CN114150547B - 一种应用于机场融冰雪的定向传热路面及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于机场融冰雪的定向传热路面及其控制方法，包括结构与控制方法两部分，其结构从下到上包括碎石基层、普通沥青混凝土下面层、隔热层、发热电缆、导热混凝土上面层。隔热层的目的是阻隔热量向下传递，保证热量聚集于上面层；导热混凝土上面层是将铁颗粒或其他导热介质，根据其导热性能，按照一定比例掺入沥青混凝土中。该结构利用传热学理论，当上表面温度到达融冰雪要求时，控制小于额定功率的电压，对发热电缆进行持续加热。本发明提出的定向导热结构，解决了传统电加热路面热量四散，传热效率低的问题，其持续性加热控制方法，解决了间歇式加热时发热电缆由于反复通电造成的使用寿命低及更换不变的问题。

Description

一种应用于机场融冰雪的定向传热路面及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能融冰雪路面，具体涉及一种应用于机场融冰雪的定向传热路面及其控制方法。

背景技术

冬天机场跑道积雪和结冰对飞机起飞和降落造成了诸多安全隐患，给人们自身安全带来了严重影响。在冰雪天气中，路面附着能力大大降低，对飞机行驶的动力性和安全性都颇为不利。现在常有的路面融冰除雪的方法主要包括人工或机械清除法，融雪效果不佳，且均在出现冰雪路面的情况下进行融雪，不能在结冰积雪前进行预防。20世纪90年代初期，国外电热技术引入国内，将发热电缆埋设在路面下，通电后产生热量可以消除路面的积雪和化冰。但是在融冰雪过程中，传统的电加热路面会出现能量四散、传输效率低以及在发热电缆沥青路面的调控方式不智能，而引起的发热电缆损坏严重的问题。本发明通过提供一种应用于机场融冰雪的定向传热路面及其控制方法，解决电加热路面会出现能量四散、传输效率低的问题，同时，通过控制方式的改变，提高了发热电缆的使用寿命，减少了路面的改造维修。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种应用于机场融冰雪的定向传热路面及其控制方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于机场融冰雪的定向传热路面，从下至上依次包括碎石基层、沥青混凝土下面层、隔热层、发热电缆、导热混凝土上面层，和外部控制器；所述导热混凝土上面层上表面安装温度传感器、湿度传感器；

所述控制器采用金属盒体封装于路基旁侧，分别连接温度传感器、湿度传感器以及发热电缆，其内部设置有加热控制电路且所述加热控制电路与所述金属盒体绝缘设置。

进一步的，所述碎石路基层采用黏弹橡胶沥青碎石材料，其碎石材料相互嵌锁形成支撑结构，基层厚度范围为32-34cm。

进一步的，所述沥青混凝土下面层采用黏弹橡胶沥青混凝土材料，下面层厚度范围为10-14cm。

进一步的，所述导热混凝土上面层采用铁颗粒和导热介质的混合材料，其中导热介质的混合比例为5％-15％，导热混凝土上面层厚度范围为4-6cm。

进一步的，所述发热电缆蛇形铺装于所述隔热层和导热混凝土上层的层间，其发热电缆的线性功率为30W/m，其最小弯曲半径为发热电缆直径的5-6倍，发热电缆层的厚度为0.7-1.0cm。

进一步的，所述隔热层采用玻璃纤维布或石棉网材料，隔热层的厚度为0.1-0.3cm。

进一步的，所述控制电路包括直流电压源U、全控型电力控件T、滤波电感L、滤波电容C、续流二极管D，其中：

所述直流电压源U的正极端依次通过全控型电力控件T和滤波电感L连接所述发热电缆的一端，发热电缆的另一端连接致力路电压源U的负极端

续流二极管D的阴极端连接全控型电力控件T的输出端，阳极端连接直流电压源的负极；

滤波电容C的并联于发热电缆的两端；

在通电期间，全控型电力控件T导通，滤波电感L蓄能，续流二极管D反偏，在断电期间，全控型电力控件T关闭，滤波电感L释能，续流二极管D导通续流，负载输出电压u0＝Dud，其中ud为直流电压源的输出电压，D为续流二极管的降压参数。

还提出一种应用于机场融冰雪的定向传热路面控制方法，包括如下步骤：

S1、根据比热容公式计算冰雪融化所需要吸收的热量；

S2、根据层间热量传递至上表面的折减计算由发热电缆传递到上表面的热量；

S3、根据步骤S1计算的冰雪融化所需要的热量和步骤S2计算的折减热量，对发热电缆通电加热，利用外部控制器控制加热电缆进行持续恒温加热。

进一步的，所述外部控制器控制原理为：

在加热初期，输入直流电压Ud，Ud大小为额定电压大小，即输入功率为额定功率，发热电缆正常加热，产热的热量大于抵挡外界环境消耗的热量，路面温度持续上升；

当路面温度达到预定温度时，系统以小于额定输入功率的功率进行输入，产热的热量等于抵挡外界环境消耗的热量，路面温度保持预定温度不变。

进一步的，单位质量的冰雪从t₁℃的冰融化为t₃℃的水所需总热量所需的恒定电压为：

本发明具有以下有益效果：

1.传统的电加热路面，在加热过程中存在着能量四散，造成加热效率低的问题；本发明将路面结构上面层中掺入导热介质，实现热量定向传导，同时，在电缆下方铺设隔热层，实现热量阻断作用，将热量聚集引导至道路表面，提高了融冰雪效率。

2.传统的电加热路面，控制的方式为间歇式加热，电缆反复通电、断电，降低了电缆的使用寿命；本发明通过持续性加热方式使发热电缆持续加热，与传统的间歇式加热方法相比，持续性加热方法对电缆的损害较小，从而达到了延长电缆使用寿命的目的。

3.与普通路面修复相比，传统的电加热路面改造铺装成本高，维修时间长，维修困难；本发明通过持续性加热方式使发热电缆持续加热，电缆不易损坏，提高了路面的使用寿命，降低了建设成本。

4.与普通路面相比，机场道面在受到重荷载作用时易产生结构性破坏；本发明用高黏弹橡胶沥青大粒径碎石基层替代传统的水泥稳定碎石半刚性上、下基层，嵌挤碾压，多层铺筑，石料嵌锁形成后将构成结构性支撑性结构，可有效提高刚性上基层的结构强度，防止基层开裂断板和破碎等病，提高了机场道面的承载力，保证了飞机降落于起飞的安全性。

附图说明

图1为本发明中所涉及的道路结构立体示意图；

图2为本发明中发热电缆铺装结构示意图；

图3为本发明中隔热层示意图；

图4为本发明中热量传递方向示意图；

图5为发明的控制方式流程示意图。

图6为本发明外部控制器电路原理图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种应用于机场融冰雪的定向传热路面及其控制方法，如图1所示，其结构从下到上包括碎石基层、普通沥青混凝土下面层、隔热层、发热电缆、导热混凝土上面层。其基层为大粒径碎石基层，传统的半刚性基层，承载能力不强，在受到重荷载作用时易产生结构性破坏；本发明用高黏弹橡胶沥青大粒径碎石基层替代传统的水泥稳定碎石半刚性上、下基层，嵌挤碾压，多层铺筑，石料嵌锁形成后将构成结构性支撑性结构，可有效提高刚性上基层的结构强度，防止基层开裂、断板和破碎等病，符合机场道面高承载力要求的特点，基层厚度根据承受荷载而定，设计范围为32-34cm。

下面层材料使用高黏弹橡胶沥青混凝土，下面层厚度设计范围为10-14cm。隔热层的特征为布设于下面层上方，发热电缆下方；隔热层的材料使用玻璃纤维布或石棉网等具有隔热性质的材料，隔热层的厚度为0.2cm，如图3所示。上面层为导热混凝土，具体是将铁颗粒或其他导热介质，根据其导热性能，按照一定比例掺入沥青混凝土中，导热介质的掺入比例为5％-15％为宜，具体掺量根据导热介质的性能而定，导热混凝土上面层设计厚度范围为4-6cm；上面层与电缆之间的粘结材料使用高黏弹橡胶沥青。

其控制方式利用传热学理论，当上表面温度到达融冰雪要求时，控制小于额定功率的电压，对发热电缆进行持续加热。本发明提出的定向导热结构，解决了传统电加热路面热量四散，传热效率低的问题，其持续性加热控制方法，解决了间歇式加热时发热电缆由于反复通电造成的使用寿命低及更换不变的问题。

发热电缆在层间铺装方式为蛇形铺装，如图2所示，其工艺要求满足最小弯曲直径要求，加热电缆在工作过程中不会产生结构损伤；同时，发热电缆的技术性能要满足用于融雪化冰的发热电缆其线性负荷一般为30W/m，最小弯曲半径为5～6倍的电缆直径，工作电压为220/380V，最高工作电压为300/500V，最高工作温度为外表皮65℃，发热体90℃。传统的用于道路融雪化冰的发热电缆系统属于间歇运行方式，一般推荐铺装功率为250-400W/㎡，发热电缆层的设计厚度为0.7-1.0cm，具体厚度根据发热电缆的直径而定。

其控制方法的特征包括以下步骤；

步骤1：融冰雪升温吸收热量计算，查表可得，冰的熔化热为Λ、冰的比热容为C_冰、水的比热容为C_水、

从t₁℃的冰变为t₂℃的冰雪所需能量：Q₁＝cm(t₂-t₁)

从t₂℃的冰雪到t₂℃的水所需能量：Q₂＝λm

从t₂℃的水到t₃℃的水所需能量：Q₃＝cm_水(t₃-t₂)

因此，单位质量的冰雪从t₁℃的冰融化为t₃℃的水所需总热量为

Q＝Q₁+Q₂+Q₃

步骤2：层间传热至上表面热量折减计算，沥青路面的传热系数为α，由发热电缆传递到上表面的热量为:

Q＝αQ_电

步骤3：在上面层上表面安装温度、湿度传感器，将温度、湿度传感器与上面层上表面以及发热电缆相连接，将发热电缆与外部控制器电连接；发热电缆的电阻为：

V为发热电缆的额定电压，P为发热电缆的铺装功率，，单位为W/m²，令V取值，P取值300-500W/m²；

外部控制器控制加热电缆进行持续恒温加热电路如图6所示，包括直流电压源U、全控型电力控件T、滤波电感L、滤波电容C、续流二极管D，其中：

所述直流电压源U的正极端依次通过全控型电力控件T和滤波电感L连接所述发热电缆的一端，发热电缆的另一端连接致力路电压源U的负极端

续流二极管D的阴极端连接全控型电力控件T的输出端，阳极端连接直流电压源的负极；

滤波电容C的并联于发热电缆的两端；

在通电期间，全控型电力控件T导通，电感蓄能，二极管D反偏，在断电期间，全控型电力控件T关闭，电感释能，二极管D导通续流，负载输出电压u0＝DUd，因此，改变D的值，就能改变负载输出电压，即发热电缆电压u0的值。

首先，在加热初期，输入输入直流电压Ud，Ud大小为额定电压大小，即输入功率为额定功率，发热电缆正常加热，产热的热量大于抵挡外界环境消耗的热量，路面温度持续上升。当路面温度达到预定温度时，通过二极管D导通续流，负载输出电压u0＝DUd，因此，改变D的值，就能改变负载输出电压，即发热电缆电压u0的值。u0的值小于Ud的值，系统以小于额定输入功率的功率进行输入，产热的热量等于抵挡外界环境消耗的热量，路面温度保持预定温度不变。

步骤4：应用于机场融冰雪的定向传热路面，进行通电加热，当路面层间温度达到设定值时，外部控制器自动调节电压，以小于额定功率的电压对发热电缆进行持续恒温加热，电压计算公式如下式所示；单位质量的冰雪从t₁℃的冰融化为t₃℃的水所需总热量所需的恒定电压为：

基于以上技术方案，本发明提出了一种应用于机场融冰雪的定向传热路面，可广泛的用于路面融雪化冰领域，被大小施工单位及道路养护单位所使用。

以1kg，-5℃下的冰融化为5℃的水为例进行具体实施方式讲解

步骤1：铺装基层7再铺装下面层6；在下面层上刷油，将隔热层5铺装在下面层之上；在隔热层上刷油，将发热电缆4按“蛇”字形均匀铺装隔热层之上；按照10％-20％的比例将导热介质5加入到上面层1中，铺装上面层1。然后压实。

步骤2：在上面层上表面安装温、湿度传感器2，将温、湿度传感器与上面层上表面以及发热电缆相连接，将发热电缆与外部控制器电连接。

步骤3：通电，加热发热电缆，如图5所示，当上面层上表面温度和湿度达到设定值时，通过温度显示器9和湿度显示器10观察，并通过电压控制器8自动调节电压，以小于额定功率的电压对发热电缆进行持续恒温加热。假设1kg，-5℃的冰融化为5℃的水，所需热量包括从-5℃的冰变为0℃的冰、从0℃的冰到0℃的水、从0℃的水到5℃的水三个部分的能量。

查表可得，冰的熔化热为

λ＝335KJ/kg

冰的比热容为：

C_冰＝2.1KJ/(kg·℃)

水的比热容为：

C_水＝4.2KJ/(kg·℃)

从-5℃的冰变为0℃的冰所需能量：Q₁＝C_冰mΔt＝2.1×1×5＝10.5KJ

从0℃的冰到0℃的水所需能量：

Q₂＝λm＝335×1＝335KJ

从0℃的水到5℃的水所需能量：

Q₃＝C_水mΔt＝4.1×1×5＝21KJ

因此，1kg-5℃的冰融化为5℃的水所需总热量为

Q＝Q₁+Q₂+Q₃＝366.5KJ

查表可得，传统沥青路面的传热系数为：α＝0.1546

而本发明中定向导热电加热路面，上面层为含导热介质3的沥青混凝土，导热系数α大大增加，经试验测试，导热系数为传统沥青路面的五倍，其层间热量传递的过程如图4所示

由发热电缆传递到上表面的热量为:

Q＝0.1546×5Q_电

Q_电＝474.12KJ

发热电缆的电阻为：

V为发热电缆的额定电压，为220V，P为发热电缆的铺装功率，单位为W/m²，令V取值，P取值300-500W/m²，则R＝161～96.8Ω

根据单位分钟内加热发热电缆使1kg，-5℃的冰融化为5℃的水所需的恒定电压为：

并通过电压控制器8自动调节电压，以小于额定功率的传输效率，进行持续加热。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种应用于机场融冰雪的定向传热路面，其特征在于，从下至上依次包括碎石基层、沥青混凝土下面层、隔热层、发热电缆、导热混凝土上面层和外部控制器；

其中，所述碎石基层采用黏弹橡胶沥青碎石材料，其碎石材料相互嵌锁形成支撑结构，基层厚度范围为32-34cm；

所述沥青混凝土下面层采用黏弹橡胶沥青混凝土材料，下面层厚度范围为10-14cm；

所述导热混凝土上面层采用铁颗粒和导热介质的混合材料，其中导热介质的混合比例为5％-15％，导热混凝土上面层厚度范围为4-6cm；

所述发热电缆蛇形铺装于所述隔热层和导热混凝土上层的层间，其发热电缆的线性功率为30W/m，其最小弯曲半径为发热电缆直径的5-6倍，发热电缆层的厚度为0.7-1.0cm；

所述导热混凝土上面层上表面安装温度传感器、湿度传感器；

所述控制器采用金属盒体封装于路基旁侧，分别连接温度传感器、湿度传感器以及发热电缆，其内部设置有加热控制电路且所述加热控制电路与所述金属盒体绝缘设置。

2.根据权利要求1所述的应用于机场融冰雪的定向传热路面，其特征在于，所述隔热层采用玻璃纤维布或石棉网材料，隔热层的厚度为0.1-0.3cm。

3.根据权利要求2所述的应用于机场融冰雪的定向传热路面，其特征在于，所述控制电路包括直流电压源U、全控型电力控件T、滤波电感L、滤波电容C、续流二极管D，其中：

所述直流电压源U的正极端依次通过全控型电力控件T和滤波电感L连接所述发热电缆的一端，发热电缆的另一端连接致力路电压源U的负极端

续流二极管D的阴极端连接全控型电力控件T的输出端，阳极端连接直流电压源的负极；

滤波电容C的并联于发热电缆的两端；

在通电期间，全控型电力控件T导通，滤波电感L蓄能，续流二极管D反偏，在断电期间，全控型电力控件T关闭，滤波电感L释能，续流二极管D导通续流，负载输出电压u0＝Dud，其中ud为直流电压源的输出电压，D为续流二极管的降压参数。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的应用于机场融冰雪的定向传热路面的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据比热容公式计算冰雪融化所需要吸收的热量；

S2、根据层间热量传递至上表面的折减计算由发热电缆传递到上表面的热量；

S3、根据步骤S1计算的冰雪融化所需要的热量和步骤S2计算的折减热量，对发热电缆通电加热，利用外部控制电路对电缆进行持续恒温加热。

5.根据权利要求4所述的应用于机场融冰雪的定向传热路面控制方法，其特征在于，所述外部控制器控制原理为：

在加热初期，输入直流电压Ud，Ud大小为额定电压大小，即输入功率为额定功率，发热电缆正常加热，产热的热量大于抵挡外界环境消耗的热量，路面温度持续上升；

当路面温度达到预定温度时，系统以小于额定输入功率的功率进行输入，产热的热量等于抵挡外界环境消耗的热量，路面温度保持预定温度不变。

6.根据权利要求5所述的应用于机场融冰雪的定向传热路面控制方法，其特征在于，单位质量的冰雪从t₁℃的冰融化为t₃℃的水所需总热量所需的恒定电压为：

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