CN105002803B - 一种碳纤维加热膜智能融冰方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维加热膜智能融冰方法及装置，该方法通过对碾压平整的沥青路面涂抹上配制好的环氧树脂胶料，然后根据所需的最低能耗计算碳纤维加热膜的铺设数量，然后进行碳纤维加热膜的铺设，并结合控制装置和温湿度传感器智能控制碳纤维加热膜的工作状态。本发明提供一种能够高效融冰，并且可以提前预防凝冰现象的碳纤维加热膜智能融冰方法及装置。

Description

一种碳纤维加热膜智能融冰方法及装置

技术领域

本发明涉及道路融冰方法，尤其涉及一种碳纤维加热膜智能融冰方法及装置。

背景技术

在云贵川高原潮湿地区的冬季，凝冰现象是影响道路交通安全，道路运输效率的一个重要因素。对于这个问题，目前已有的解决方案中，大多以人工清除为主，但人工清除不仅工作量大，且无法做到提前预防的效果。同时，撒融雪剂等措施也会对环境造成影响。近年，针对于融冰问题，也采取了一些物理消融的措施，例如埋置发热电缆，地热管，利用导电混凝土等，但这些方式都具有能耗大的弊端，限制了其大范围的推广。

通常来讲，传统的除雪方式分为融雪剂除雪和机械除雪两种。然而采用融雪剂除雪不足之处在于：在融雪剂除雪后，道路上会有一定有融雪剂残留，含有氧化钠的融雪剂能够改变土壤的性质造成土壤板结，严重危害路旁植物的生长；融雪剂与沥青发生化学反应，减小了沥青与砂石料的握裹能力，还能与路基上的金属形成原电池，加快路面的破损，缩短了道路的寿命；而且能腐蚀车辆，融雪剂附在汽车底盘上，与底盘上有油泥会逐步渗透到底盘保护膜，使底盘生锈、变形，产生噪声；大量散布在路面上的融雪剂，被融水和雨水冲刷与路面排水一起汇入河流或湖泊水域后，污染了水体，如果渗入地下也会对饮用水造成影响。采用机械除雪，它虽存在效率高、机动性强的优点，但也存在一定的不足之处：对交通影响大，最为突出的问题在于对路面、桥面、交通标线等路产设施的损坏。并且我国的融雪机械功能单一，能耗大，而进口国外综合性能强的除雪机械价格过于昂贵，维修保养费用也高。

因此，我们的设计结合了碳纤维和环氧树脂这两种性能优良的新材料，将其制作成薄膜的形式，铺设在道路中间。利用温湿度传感器检测道路的温度和湿度，当温度和湿度达到了设定的数值时，模糊控制器经过修正后，打开内部的控制开关，使碳纤维加热膜开始工作，从而达到给路面升温的效果。该方法与传统方法相比，最大的优势在于可以实时并且提前预防凝冰现象的产生。经过试验测试，该方案的能耗相比于常用的消融法也得到了降低，更加具有推广运用的前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中融冰方法效率低，消耗能源大的缺陷，提供一种能够高效融冰，并且可以提前预防凝冰现象的碳纤维加热膜智能融冰方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种碳纤维加热膜智能融冰方法，包括以下步骤：

S1、对沥青路面的中面层，用压路机碾压平整，并保持路面干燥、清洁；

S2、在沥青路面的中面层需要铺设碳纤维加热膜的位置，涂抹上配制好的环氧树脂胶料；

S3、根据所需的最低能耗计算碳纤维加热膜的铺设数量后，进行碳纤维加热膜的铺设，具体步骤为：

S31、根据不同环境条件，通过实验测试出碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下的扩散距离，并将测试结果建立数据库；

S32、根据当地的环境条件，调出数据库中碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下对应的扩散距离，并计算沥青路面升温到0度以上每平米所需要的功率P，计算公式为：

其中，p’为输入功率，l为碳纤维加热膜的宽度，b为从碳纤维加热膜边缘向外的扩散距离；

S33、根据计算结果统计碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下的能耗，从而确定最低能耗时碳纤维加热膜的边长，进而根据路面的实际宽度来确定所需的碳纤维加热膜的数量；

S4、在碳纤维加热膜上在涂抹一层环氧树脂胶料，并铺设上面层沥青混凝土；

S5、铺设完成碳纤维加热膜和沥青路面后，设置控制装置和温湿度传感器，并设定控制参数。

步骤S2中的环氧树脂胶料由A、B两部分组成，A部分为单纯的环氧树脂，B部分为固化剂，稀释剂，填充剂以及增韧剂，A、B两部分密封存放，保持干燥，在施工前现场根据配比现场进行拌合。

步骤S3中还需要对碳纤维加热膜的导线进行处理，用钢钉对导线进行固定，每一排的碳纤维加热膜留出至少50cm长的导线，用于接入主导线，主导线埋置在路肩外侧。

本发明提供一种碳纤维加热膜智能融冰装置，包括碳纤维加热膜、自适应模糊控制器，碳纤维加热膜通过导线与自适应模糊控制器相连，自适应模糊控制器上设置有温湿度传感器，温湿度传感器将收集到的沥青路面温湿度信号发送给自适应模糊控制器，自适应模糊控制器用于根据沥青路面温湿度信号控制碳纤维加热膜加热。

碳纤维加热膜设置有多排，不同排之间通过导线并联。

同一排上通过导线串联有多个碳纤维加热膜。

碳纤维加热膜采用环氧树脂包裹片状碳纤维的形式。

碳纤维加热膜设置在沥青路面的上面层和中面层之间。

自适应模糊控制器内部有控制开关。

本发明产生的有益效果是：本发明的碳纤维加热膜智能融冰方法及装置，根据不同的环境条件，通过所需的最低能耗计算碳纤维加热膜的铺设数量，从而达到能源的最高利用率，减少了能源的损耗；并且通过温湿度传感器收集到的温湿度信息智能的判断加热条件，控制碳纤维加热膜进行加热。本发明的方法可以减少传统融冰方法对能源的损耗，并且可以提前预防凝冰现象的产生。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的碳纤维加热膜智能融冰方法的流程图；

图2是本发明实施例的碳纤维加热膜智能融冰装置的立体结构示意图；

图3是本发明实施例的碳纤维加热膜智能融冰装置的平面结构示意图；

图中1-碳纤维加热膜，2-自适应模糊控制器，3-导线，4-温湿度传感器，5-沥青路面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明的碳纤维加热膜智能融冰方法的流程图，包括以下步骤：

S1、对沥青路面的中面层，用压路机碾压平整，并保持路面干燥、清洁；

S2、在沥青路面的中面层需要铺设碳纤维加热膜的位置，涂抹上配制好的环氧树脂胶料；

S3、根据所需的最低能耗计算碳纤维加热膜的铺设数量后，进行碳纤维加热膜的铺设，具体步骤为：

S31、根据不同环境条件，通过实验测试出碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下的扩散距离，并将测试结果建立数据库；

S32、根据当地的环境条件，调出数据库中碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下对应的扩散距离，并计算沥青路面升温到0度以上每平米所需要的功率P，计算公式为：

其中，p’为输入功率，l为碳纤维加热膜的宽度，b为从碳纤维加热膜边缘向外的扩散距离；

S33、根据计算结果统计碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下的能耗，从而确定最低能耗时碳纤维加热膜的边长，进而根据路面的实际宽度来确定所需的碳纤维加热膜的数量；

S4、在碳纤维加热膜上在涂抹一层环氧树脂胶料，并铺设上面层沥青混凝土；

S5、铺设完成碳纤维加热膜和沥青路面后，设置控制装置和温湿度传感器，并设定控制参数。

环氧树脂胶料由A、B两部分组成，A部分为单纯的环氧树脂，B部分为固化剂，稀释剂，填充剂以及增韧剂等。A、B两部分密封存放，保持干燥，在施工前现场根据配比现场进行拌合，环氧树脂胶料的配置需准确计量各个组分，配置时应控制温度在60℃以下。

还需要对碳纤维加热膜的导线进行处理，用钢钉对导线进行固定，每一排的碳纤维加热膜留出至少50cm长的导线，用于接入主导线，主导线埋置在路肩外侧。

设置不同环境条件，通过实验测出碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下的扩散距离(从膜边缘向外算起)，建立数据库，以便根据当地环境条件调出对应的数据。根据当地具体的环境条件调出对应的数据。例如，调出在平均温度零下三摄氏度时，碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下的扩散距离。计算每排铺设膜的张数n，其计算公式为：

单张膜在特定功率下的能耗p，其计算公式为：

每排碳纤维膜发热时覆盖的面积A，其计算公式为：

计算路面升溫至0度以上每平方米路面所要消耗的功率P，其计算公式为：

其中，P为路面升溫至0℃以上每平方米所要消耗的功率，单位为W/m²；n为每排铺设膜的张数，向上取整；p为单张膜在特定功率下的能耗，单位为W；p’为输入的功率，单位为W/m²；A为每排碳纤维膜发热时覆盖的面积，单位为m²；L为每条行车道宽，取375cm；l为碳纤维加热膜的宽度，取10,20,30,40,50cm；b为从膜边缘向外边扩散的距离，单位为cm。根据以上公式，设定具体的环境条件，改变膜的宽度和输入功率，可以得出对应的路面每平方米耗能最少的情况。

本发明根据不同环境拟定了不同的凝冰危害等级，针对不同的危害等级采用相应的应对方案。综合凝冰气象条件分析，用凝冰危害指数来表达凝冰的危害程度，相关的计算因子主要有路面温度、空气湿度、降水、前期凝冰持续时间。可以根据气温预报以及气温与路面温度关系确定路面温度预报值，结合降水预报和前期路面持续凝冰日数，得出路面凝冰危害指数预报，计算如下：

I＝Tdi+Ri+Ti+Di

Tdi为最低路面温度对应的危害指数，Ri为降水对应的危害指数，Ti为日平均路面温度对应的危害指数，Di为前期凝冰日数对应的危害指数。按照道路凝冰对交通安全的影响程度，道路凝冰危害划分为5级。不同的应对方案即采用不同的输入功率。将不同的凝冰等级和应对方案写入程序中，自适应模糊控制器根据温湿度感应器所监测到的数据判断凝冰危害等级，从而采用相应的应对措施。

在每一加热路段布置一个控制装置，在控制装置附近的路面上布置一个温湿度传感器，用以测定环境的温度和湿度。控制装置的输入端连接温湿度传感器的输出端，控制装置中的控制开关串联在碳纤维加热膜的供电回路中。然后对控制参数进行设置，为了覆盖所有发生在云贵川地区的凝冰发生时的相对湿度，将控制湿度设定为80％，然后进行温度控制，控制温度设定为-3℃，两个控制采用并的逻辑电路。同时设定不同的凝冰危害等级和相应的应对措施。

如图2所示，本发明的一种碳纤维加热膜智能融冰装置，包括碳纤维加热膜1、自适应模糊控制器2，碳纤维加热膜1通过导线3与自适应模糊控制器2相连，自适应模糊控制器2上设置有温湿度传感器4，温湿度传感器4将收集到的沥青路面温湿度信号发送给自适应模糊控制器2，自适应模糊控制器2用于根据沥青路面5温湿度信号控制碳纤维加热膜1加热。

碳纤维加热膜1设置有多排，每一排中的碳纤维加热膜1与碳纤维加热膜1之间采用的是串联的连接方式，不同的排与排之间采用的是并联的连接方式。碳纤维加热膜1放置在沥青路面5的上面层和中面层之间。该装置采用的碳纤维加热膜1采用环氧树脂包裹片状碳纤维的形式，环氧树脂的优良性能对碳纤维起到很好的保护作用，且不影响碳纤维的传热效果。同时，环氧树脂的粘结性能也保证了碳纤维加热膜1和沥青路面5的结合，保证沥青路面5结构的力学性能。

如图3所示，是本装置的平面结构示意图，沥青路面5的宽度为3.5m，碳纤维加热膜1为正方形，边长为50cm，碳纤维加热膜1的大小可以根据沥青路面5的宽度来调整，不同面积的碳纤维加热膜1的融冰效率不同。

温湿度传感器4用于沥青路面5的温度和湿度信息，使用数字温湿度传感器SHT11，温湿度传感器4将实时信息发送给自适应模糊控制器2，温湿度传感器见检测的数据实时传输给自适应模糊控制器2，当沥青路面5的温度和湿度达到预先设定的数值时，自适应模糊控制器2启动其内部的控制开关，碳纤维加热膜1开始工作，使路面温度升高，化解凝冰。由于温湿度传感器4是贴在路表面，当温湿度传感器4检测到的沥青路面5温度到达一定数值时，自适应模糊控制2关闭开关，碳纤维加热膜1停止工作，这样就达到了预防道路凝冰现象的产生。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种碳纤维加热膜智能融冰方法，其特征在于，通过碳纤维加热膜智能融冰装置实现，该装置包括碳纤维加热膜(1)、自适应模糊控制器(2)，所述碳纤维加热膜(1)通过导线(3)与所述自适应模糊控制器(2)相连，所述自适应模糊控制器(2)上设置有温湿度传感器(4)，所述温湿度传感器(4)将收集到的沥青路面(5)温湿度信号发送给所述自适应模糊控制器(2)，所述自适应模糊控制器(2)用于根据沥青路面(5)温湿度信号控制所述碳纤维加热膜(1)加热；

该方法包括以下步骤：

S1、对沥青路面的中面层，用压路机碾压平整，并保持路面干燥、清洁；

S2、在沥青路面的中面层需要铺设碳纤维加热膜的位置，涂抹上配制好的环氧树脂胶料；

S3、根据所需的最低能耗计算碳纤维加热膜的铺设数量后，进行碳纤维加热膜的铺设，具体步骤为：

S31、根据不同环境条件，通过实验测试出碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下的扩散距离，并将测试结果建立数据库；

S32、根据当地的环境条件，调出数据库中碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下对应的扩散距离，并计算沥青路面升温到0度以上每平米所需要的功率P，计算公式为：

$P=\frac{p^{\′}\×l^2}{{(l+2b)}^2}$

其中，p’为输入功率，l为碳纤维加热膜的宽度，b为从碳纤维加热膜边缘向外的扩散距离；

S33、根据计算结果统计碳纤维加热膜在不同边长和不同输入功率下的能耗，从而确定最低能耗时碳纤维加热膜的边长，进而根据路面的实际宽度来确定所需的碳纤维加热膜的数量；

S4、在碳纤维加热膜上在涂抹一层环氧树脂胶料，并铺设上面层沥青混凝土；

S5、铺设完成碳纤维加热膜和沥青路面后，设置控制装置和温湿度传感器，并设定控制参数。

2.根据权利要求1所述的碳纤维加热膜智能融冰方法，其特征在于，步骤S2中的环氧树脂胶料由A、B两部分组成，A部分为单纯的环氧树脂，B部分为固化剂，稀释剂，填充剂以及增韧剂，A、B两部分密封存放，保持干燥，在施工前现场根据配比现场进行拌合。

3.根据权利要求1所述的碳纤维加热膜智能融冰方法，其特征在于，步骤S3中还需要对碳纤维加热膜的导线进行处理，用钢钉对导线进行固定，每一排的碳纤维加热膜留出至少50cm长的导线，用于接入主导线，主导线埋置在路肩外侧。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤维加热膜智能融冰方法，其特征在于，所述碳纤维加热膜(1)设置有多排，不同排之间通过导线(3)并联。

5.根据权利要求4所述的一种碳纤维加热膜智能融冰方法，其特征在于，同一排上通过导线(3)串联有多个所述碳纤维加热膜(1)。

6.根据权利要求1所述的一种碳纤维加热膜智能融冰方法，其特征在于，所述碳纤维加热膜(1)采用环氧树脂包裹片状碳纤维的形式。

7.根据权利要求1所述的一种碳纤维加热膜智能融冰方法，其特征在于，所述碳纤维加热膜(1)设置在沥青路面(5)的上面层和中面层之间。

8.根据权利要求1所述的一种碳纤维加热膜智能融冰方法，其特征在于，所述自适应模糊控制器(2)内部有控制开关。