CN110851767A - 一种路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法，涉及一种融雪剂最优撒布量的计算方法。目的是解决路用氯盐融雪剂撒布量控制的准确性低的问题。方法：获取质量为M的氯盐融雪剂第20min时和第60min时的融冰质量△M20和△M60，以M、△M20和5条相互平行的温度斜线绘制诺谟图，应用诺谟图得到融雪剂的撒布量计算值，乘以折减系数后即得到最优融雪剂撒布量。本发明分别研究了融雪剂撒布质量和融雪环境温度对融雪剂融冰速率的影响，绘制了氯盐融雪剂在固体融雪阶段的融冰能力诺谟图，整理得到氯盐融雪剂应用的折减系数，最终得到适用于不同情况下的氯盐融雪剂撒布量诺谟图，提高了撒布量的准确性。本发适用于氯盐融雪剂撒布量的计算。

Description

一种路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法
技术领域
本发明涉及一种融雪剂最优撒布量的计算方法。
背景技术
我国大部分地区的公路基础设施在冬季都要遇到降雪天气，降雪天气下道路表层的积雪显著降低了路面摩擦系数，导致车辆行驶难以控制，严重影响公路交通安全。目前道路除冰雪作业主要采用撒布融雪剂方式，该方法操作简单，融雪效果良好，经济成本相对较低，广泛应用于城市道路、高速公路、机场跑道等场所。现阶段融雪剂按组成成分可分为氯盐类、非氯盐类和环保复合型融雪剂，其中氯盐类融雪材料资源丰富、价格低廉且融冰效果好，被广泛应用于城市道路的除冰雪作业。
现阶段氯盐融雪剂种类较多，主要有氯化钠、氯化镁、氯化钙等，撒布方式主要为人工撒布，并且是根据经验确定撒布量，这导致了撒布过程中难以保证撒布量的准确性和撒布的均匀性。融雪剂的过量使用将对交通基础设施产生腐蚀，降低了路面的服役耐久，影响了路面的使用安全。而投放量不足难以达到良好的融雪效果。因此有必要提出一种路用融雪剂撒布量的计算方法，以适应不同降雪环境条件下的融雪需求，同时降低融雪剂对公路基础设施的破坏。
发明内容
本发明为了解决现有路用氯盐融雪剂撒布时撒布量控制的准确性低的问题，提出一种路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法。
本发明路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法按照以下步骤进行：
步骤一：数据获取
将质量为M的氯盐融雪剂均匀撒布在立方体形状的冰块的顶面上，称取融雪剂和冰块的总质量mbefore；然后将冰块放入低温恒温箱中并开始计时，开始计时后的第20min取出冰块并测量质量m1，并停止计时；测量后将冰块放回到低温恒温箱中，继续计时，在第60min取出冰块并测量质量m2；所述低温恒温箱的温度设定为-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃；
当M为M1时，第20min氯盐融雪剂的融冰质量△M20按照公式(1)计算；第60min 的氯盐融雪剂的融冰质量△M60按照公式(2)计算；
△M20＝mbefore-m1 公式(1)
△M60＝mbefore-m2 公式(2)
当M为M2时，第20min氯盐融雪剂的融冰质量△M20按照公式(3)计算；
△M20＝2.8393M 公式(3)
所述M包括M1和M2，M1分别为0.8、1g、1.2g、1.5g、1.6g和2g；M2的取值为 2.1g～60g之间的多个数值并且相邻的数值之间的差为1～5g；
分别测低温恒温箱-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃温度下的氯盐融雪剂的融冰质量△M20和△M60；
步骤二：绘制诺谟图
1)绘制矩形图，在矩形图上绘制5条相互平行的温度斜线，5条温度斜线的间距相等，5条温度斜线由上至下依次对应的温度为-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃；
2)以步骤一选取的氯盐融雪剂的质量M为矩形图的上横坐标，△M20为矩形图的下横坐标；
3)以氯盐融雪剂的质量M为基点向下做垂线，然后以垂线与-5℃温度斜线的交点为基点做水平线，以水平线所对应的M值在低温恒温箱-5℃测得的△M20为基点向上做垂线并与水平线相交，交点即为-5℃诺谟图特征曲线点；
4)将步骤3)的-5℃温度斜线分别替换为-10℃、-15℃、-20℃和-25℃的温度斜线，重复步骤3)的操作，分别得-10℃诺谟图特征曲线点、-15℃诺谟图特征曲线点、-20℃诺谟图特征曲线点和-25℃诺谟图特征曲线点；
5)将-5℃诺谟图特征曲线点、-10℃诺谟图特征曲线点、-15℃诺谟图特征曲线点、-20℃诺谟图特征曲线点和-25℃诺谟图特征曲线点连接，得到诺谟图特征曲线；
步骤三：在诺谟图中的下横坐标中找到与实际降雪质量的数值相等的融冰质量△M20，以△M20为基点向上做垂线，选取与实际环境温度接近的温度斜线与垂线的交点为基点做水平线，以水平线与诺谟图特征曲线的交点为基点做垂线，该垂线所对应矩形图上横坐标的氯盐融雪剂的质量M即为融雪剂的撒布量计算值A；
步骤四：撒布量计算值A乘以折减系数K后，即得到氯盐融雪剂最优撒布量；
所述K为步骤一测量得到的不同低温恒温箱的温度下且M为M1时△M60的总和与△M20的总和的比值。
本发明具备以下有益效果：
本发明针对目前路用氯盐融雪剂撒布时撒布量的准确性低的问题，分别研究了融雪剂撒布质量和融雪环境温度对融雪剂融冰速率的影响，绘制了氯盐融雪剂在固体融雪阶段的融冰能力诺谟图，整理得到氯盐融雪剂应用的折减系数，最终得到适用于不同情况下的氯盐融雪剂撒布量诺谟图，根据实际降雪质量和氯盐融雪剂撒布量诺谟图便可以计算出实际工况条件下融雪剂最优融雪剂撒布量，提高了撒布量的准确性，减少不必要的浪费，避免过量融雪剂给生态环境和基础设施带来的危害。
附图说明：
图1为氯盐融雪剂对应的M与ΔM20的之间的线性关系曲线图；
图2为实施例1中氯化钠、氯化钙和氯化镁三种融雪剂的融雪效果诺谟图。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法按照以下步骤进行：
步骤一：数据获取
将质量为M的氯盐融雪剂均匀撒布在立方体形状的冰块的顶面上，称取融雪剂和冰块的总质量mbefore；然后将冰块放入低温恒温箱中并开始计时，开始计时后的第20min取出冰块并测量质量m1，并停止计时；测量后将冰块放回到低温恒温箱中，继续计时，在第60min取出冰块并测量质量m2；所述低温恒温箱的温度设定为-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃；
当M为M1时，第20min氯盐融雪剂的融冰质量△M20按照公式(1)计算；第60min 的氯盐融雪剂的融冰质量△M60按照公式(2)计算；
△M20＝mbefore-m1 公式(1)
△M60＝mbefore-m2 公式(2)
当M为M2时，第20min氯盐融雪剂的融冰质量△M20按照公式(3)计算；
△M20＝2.8393M 公式(3)
所述M包括M1和M2，M1分别为0.8、1g、1.2g、1.5g、1.6g和2g；M2的取值为 2.1g～60g之间的多个数值并且相邻的数值之间的差为1～5g；
分别测低温恒温箱-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃温度下的氯盐融雪剂的融冰质量△M20和△M60；
步骤二：绘制诺谟图
1)绘制矩形图，在矩形图上绘制5条相互平行的温度斜线，5条温度斜线的间距相等，5条温度斜线由上至下依次对应的温度为-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃；
2)以步骤一选取的氯盐融雪剂的质量M为矩形图的上横坐标，△M20为矩形图的下横坐标；
3)以氯盐融雪剂的质量M为基点向下做垂线，然后以垂线与-5℃温度斜线的交点为基点做水平线，以水平线所对应的M值在低温恒温箱-5℃测得的△M20为基点向上做垂线并与水平线相交，交点即为-5℃诺谟图特征曲线点；
4)将步骤3)的-5℃温度斜线分别替换为-10℃、-15℃、-20℃和-25℃的温度斜线，重复步骤3)的操作，分别得-10℃诺谟图特征曲线点、-15℃诺谟图特征曲线点、-20℃诺谟图特征曲线点和-25℃诺谟图特征曲线点；
5)将-5℃诺谟图特征曲线点、-10℃诺谟图特征曲线点、-15℃诺谟图特征曲线点、-20℃诺谟图特征曲线点和-25℃诺谟图特征曲线点连接，得到诺谟图特征曲线；
步骤三：在诺谟图中的下横坐标中找到与实际降雪质量的数值相等的融冰质量△M20，以△M20为基点向上做垂线，选取与实际环境温度接近的温度斜线与垂线的交点为基点做水平线，以水平线与诺谟图特征曲线的交点为基点做垂线，该垂线所对应矩形图上横坐标的氯盐融雪剂的质量M即为融雪剂的撒布量计算值A；
步骤四：撒布量计算值A乘以折减系数K后，即得到氯盐融雪剂最优撒布量；
所述K为步骤一测量得到的不同低温恒温箱的温度下且M为M1时△M60的总和与△M20的总和的比值。
本实施方式具备以下有益效果：
本实施方式针对目前路用氯盐融雪剂撒布时撒布量的准确性低的问题，分别研究了融雪剂撒布质量和融雪环境温度对融雪剂融冰速率的影响，绘制了氯盐融雪剂在固体融雪阶段的融冰能力诺谟图，整理得到氯盐融雪剂应用的折减系数，最终得到适用于不同情况下的氯盐融雪剂撒布量诺谟图，根据实际降雪质量和氯盐融雪剂撒布量诺谟图便可以计算出实际工况条件下融雪剂最优融雪剂撒布量，提高了撒布量的准确性，减少不必要的浪费，避免过量融雪剂给生态环境和基础设施带来的危害。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述立方体冰块的质量为17～19g。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述立方冰块的体顶面为(2～3)cm×2.5cm的正方形。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述氯盐融雪剂为氯化钠、氯化钙、氯化镁一种或多种。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二1)所述 5条相互平行的温度斜线的斜率相同且均为40～60度。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二2)所述的融冰质量△M20为当M为M1和M2时计算得到的融冰质量△M20。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三所述的融冰质量△M20为当M为M1和M2时计算得到的融冰质量△M20。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三所述的实际环境温度接近的温度斜线所对应的温度与实际环境温度相差值小于2.5℃；若温度斜线所对应的温度与实际环境温度相差值为2.5℃，则选取较低温度对应的温度斜线。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三所述实际降雪质量为每小时降于1m2的路面的雪的质量。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法按照以下步骤进行：
步骤一：数据获取
将质量为M的氯盐融雪剂均匀撒布在立方体形状的冰块的顶面上(立方体冰块的质量为18g，立方体冰块的顶面为2.5cm×2.5cm的正方形)，称取融雪剂和冰块的总质量mbefore；然后将冰块放入低温恒温箱中并开始计时，开始计时后的第20min取出冰块并测量质量m1，并停止计时；测量后将冰块放回到低温恒温箱中，继续计时，第60min取出冰块并测量质量m2；所述低温恒温箱的温度设定为-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃；
当M为M1时，第20min氯盐融雪剂的融冰质量△M20按照公式(1)计算；第60min 的氯盐融雪剂的融冰质量△M60按照公式(2)计算；
△M20＝mbefore-m1 公式(1)
△M60＝mbefore-m2 公式(2)
由于冰块的顶面上撒布了融雪剂，因此低温恒温箱中冰块接触融雪剂部分会融化成水，冰块质量减小。试验表明融雪剂的融冰质量随融雪剂质量的增加而加快，并且通过函数拟合发现，20min的融雪剂融冰质量与融雪剂撒布质量呈正线性相关，因此，当M大于2g时，利用公式(1)来计算△M20能够减少实验工作量；
当M为M2时，第20min氯盐融雪剂的融冰质量△M20按照公式(3)计算；
△M20＝2.8393M 公式(3)
所述M包括M1和M2，M1分别为0.8、1g、1.2g、1.5g、1.6g和2g；M2的取值为 2.1g～60g之间的多个数值并且相邻的数值之间的差为1～5g；
分别测低温恒温箱-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃温度下的氯盐融雪剂的融冰质量△M20和△M60；
所述氯盐融雪剂为氯化钠、氯化钙和氯化镁；步骤一测得的氯化镁的△M20和△M60 见表1，测得的氯化钠的△M20和△M60见表2，测得的氯化钙的△M20和△M60见表3；
步骤二：绘制诺谟图
1)绘制矩形图，在矩形图上绘制5条相互平行的温度斜线，5条温度斜线的间距相等，5条温度斜线由上至下依次对应的温度为-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃；
所述5条相互平行的温度斜线的斜率相同且均为45度。本实施例中5条温度斜线的间距均为1cm，该间距绘制得到的诺谟图便于打印以及应用时在诺谟图中确定数据；
2)以步骤一选取的氯盐融雪剂的质量M为矩形图的上横坐标，△M20为矩形图的下横坐标；
3)以氯盐融雪剂的质量M为基点向下做垂线，然后以垂线与-5℃温度斜线的交点为基点做水平线，以水平线所对应的M值在低温恒温箱-5℃测得的△M20为基点向上做垂线并与水平线相交，交点即为-5℃诺谟图特征曲线点；
例如，以表1中氯化镁的质量0.8g为基点向下做垂线，然后以垂线与-5℃温度斜线的交点为基点做水平线，以0.25g为基点向上做垂线并与水平线相交，交点即为-5℃诺谟图特征曲线点；
4)将步骤3)的-5℃温度斜线分别替换为-10℃、-15℃、-20℃和-25℃的温度斜线，重复步骤3)的操作，分别得-10℃诺谟图特征曲线点、-15℃诺谟图特征曲线点、-20℃诺谟图特征曲线点和-25℃诺谟图特征曲线点；
例如，以表1中氯化镁的质量0.8g为基点向下做垂线，然后以垂线与-10℃温度斜线的交点为基点做水平线，以0.24g为基点向上做垂线并与水平线相交，交点即为-10℃诺谟图特征曲线点；
5)将-5℃诺谟图特征曲线点、-10℃诺谟图特征曲线点、-15℃诺谟图特征曲线点、-20℃诺谟图特征曲线点和-25℃诺谟图特征曲线点连接，得到诺谟图特征曲线；
步骤三：在诺谟图中的下横坐标中找到与实际降雪质量的数值相等的融冰质量△M20，以△M20为基点向上做垂线，选取与实际环境温度接近的温度斜线与垂线的交点为基点做水平线，以水平线与诺谟图特征曲线的交点为基点做垂线，该垂线所对应矩形图上横坐标的氯盐融雪剂的质量M即为融雪剂的撒布量计算值A；所述的实际环境温度接近的温度斜线所对应的温度与实际环境温度相差值小于2.5℃；若温度斜线所对应的温度与实际环境温度相差值为2.5℃，则选取较低温度对应的温度斜线。
所述实际降雪质量为每小时降于1m2的路面的雪的质量。
步骤四：撒布量计算值A乘以折减系数K后，即得到氯盐融雪剂最优撒布量；所述 K为步骤一测量得到的不同低温恒温箱的温度下且M为M1时△M60的总和与△M20的总和的比值(即表1中所有的△M60的和与所有的△M20的和的比值为K)；
本实施例中氯化钙对应K＝0.789，氯化镁对应K＝0.737，氯化钠对应K＝0.442。
图1为氯盐融雪剂对应的M与ΔM20的之间的线性关系曲线图；M分别为0.8、1g、1.2g、1.5g、1.6g和2g，由图1可知，20min的融雪剂融冰质量与融雪剂撒布质量呈正线性相关，因此能够计算出不同融雪剂质量M对应的融冰质量△M20；
图2为氯化钠、氯化钙和氯化镁三种融雪剂的融雪效果诺谟图，图中曲线a对应氯化钠，曲线b对应氯化镁，曲线c对应氯化钙。本实施例中根据实际降雪质量和氯盐融雪剂撒布量诺谟图(图2)便可以计算出实际工况条件下三种融雪剂最优融雪剂撒布量，提高了撒布量的准确性，减少不必要的浪费，避免过量融雪剂给生态环境和基础设施带来的危害。一般情况下，当环境温度为-20℃～-25℃时选择氯化钙融雪剂或氯化镁融雪剂；当环境温度为-20℃以上时选择氯化钠融雪剂、氯化钙融雪剂或氯化镁融雪剂；
表1
Figure BDA0002266627750000071
Figure BDA0002266627750000081
表2
Figure BDA0002266627750000082
Figure BDA0002266627750000091
表3
Figure BDA0002266627750000092
Figure BDA0002266627750000101

Claims (9)

1.一种路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
步骤一：数据获取
将质量为M的氯盐融雪剂均匀撒布在立方体形状的冰块的顶面上，称取融雪剂和冰块的总质量mbefore；然后将冰块放入低温恒温箱中并开始计时，开始计时后的第20min取出冰块并测量质量m1，并停止计时；测量后将冰块放回到低温恒温箱中，继续计时，在第60min时取出冰块并测量质量m2；所述低温恒温箱的温度设定为-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃；
当M为M1时，第20min氯盐融雪剂的融冰质量△M20按照公式(1)计算；第60min的氯盐融雪剂的融冰质量△M60按照公式(2)计算；
△M20＝mbefore-m1 公式(1)
△M60＝mbefore-m2 公式(2)
当M为M2时，第20min氯盐融雪剂的融冰质量△M20按照公式(3)计算；
△M20＝2.8393M 公式(3)
所述M包括M1和M2，M1分别为0.8、1g、1.2g、1.5g、1.6g和2g；M2的取值为2.1g～60g之间的多个数值并且相邻的数值之间的差为1～5g；
分别测低温恒温箱-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃温度下的氯盐融雪剂的融冰质量△M20和△M60；
步骤二：绘制诺谟图
1)绘制矩形图，在矩形图上绘制5条相互平行的温度斜线，5条温度斜线的间距相等，5条温度斜线由上至下依次对应的温度为-5℃、-10℃、-15℃、-20℃和-25℃；
2)以步骤一选取的氯盐融雪剂的质量M为矩形图的上横坐标，△M20为矩形图的下横坐标；
3)以氯盐融雪剂的质量M为基点向下做垂线，然后以垂线与-5℃温度斜线的交点为基点做水平线，以水平线所对应的M值在低温恒温箱-5℃测得的△M20为基点向上做垂线并与水平线相交，交点即为-5℃诺谟图特征曲线点；
4)将步骤3)的-5℃温度斜线分别替换为-10℃、-15℃、-20℃和-25℃的温度斜线，重复步骤3)的操作，分别得-10℃诺谟图特征曲线点、-15℃诺谟图特征曲线点、-20℃诺谟图特征曲线点和-25℃诺谟图特征曲线点；
5)将-5℃诺谟图特征曲线点、-10℃诺谟图特征曲线点、-15℃诺谟图特征曲线点、-20℃诺谟图特征曲线点和-25℃诺谟图特征曲线点连接，得到诺谟图特征曲线；
步骤三：在诺谟图中的下横坐标中找到与实际降雪质量的数值相等的融冰质量△M20，以△M20为基点向上做垂线，选取与实际环境温度接近的温度斜线与垂线的交点为基点做水平线，以水平线与诺谟图特征曲线的交点为基点做垂线，该垂线所对应矩形图上横坐标的氯盐融雪剂的质量M即为融雪剂的撒布量计算值A；
步骤四：撒布量计算值A乘以折减系数K后，即得到氯盐融雪剂最优撒布量；
所述K为步骤一测量得到的不同低温恒温箱的温度下且M为M1时△M60的总和与△M20的总和的比值。
2.根据权利要求1所述的路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法，其特征在于：步骤一所述立方体冰块的质量为17～19g。
3.根据权利要求1所述的路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法，其特征在于：步骤一所述立方冰块的体顶面为(2～3)cm×2.5cm的正方形。
4.根据权利要求1所述的路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法，其特征在于：步骤一所述氯盐融雪剂为氯化钠、氯化钙、氯化镁一种或多种。
5.根据权利要求1所述的路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法，其特征在于：步骤二1)所述5条相互平行的温度斜线的斜率相同且均为40～60度。
6.根据权利要求1所述的路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法，其特征在于：步骤二2)所述的融冰质量△M20为当M为M1和M2时计算得到的融冰质量△M20。
7.根据权利要求1所述的路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法，其特征在于：步骤三所述的融冰质量△M20为当M为M1和M2时计算得到的融冰质量△M20。
8.根据权利要求1所述的路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法，其特征在于：步骤三所述的实际环境温度接近的温度斜线所对应的温度与实际环境温度相差值小于2.5℃；若温度斜线所对应的温度与实际环境温度相差值为2.5℃，则选取较低温度对应的温度斜线。
9.根据权利要求1所述的路用氯盐融雪剂最优撒布量的计算方法，其特征在于：步骤三所述实际降雪质量为每小时降于1m2的路面的雪的质量。
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