1 融雪設(shè)備工作原理

融雪設(shè)備由遠(yuǎn)程控制中心工作站、車站控制終端、軌旁控制柜、鋼軌溫度傳感器、電加熱元件、道岔融雪隔離變壓器等組成［8］，一般布置在車站兩端咽喉區(qū)，根據(jù)不同氣候區(qū)域合理配置電加熱元件的加熱功率，達(dá)到較好的融雪效果和節(jié)能降耗要求。融雪設(shè)備依據(jù)氣象和溫度判斷條件自動啟動加熱或人工應(yīng)急啟動加熱，電加熱元件得電后，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱傳遞融化掉尖軌與基本軌以及翼軌與轍叉心之間的積雪和結(jié)冰。

2 熱傳遞過程分析

目前，在不影響道岔正常動作的情況下，道岔區(qū)域的加熱條通常安裝在基本軌軌腰內(nèi)側(cè)，見圖1。在遇到冰雪天氣時(shí)，啟動融雪設(shè)備融化掉基本軌與尖軌之間的冰雪，保證道岔能夠正常動作。根據(jù)傳熱學(xué)理論，熱能的傳遞有3種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流［9］。圖1中，加熱條通電正常工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，一部分通過熱傳導(dǎo)傳給基本軌和卡具，另一部分通過熱輻射和對流換熱對周圍空氣和冰雪加熱。由于空氣導(dǎo)熱性差，實(shí)際上大部分熱量通過熱傳導(dǎo)傳給了基本軌，基本軌受熱后也對其周圍空氣和冰雪進(jìn)行加熱。然而只有基本軌內(nèi)側(cè)面和加熱條對基本軌與尖軌之間的冰雪進(jìn)行融化，而基本軌外側(cè)面對其周圍空氣和冰雪進(jìn)行加熱是無效加熱，造成熱量損失。

圖1 加熱條基本軌軌腰內(nèi)側(cè)安裝斷面及測溫點(diǎn)

3 熱傳遞模型的建立與仿真

Abaqus是用于工程模擬的有限元軟件，利用Abaqus建立道岔結(jié)構(gòu)有限元模型，研究融雪設(shè)備工作時(shí)道岔岔尖區(qū)域的熱傳遞過程。不同道岔只是加熱區(qū)域長度不同，工作原理和加熱方式是一致的，為簡化研究過程，選取道岔岔尖部位的加熱區(qū)域作為研究對象。由于滑床臺與基礎(chǔ)（軌枕或無砟道床）之間有橡膠墊，橡膠材質(zhì)導(dǎo)熱率較低，因此忽略基礎(chǔ)對熱傳遞模型的影響。

融雪設(shè)備的熱傳遞過程主要體現(xiàn)在3個方面：①道岔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)；②道岔結(jié)構(gòu)與環(huán)境空氣之間的對流換熱；③基本軌與電加熱元件對環(huán)境的熱輻射。鑒于目前電加熱條加熱方式的不足，并通過對熱傳遞過程的研究，且受熱氣流上升原理啟發(fā)，提出將加熱板安裝在基本軌與岔尖下部位置的加熱方案。

3.1 道岔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)

加熱元件通過卡具固定在基本軌上，與基本軌直接密貼，加熱元件啟動加熱后，道岔結(jié)構(gòu)內(nèi)部將存在導(dǎo)熱現(xiàn)象，由傅里葉定律可知材料的導(dǎo)熱系數(shù)直接影響道岔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)效果［9］。傅里葉定律為

式中：q1為熱流密度，單位W/mm2；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/（m·℃）；dt/dx為沿?zé)崃苛飨虻臏囟忍荻龋回?fù)號表示熱量傳遞方向指向溫度降低方向。道岔結(jié)構(gòu)各部件的材質(zhì)屬性及導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

表1 道岔結(jié)構(gòu)各部件的材質(zhì)屬性及導(dǎo)熱系數(shù)

在熱傳遞模型中對道岔結(jié)構(gòu)材質(zhì)屬性及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)配置，基本軌及尖軌、滑床板和空氣的模型參數(shù)依據(jù)表1進(jìn)行設(shè)置。

3.2 道岔結(jié)構(gòu)與環(huán)境空氣之間的對流換熱

加熱元件啟動加熱后，道岔結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在熱傳導(dǎo)的同時(shí)，由于道岔結(jié)構(gòu)暴露在室外空氣中，也與環(huán)境空氣之間存在對流換熱。計(jì)算對流換熱量的牛頓冷卻公式［9］為

式中：q2為單位面積熱流密度，單位mW/mm2；h為對流換熱系數(shù)，單位mW/（mm2·℃）；Δt為空氣與道岔結(jié)構(gòu)的溫差。

道岔結(jié)構(gòu)與環(huán)境空氣之間對流換熱時(shí)，影響對流換熱系數(shù)h大小的主要因素為風(fēng)速v，一般情況下，在風(fēng)力等級為0，風(fēng)速v=0.1 m/s時(shí)，對流換熱系數(shù)h取0.005 mW/（mm2·℃），以此分別建立基本軌、尖軌、滑床板與空氣之間的對流換熱條件。在加熱初期Δt數(shù)值幾乎為0，隨著加熱時(shí)間的延長，道岔結(jié)構(gòu)溫度升高，Δt數(shù)值變大，對流換熱明顯增強(qiáng)，若在有風(fēng)條件下，對流換熱效果更加顯著。

3.3 基本軌與電加熱元件對環(huán)境的熱輻射

熱輻射的微觀機(jī)理為構(gòu)成物體的分子或原子基于絕對溫度的劇烈運(yùn)動，伴隨這種運(yùn)動產(chǎn)生能夠以熱或光的形式檢測到的電磁波，是物體的固有屬性。隨著電加熱元件加熱，熱輻射加劇。基本軌與電加熱元件對環(huán)境的熱輻射［9］為

式中：q3為單位表面積的輻射換熱量；ε為物體的發(fā)射率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；T1為熱源的熱力學(xué)溫度；T2為受輻射物體的熱力學(xué)溫度。

由式（3）可知，物體的發(fā)射率與輻射換熱量成線性關(guān)系。受此啟發(fā)，后續(xù)研究中萌發(fā)增加道岔結(jié)構(gòu)、增加輻射能力的想法。通過資料查詢，基本軌及電加熱元件的發(fā)射率取近似值0.17。在仿真模型中建立瞬態(tài)熱傳遞分析步驟，為方便與后續(xù)試驗(yàn)對比，設(shè)置模擬時(shí)間為7 200 s，設(shè)置場變量輸出為每180 s輸出一次溫度節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，單元類型選擇八節(jié)點(diǎn)線性傳熱六面體（DC3D8），并對結(jié)構(gòu)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，環(huán)境溫度設(shè)置為0 ℃，其他對仿真結(jié)果無影響的參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。

建立加熱條加熱和加熱板加熱的道岔結(jié)構(gòu)的有限元模型，分別見圖2及圖3，通過對比進(jìn)一步分析加熱板加熱的仿真加熱效果。

圖2 加熱條加熱道岔結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 加熱板加熱道岔結(jié)構(gòu)有限元模型

3.4 加熱條和加熱板模型仿真

通過以上步驟進(jìn)行模型建立并仿真計(jì)算，在相同加熱功率（500 W）和外界條件下，研究安裝在不同位置的加熱條和加熱板對熱傳遞過程的影響。通過上述相同的條件參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過仿真計(jì)算，2種模型的空氣網(wǎng)格橫截面（XOZ方向）熱場分布見圖4、圖5。

圖4 加熱條加熱道岔結(jié)構(gòu)空氣溫度云圖

圖5 加熱板加熱道岔結(jié)構(gòu)空氣溫度云圖

為對比2種模型對基本軌與岔尖之間區(qū)域溫度的影響，在距基本軌軌頂內(nèi)沿，沿X軸負(fù)方向45 mm，沿Z軸負(fù)方向距軌頂45 mm、90 mm、135 mm處選取3個節(jié)點(diǎn)，分別記為節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2及節(jié)點(diǎn)3，并導(dǎo)出各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線。加熱條加熱和加熱板加熱溫度對比見圖6。由圖6可知，對于加熱板加熱道岔結(jié)構(gòu)，越靠近軌底空氣溫度越高；對于加熱條加熱道岔結(jié)構(gòu)，越靠近軌腰側(cè)空氣溫度越高。

由于在重力作用下，積雪和結(jié)冰由基本軌底部向上發(fā)展，根據(jù)仿真結(jié)果，采用加熱板加熱能更高效地融化堆積于基本軌及尖軌軌底區(qū)域的積雪，但遠(yuǎn)離加熱板的軌底區(qū)域溫度較低，相應(yīng)的融雪效果也會有所下降。通過仿真熱場分析，發(fā)現(xiàn)熱源的發(fā)射率是模型的重要參數(shù)之一，發(fā)射率參數(shù)設(shè)置直接影響熱場分布。查詢資料顯示，對于實(shí)際物體的輻射能力，主要與其發(fā)射率有關(guān)，僅取決于物體自身，與周圍環(huán)境無關(guān)；增加輻射材料可以提高熱源的發(fā)射率。此外，加熱條、加熱板產(chǎn)生的熱量，通過鋼軌外側(cè)面散發(fā)流失為無效加熱，因而提出通過在鋼軌外側(cè)面增加保溫材料的方法，減小熱量流失來提高熱效率。

基于以上研究得出，可利用輻射材料和保溫材料提高融雪設(shè)備熱效率。為驗(yàn)證輻射材料和保溫材料的實(shí)際使用效果，以及有限元模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為電加熱元件后續(xù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐，需要對提高熱效率的方案進(jìn)行試驗(yàn)，采集溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 保溫材料和輻射材料對熱效率的提高

熱效率定義為特定熱能轉(zhuǎn)換裝置有效輸出能量與輸入能量之比，是無量綱指標(biāo)。對于融雪設(shè)備而言，有效輸出能量為匯聚到尖軌與基本軌之間區(qū)域的熱能，輸入能量為融雪設(shè)備使用的電能。在電加熱元件消耗相同電能的情況下，試驗(yàn)采集尖軌與基本軌之間區(qū)域的溫度變化，可以反映融雪設(shè)備有效輸出能量的變化。

為此，提出2種方案進(jìn)行對比試驗(yàn)研究。在搭建的試驗(yàn)平臺上，研究在相同道岔、相同環(huán)境條件下，融雪設(shè)備的尖軌與基本軌之間區(qū)域的溫度，以及基本軌軌底溫度和基本軌外側(cè)面溫度變化情況。選用溫度傳感器對溫度進(jìn)行測量，測點(diǎn)布置在有限元模型中選取的節(jié)點(diǎn)附近區(qū)域，其中測點(diǎn)1布置在鋼軌軌底，測點(diǎn)2布置在鋼軌外側(cè)面，測點(diǎn)3及測點(diǎn)4分別布置在基本軌與尖軌之間區(qū)域，對應(yīng)仿真模型的節(jié)點(diǎn)2及節(jié)點(diǎn)3。同時(shí)，按照圖7、圖8所示開展相關(guān)試驗(yàn)。

圖7 相同功率的加熱條對比試驗(yàn)

圖8 相同功率的加熱板和加熱條對比試驗(yàn)

4.1 保溫材料和輻射材料對傳熱性能的影響

對比相同功率（500 W）條件下，有/無保溫材料、輻射材料對傳熱性能的影響。加熱條安裝在道岔基本軌內(nèi)側(cè)（軌腰位置），一側(cè)的基本軌外側(cè)面有保溫材料、內(nèi)側(cè)面有輻射材料處理，另一側(cè)無處理。測量不同測溫點(diǎn)的溫度值，進(jìn)行100 min試驗(yàn)，記錄初始溫度后，啟動加熱元件加熱，每5 min記錄一次數(shù)據(jù)，總共記錄20組數(shù)據(jù)，溫度曲線見圖9。

由圖9（a）及圖9（b）可知，加熱100 min后，有保溫材料、輻射材料的基本軌軌底溫度為46.9 ℃，而無處理的基本軌對應(yīng)溫度為33.1 ℃，表明有保溫材料、輻射材料的基本軌軌底溫度上升13.8 ℃，溫度上升明顯；相對應(yīng)的軌腰外側(cè)為14.2 ℃和30.9 ℃，基本軌外側(cè)溫度下降達(dá)16.7 ℃，說明有保溫材料明顯減少了基本軌熱量的損耗。這是因?yàn)楸夭牧系膶?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于鋼軌的導(dǎo)熱系數(shù)，相應(yīng)的基本軌外側(cè)面的熱量損失大幅度小于未處理過的基本軌。由圖9（c）及圖9（d）看出，有保溫材料、輻射材料的基本軌熱量損失減小。試驗(yàn)初期有保溫材料和輻射材料的測溫點(diǎn)2和測溫點(diǎn)3低于沒有采取措施的基本軌，是由于這段時(shí)間基本軌主要吸收熱量，當(dāng)基本軌溫度升高后，通過基本軌內(nèi)側(cè)面和加熱條向外界輻射的熱量增加，保溫材料使基本軌外側(cè)面流失熱量較少，因此基本軌與尖軌中間區(qū)域的溫度快速提升，加熱100 min時(shí)，道岔有效加熱區(qū)域溫度上升4 ℃～6 ℃，明顯提升了加熱條的熱效率。

4.2 加熱條和加熱板不同安裝位置對傳熱性能的影響

對比相同功率（500 W）條件下，加熱條和加熱板不同安裝位置對傳熱性能的影響。加熱條及加熱板的位置按照圖2、圖3的方式安裝。進(jìn)行120 min試驗(yàn)，記錄初始溫度后，啟動加熱元件加熱，每10 min記錄一次數(shù)據(jù)，總共記錄12組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)溫度對比曲線見圖10。

圖10 相同功率的加熱條和加熱板加熱試驗(yàn)溫度對比

由圖10可見，加熱板加熱方式基本軌和尖軌之間區(qū)域的溫度高于加熱條加熱方式，其溫度變化是從軌底溫度最高向軌頂方向逐漸減小。從測試數(shù)據(jù)分析來看，加熱板加熱方式比加熱條加熱方式，在啟動加熱120 min后，道岔有效加熱區(qū)域溫度高3 ℃～6 ℃，與仿真結(jié)果的溫度變化趨勢一致。因此，采用加熱板加熱能更高效地融化堆積于基本軌及尖軌軌底區(qū)域的積雪。

5 結(jié)論

隨著融雪設(shè)備熱效率的提高，其經(jīng)濟(jì)效益不僅會逐漸增加，而且也符合節(jié)能環(huán)保要求。通過對道岔結(jié)構(gòu)熱傳遞過程的分析和模擬仿真，加熱板加熱和采用輻射材料和保溫材料來提高融雪設(shè)備熱效率的方案，能夠明顯提升有效加熱區(qū)域溫度。通過模擬仿真與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論。

1）電加熱元件的熱量傳遞是一個比較復(fù)雜的過程，電加熱元件、基本軌、尖軌、滑床臺的熱量無法自發(fā)匯聚到基本軌和岔尖有效融雪區(qū)域，不可避免地會有熱量損失。

2）在基本軌外側(cè)面安裝保溫材料能夠有效降低基本軌熱量的損失；在基本軌軌腰內(nèi)側(cè)面及加熱條上使用輻射材料，可提高通過熱輻射傳遞的熱量。在500 W加熱功率條件下，有輻射材料和保溫材料措施的加熱方案，能夠在100 min內(nèi)提高道岔有效加熱區(qū)域溫度4 ℃～6 ℃，相較于沒有采取任何措施的融雪裝置，能夠有效提高融雪設(shè)備熱效率。

3）在500 W加熱功率條件下，基本軌、尖軌下部安裝加熱板的方式，相比在基本軌軌腰內(nèi)側(cè)安裝加熱條的方式，能夠在加熱120 min內(nèi)提高道岔有效加熱區(qū)域溫度3 ℃～6 ℃，有效提高融雪設(shè)備熱效率。

4）在試驗(yàn)平臺測試加熱板加熱方案時(shí)發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離加熱板的軌底區(qū)域溫度較低，相應(yīng)的融雪效果也會有所下降，滑床臺位置不具備安裝加熱板的條件，此處也是融雪系統(tǒng)加熱的薄弱環(huán)節(jié)。在嚴(yán)寒地區(qū)，可以采用加熱板及加熱條有效組合的形式，進(jìn)一步提高融雪設(shè)備的效率。