循环热流体路面融雪化冰过程传热及其应用分析_图文

1、第8卷第2期2009年6月热科学与技术Journal of Thermal Science and T echnologyVol.8No.2J un.2009文章编号:167128097(20090220124207DOI :10.3969/j.issn.167128097.2009.02.006循环热流体路面融雪化冰过程传热及其应用分析高青1,2,黄勇2,刘研2,林密2,刘小兵3(1.吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室,吉林长春130025;2.吉林大学热能工程系,吉林长春130025;3.ClimateMaster 公司,美国O K 73179摘要:道路集热蓄能融雪化冰实现夏季太阳能集热的

2、季节性蓄能。在分析路面集热、地下蓄能和融雪化冰复合系统过程基础上,系统研究了道路融雪化冰过程传热现象、传热状态和分析方法。对路面融雪化冰的基本传热过程进行分析,建立了基本的数学模型和传热关系,提出了基于热流体循环流动的路面融雪化冰的基本传热过程控制方程,为进一步的模拟计算分析奠定理论基础。关键词:道路交通;融雪化冰;传热;模型中图分类号:T K124文献标识码:A收稿日期:2008205229;修回日期:2009205222.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50776039.作者简介:高青(19612,男,吉林长春人,博士,教授,博士生导师,主要从事可再生能源利用和传热研究.E 2mail

3、 :gaoqing 0引言道路集热蓄能融雪化冰是未来能源交通领域可持续发展的新型绿色环保技术,迫于化学融雪的巨大危害,国际上热流体循环道路融雪技术成为重要的发展方向。2008年初春,中国南方突如其来的低温雨雪冰冻灾害给道路交通带来了巨大的损失,其中,坡路、弯路和桥梁等成为交通堵塞的主要部位。因此,路面除冰雪问题成为人们关注的焦点。它不但冬季融雪化冰,而且可实现夏季太阳能集热的季节性蓄能,促进可再生能源的利用123。此外,通过夏季降低路面温度,冬季提升路面温度,在减少道路热蚀破坏,提高道路寿命等方面路面具有重要作用。特别对于交通负荷较重的路段(机场跑道、高速路端口、桥梁、坡路和弯道等尤为必要。美

4、、日及北欧的瑞士、冰岛、挪威、波兰等国家开展了许多该领域的研究和应用实验工作。美国芝加哥O Hare 国际机场滑行跑道Snowf ree 融雪化冰示范实验工程4、瑞士A8高速公路D rligen 路桥的SERSO 热融雪实验工程2,挪威首都奥斯陆Gardrmoen 机场的热泵空调和停机坪热流体循环融雪化冰系统5,日本二 市的高速公路弯坡道路全自动热融雪化冰系统Gaia 工程6,波兰G oleniow 机场地源热泵地面融雪化冰系统7等是最典型的工程实验研究代表。美国在能源部(DO E 、交通部(DO T 联邦高速公路管理局和国家基础研究基金的联合资助下,1992年起开始实施HB T (heate

5、d bridge technologies 计划8,开发道桥热融雪化冰技术,并首先在五个州开展道桥热融雪化冰实验工程。美国俄克拉荷马州立大学(Oklahoma State U niversity ,OSU ,建立了当时世界最大的路桥专用实验系统9210,开展路桥热流体循环融雪化冰技术的研究工作。从1994年开始,日本先后开展了40余项利用地能及太阳能的道路融雪化冰实验工程11,并获得著名的全球生态技术2005年百佳大奖(Global 100Eco.Tech.Awards 。波兰华沙大学研究者对桥面埋置列管的路面太阳能集热过程传热开展模拟计算,系统研究了大热容体集热的传热瞬变问题12。国内在热融

6、雪化冰方面研究应用还处于起步阶段。1997年,吉林大学研究者率先提出太阳能蓄能融雪化冰在我国北方应用设想1,并不断在地能利用、地下传热、地下蓄能和融雪化冰等方面开展探索工作3,13。此外,国内一些研究单位也相继开展了诸如碳纤维导电混凝土、土壤蓄热和发热电缆等热融雪化冰技术的探索研究。尽管国际上集热蓄能融雪化冰技术得到一定的发展,但主要还是集中在实验应用探索,深入的基础研究有些滞后,国内在集热蓄能的热流体循环融雪化冰研究方面更待开展。为此,本文将对路面融雪化冰的基本传热过程进行分析和模型建立,系统研究融雪化冰过程传热现象、传热状态,建立数学模型和基本传热关系等,为进一步的模拟计算分析奠定理论基础

7、。1集热蓄能融雪化冰系统1.1系统构成集热蓄能热流体循环融雪化冰系统,如图1所示。集热蓄能融雪化冰过程使冬季热融雪化冰、夏季太阳能集热和季节性蓄能利用有机结合,实现全年热力循环的能量利用体系。该过程是一个复杂多变的传热传质动态过程,涉及道桥条件、气候条件、系统设计和运行控制策略等多方面因素制约 。图1集热蓄能热流体循环融雪化冰系统Fig.1Schematic of HISM 2SSC 2TES system该系统涉及道桥和地下建筑设施,试验研究周期长,投资大,传热设施一经装备,难于改造和调整。所以,国际上开始重视模型分析和数值计算,依此开展广泛的性能研究、可变性预测、控制策略研究及设计评价等工

8、作,提高对复杂集热蓄能融雪化冰系统设计的有效性和认知程度,增强技术水平。1.2融雪化冰基本状态路面集热蓄能融雪化冰过程主要包括三部分传热过程:太阳能路面集热,地下蓄能和路面融雪化冰。本文将主要分析路面融雪化冰过程。其中,融雪化冰包含复杂的传热传质和多态转换过程,也是三项传热过程分析中难度较大的过程,为此本文着重对路面融雪化冰过程建模分析。雪是由冰晶体、空气和水蒸气组成的一种多孔介质,影响路面冰雪融化有客观和主观两类因素。客观因素包括路面周围空气温度、空气相对湿度、高空温度、太阳辐射强度、风速风向、降雨量、降雪量、地下温度、路面混凝土材料及状况等;主观因素包括融雪化冰系统的能力、加热循环介质流动

9、状态、进出口温度、系统启闭时间,以及融雪化冰系统控制策略等。冬季路面可分为多种情况,通常与气候环境客观因素紧密相关,总结归纳前人的研究3,10211,主要简化为七种情况:1干燥态。路面无冰雪覆盖,路面温度可高于或低于0。2潮湿态。路面温度高于0,路面的潮湿来源于降雨和融雪等;3干雪覆盖态。路面温度低于0,雪没开始融化;4冰雪泥覆盖态。路面被饱和冰晶体覆盖,路面温度处于0及以上;5雪和冰雪泥覆盖态。路面由一部分干雪和一部分饱和冰雪泥覆盖,干雪在顶层,冰雪泥在底部,路面温度处于0及以上;6干冰覆盖态。路面温度低于冰融化的临界温度(一般0,冰雪泥或雪水再结晶;7霜覆盖态。路面温度近于雪融化的临界温度

10、,环境温度低,形成蒸发气态结霜。2融雪化冰传热2.1基本假设条件考虑物理模型和数学模型的可再现性以及保证模拟计算的有效性,在复杂的路面融雪化冰过程传热分析中,做假设:1路面所覆盖的干雪层均匀一致;2路面材料特性和结构均匀一致;3路面融雪过程中,太阳辐射作为直接热流使用;4融雪一维传热过程,暂不考虑周边雪对研究点传热传质的影响,该假设将在二维过程逐步完善;5不考虑冰雪升华;6雪泥层中各点温度相同。521第2期高青等:循环热流体路面融雪化冰过程传热及其应用分析 2.2融雪化冰过程传热阶段与现象路面融雪化冰传热热流主要包括几个方面:1太阳辐射得热;2与路面周围空气对流传热;3路面与高空间长波辐射;4

11、雪融化过程中所需热量;5雪水蒸发所需热量;6传入雪层显热;7通过热传导从路基传入地层的热量。此外,融雪过程还可分为六个阶段,每个阶段是互为动态过程,如图2所示 。( a 第一阶段(b 第二阶段(c 第三阶段(d 第四阶段(e 第五阶段(f 第六阶段图2融雪化冰过程传热阶段Fig.2Snow melting and deicing heat transfer phases第一阶段:降雪时,由于融雪化冰系统没有开启,路面被降雪所覆盖,称为干雪层,路面上只有干雪层。第二阶段:降雪同时,路面融雪化冰系统开启,热流体在加热管中循环加热路面,路面雪层开始融化,一部分底层雪逐渐处于饱和状态,形成雪泥层。此时

12、,路面雪层由干雪层和雪泥层两部分组成。第三阶段:随着加热管循环热流体的持续加热,底部的雪泥层逐渐变成雪水,雪水一部分随坡度流走,另一部渗入未充满的路基缝隙。此时,路面雪层由干雪层、雪泥层和雪水层三部分组成。第二、三阶段干雪层上传热与第一阶段完全一致。第四阶段:随着融雪的继续进行,干雪层逐渐消失,最后只剩下雪泥层和雪水层。第五阶段:路面的雪层全部融化为雪水,雪水经过流失、渗透和蒸发,路面逐渐趋向于干燥状态;或随降雪不断转化。第六阶段:路面与降雪前的路面状况基本相同,复原状态。2.3传热基本控制方程在路面融雪化冰瞬态变化数学描述分析中,主要依据质量平衡关系和热量平衡关系。质量平衡方程建立在冰水形成

13、的干雪与融化雪的转化过程中;热平衡方程建立在不同融化阶段的不同层面中,如干雪层、冰雪泥层、路基层及周边的传热关联。传热基本控制方程中,主要由融雪过程质量平衡方程、融雪过程热平衡方程和传热热流方程等构成。2.3.1融雪过程基本质量平衡关系融雪过程基本质量关系为d m melt d=m snowfall -m ice -m snow_remnant(1m melt =m slush +m water(2式中:m melt 为雪融量,kg ;为时间,s ;m melt 为雪融率,d m melt d,kg/s ;m snowfall 为干雪降雪率,kg/s ;m ice为成冰率,kg/s ;m sn

14、ow_remnant 为干雪剩雪率,kg/s ;m slush 为冰雪泥率,kg/s ;m water 为冰水率,kg/s 。2.3.2融雪过程基本热平衡关系融雪过程基本热平衡关系为621热科学与技术第8卷melt+convection_air+radiation_sky=pipe_slab+solar+snowfall(3melt=sensible+latent_water+latent_evapporation(4式中:melt为雪融热耗,kW;convection_air为空气对流散热量,kW;radiation_sky为空间辐射散热流量, kW;pipe_slab为路埋管束循环流体加热

15、流量,kW;solar为太阳能辐射能得热流量,kW;snowfall为降雪热流量,kW;sensible为雪融显热流量,kW;latent_water为雪融水潜热流量,kW;melt为雪水蒸发潜热流量,kW。2.3.3主要热流基本传热关系2.3.3.1路雪面吸收太阳辐射q solar=I T(5式中:为路雪面太阳辐射吸收率;I T为平面太阳辐射强度,包括直射辐射和散射辐射,W/m2。值与路面结构和材质、雪面情况和潮湿程度等有关,正常的混凝土路面的=0.23 0.59。潮湿路面值将显著变大;雪覆盖路面的值通常变小。在雪融过程中,值将逐渐变大。2.3.3.2路雪面对流热流q convection_

16、air=h air(t surface-t air(6式中:h air为路雪面与周围空气间的对流传热系数,W/(m2K;t surface为路面、干雪层表面温度或雪融点温度值(路面融化态冰雪泥覆盖,如0,;t air为路面周围空气平均温度,。根据自然气候条件,h air值可取自然对流或强制对流情况。自然对流时,传热能力依据Llody准则方程形式:N u=cR a n(7式中,c、n为关联系数和指数。强迫对流时,传热能力依据Nusselt准则方程形式:N u=c Re n Pr m(8式中,c、n、m为关联系数和指数。当路面温度高于空气温度时,其为热流向上的对流传热;当路面温度低于空气温度时,其

17、为冷流向上的对流传热。2.3.3.3空间热辐射散热加热的路面可以看作热源,与其之外的整个半球高空之间存在热辐射,其热辐射的热流密度可由Step han2Boltzmann定律来确定,q radiation=(T4surface-T4sky(9式中:T surface为路面、干雪层表面温度,或雪融点温度值(路面融化态冰雪泥覆盖,如273.16K, K;T sky为天空有效温度,K。天空有效温度T sky是气候学中的重要参数,它是大气水气含量、云量(或日照百分率、气温及地表温度的函数。2.3.3.4雪水蒸发热流q evaporation x,y=h evap m evap x,y(10式中:h e

18、vap为蒸发潜热,kJ/kg;mevap(x,y为单位面积上微元节点x,y的质量变化率,kg/(sm2。2.3.3.5雪融所需热流q melt=q latent+q sensible(11式中:q latent为融雪所需的潜热热流密度,W/m2; q sensible为融雪所需的显热热流密度,W/m2。融雪所需的显热热流密度q sensible是指将干雪温度升高到雪融点温度所需的热量,一般可认为干雪的初始温度与周围环境的温度是相同的: q sensible=mx,y c p,snow(t air-t melt(12式中:c p,snow为雪的比定压热容,J/(kgK;t air为周围环境中空气

19、的温度,;t melt为雪融点温度,通常可选择0。融雪所需的潜热量是指将雪从0融化为水的过程中所需的热量,并由式(13计算得出:q latent=h melt m(x,y(13式中:h melt为雪和水的融解热、汽化潜热,J/kg。对于每个微元来说,融雪热量来源于两个方面:一方面是来自于相邻微元传导热流,另一方面来自于本微元节点所在单元的纵向热流。2.3.3.6路埋管束循环流体热流q pipe=k(x,y,zt avg-t x,y,z(14式中:k(x,y,z为管内流体与路体间的传热系数,W/(m2K;t avg为管内流体的平均温度,; t x,y,z为路体空间微元温度,。721第2期高青等:

20、循环热流体路面融雪化冰过程传热及其应用分析3融雪化冰模块基本构划路面融雪化冰模块主要由内核传热计算模型、输入参数端、输出参数端以及特性参数端四部分组成。路面融雪化冰模块基本构成,如图3 所示。1室外空气温度2高空温度3空气相对湿度4风速5风向6太阳辐射7太阳角8降雨量9降雪量10入口水温11控制信号路面平均温度出口水温融雪总热流量路面融雪状况(1路面长度(2路面宽度(3路面朝向(4路基厚度(5路面吸收率(6路面发射率(7路基材料热容(8管间距(9管内径(10管外径(11管热容(12流体类型(13防冻液比重图3路面融雪化冰模块Fig.3Modular system of snow 2ice me

21、lting内核传热计算模型主要由路面融雪化传热形态规划、传热现象界定、传热阶段划分、物理模型、数学模型、计算控制流程和算法等构成。气候参数(室外空气温度、天空有效温度、太阳角、风速、风向、太阳辐射、降雪量等、加热管入口流体温度作为路面融雪化冰模块的输入参数;路面特性量(包括路面长度、宽度、路面朝向、路基厚度、路面材料热容、路面吸收率、路面发射率、路基导热率等、加热管特性量(包括管内外径、管材的导热系数、管的长度、管间距以及管的埋深等作为路面融雪化冰模块的特性参数;加热管出口流体温度、路面平均温度、提供给路面的总热流以及路面融雪状况作为融雪化冰模块的输出参数。4算例应用以中国北方长春地区某一天的

22、历史降雪记录为客观分析条件,数值模拟计算分析路面融雪过程的特征和规律;道路条件选定为一段长20m 、宽3.5m 的钢筋混凝土道路结构单侧道。路基埋管选为高密度聚乙烯管,外径为0.02667m 、内径为0.02182m 、间距为0.1524m 的基础构造。假设下雪强度均为7.5mm/h ,分别持续时间为4、8、12、16、20h ,积雪厚度各为30、60、90、120、150mm 。分别研究不同环境温度(0、-5、-10、-15、-20的影响情况。计算分析中,采用降雪同步融化方式,简要计算结果如图4所示 。(a 降雪量变化 (b 环境温度变化图4路面融雪热耗影响Fig.4Total heat c

23、onsumption of snow melting on road由图4计算结果可知,降雪量增加,耗热增加,但是递增是缓慢的,远远低于持续的成倍雪量增加程度。原因是耗热量不但包括融雪耗热,还包括环境散热和路基导热等,当路基已经处于融雪温度条件时,且环境温度稳定后,其中的耗热增加基本来自于热融雪和散热部分。通常,运行开821热科学与技术第8卷 第 2 期 高 青等 : 循环热流体路面融雪化冰过程传热及其应用分析 129 始的初始阶段较大的耗热量是由于大量耗热于路 体升温 。在一定的环境低温范围内 , 路面耗热量 也基本处于缓慢增加 , 但是 , 当温度过分低时 , 如 本例的 - 20 低温环

24、境温度下 , 耗热将迅速增 加 ,导致耗热量突升 。分析原因是该降雪量的融 化速度下 ,融化的雪水发生再结冰现象 ,导致更多 的耗热量 ,融雪效果恶化 。由模拟计算数据可知 , 单位路面融雪负荷为 110 445 W/ m2 , 该范围与 文献 6 对应实验结果获得良好吻合 。 t hermal energy sto rage ; renewable energy J . H i g hw ay , 2007 , 51 (5 : 1702174. (in Chinese 4 D ERWIN D , BOO T H P , ZAL ES KI P , et al . SNOWFR EE 2hea

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26、 Geot hermal and solar heat used to melt snow o n roads R . Technical 5 结 论 1 在研究融雪化冰过程传热现象和传热状态 B rochu re , Harwell , U nited Kingdo m : CADD ET 的基础上 ,系统建立和归纳了基本传热关系等 ,为 进一步数学模型建立和计算分析奠定理论基础 。 2 在路面融雪化冰中的物理形态分析中 , 从 Cent re fo r Renewable Energy , IEA , Organization for Eco no mic Co2operation and

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28、ram , F H W A2R D299 2158 , U S Dept . 物理和传热的角度系统定义了路面的路面形态 , 如干燥 、 潮湿 、 干雪覆盖 、 冰泥覆盖 、 雪和冰泥覆 盖、 干冰覆盖 、 白霜覆盖等 , 并对其热学特征进行 了系统描述和表征 , 有利于物理模型和数学模型 的准确建立 。 3 在考虑物理模型和数学模型的基础上 , 提 出热流体循环路面融雪化冰过程传热分析中基本 假设条件和动态分段定义和划分 ; 建立了基于热 流体循环流动的路面融雪化冰基本的质量平衡方 程、 热平衡方程和热流方程基本传热关系 。同时 , 应用实例表明计算模型的可靠性 。 of Transpo rt

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