微波加熱技術(shù)

微波加熱技術(shù)在清除道路積冰中的應(yīng)用在我國北方的寒冷地區(qū)，冬季時(shí)間較長，降雪量較大，降雪導(dǎo)致路面的摩擦系數(shù)較其它季節(jié)明顯降低，這使車輛行駛、制動(dòng)困難，容易引發(fā)交通事故，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來重大損失。資料顯示，在寒冷地區(qū)，冬季交通事故要比其他季節(jié)高出20%左右。目前，世界上地處高寒地區(qū)的各國都在研究有效地清除道路冰雪的方法．冬季的降雪通常會(huì)以浮雪、積雪和積冰三種形式滯留于路面。清除浮雪的技術(shù)在國外已經(jīng)比較成熟。然而我國由于經(jīng)濟(jì)條件、人口密度、城市規(guī)模等條件的制約，城市道路上的降雪易形成積雪，甚至積冰。而國內(nèi)現(xiàn)有的純機(jī)械式除冰設(shè)備的效率低、積冰清除不干凈，而且會(huì)損傷道路標(biāo)記甚至路面。針對(duì)這種現(xiàn)狀，，提出了應(yīng)用微波加熱技術(shù)清除道路積冰的設(shè)想，并通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了冰不易吸收微波，而路面材料能夠吸收大量微波。因此，微波能夠透過冰層加熱路面，使貼近路面的冰層融化，消除冰層與路面之間的結(jié)合力，以便很容易地利用除冰機(jī)械對(duì)其清除。在參考了現(xiàn)有的各種清冰除雪機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了專門用于清除道路積冰的微波除冰機(jī)原理圖。1現(xiàn)有清除冰雪方法概述按照各自的作業(yè)機(jī)理，冰雪清除方法可分為物理、化學(xué)和機(jī)械3類。物理方法是通過加熱，使路面的積雪或積冰融化。一種是電加熱：在普通混凝土中添加一定導(dǎo)電組分材料，使之成為導(dǎo)電體，可通電加熱。另一種是加熱車加熱，加熱車以液化石油氣為燃料，利用加熱板以熱輻射方式對(duì)路面上的冰雪加熱。物理融化的方法對(duì)于小降雪量和薄冰效果較好。當(dāng)降雪量較大時(shí)，由于其融化速度慢，效率低，能耗大，且融化出的大量水又會(huì)再次結(jié)成冰，影響了清除冰雪的效果?；瘜W(xué)方法是通過給路面撒布一定量的防凍結(jié)化學(xué)材料——鹽(NaClCaCl2)或其它新型融雪劑，使路面冰雪溶化。化學(xué)方法在氣溫較高、降雪量不大時(shí)，效果較明顯。但當(dāng)氣溫較低、降雪量較大時(shí)，不宜使用。另外，用化學(xué)方法還可能給環(huán)境帶來負(fù)面影響。機(jī)械方法是利用機(jī)械裝置清除冰雪。以清除浮雪為主的機(jī)械裝置有：噴氣吹雪式除雪車、鏟式除雪車、滾刷式掃雪機(jī)和旋轉(zhuǎn)式揚(yáng)雪機(jī)等；以清除經(jīng)過碾壓的積雪以及同路面結(jié)合緊密的積冰的機(jī)械清除設(shè)備主要有：滾筒式破冰機(jī)、垂片式除冰機(jī)、抽打式除冰機(jī)和仿生學(xué)式除冰機(jī)等。以上的幾種機(jī)械，對(duì)于清除道路上的積雪效果較好，但當(dāng)積冰與路面結(jié)合緊密時(shí)，如果除冰機(jī)械的力量太小，不能使冰與路面分離；力量太大，又會(huì)損傷路面。因此，除冰和保護(hù)路面相矛盾。為了解決這個(gè)問題，作者試圖使用微波透過冰層加熱路面，使貼近路面的冰層融化。路面和冰層之間分離，能消除冰層與路面之間的結(jié)合力，用較小的力即可實(shí)現(xiàn)既保護(hù)路面又節(jié)約能源的高效除冰的目的。2利用微波加熱除冰的理論與實(shí)驗(yàn)研究21原理所謂“微波”是指波長范圍從1m到1mm，即頻率范圍從108～1011Hz的電磁波。對(duì)于微波加熱，考慮到便于微波器件和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，以及避免使用頻率太多造成對(duì)雷達(dá)和微波通信的干擾，因此，各國對(duì)微波加熱使用的頻段有明確的規(guī)定：890~940MHz為波段，中心波長為400～2500MHz為波段，中心波長為725～5825MHz為波段C，中心波長為0052m22000～22250MHz為波段K，中心波長為0008m。目前微波加熱常用的是L、S波段。微波加熱中介質(zhì)參數(shù)一般用復(fù)介電常數(shù)張量表示，當(dāng)介質(zhì)表現(xiàn)為各向同性時(shí)，相對(duì)復(fù)介電常數(shù)為式中，ξ r'，為物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，表征微波穿透材料的能力； 為物質(zhì)的介電損耗因子，表示介質(zhì)損耗，其中δ 為介質(zhì)電導(dǎo)率，ω為微波角頻率，ξ 。為真介電常數(shù)。微波加熱理論與實(shí)踐表明，在單位體積物料內(nèi)消耗的微波功率為式中， 為介質(zhì)損耗角正切，是介質(zhì)吸收微波能量本領(lǐng)的物理量。tanδ 值小的物料，對(duì)微波的入射可以說是“透明”的；而tanδ 越大，意味著吸收微波的能力越強(qiáng)。表1示出了一些介質(zhì)的電特性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明，冰的ξ r'、tanδ 較小，因此它吸收微波的能力較弱，對(duì)于微波的入射是“透明”的。而路面材料多為沙子、石頭、瀝青等，它們的ξ r'、tanδ 值應(yīng)該和沙土相似，而且冬季的道路總會(huì)含有一定的水分，這樣路面吸收微波的能力要比冰吸收微波的能力大的多微波就可以透過冰層加熱路面。路面被加熱后，熱量就會(huì)從路面?zhèn)鬟f給緊貼路面的冰層，冰一旦融化成水后，水吸收微波能力更強(qiáng)使路面和冰層之間的結(jié)合力消失自然就可以較容易地利用除冰機(jī)械清除冰層。22實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備為家用電冰箱、微波爐(P=800Wf=2450MHz)、溫度計(jì)，路面材料為水泥、瀝青。21微波透射冰層的實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證微波能夠穿透冰層加熱路面，融化接觸面處的冰。過程①將一塊路面材料(瀝青或混凝土)放入裝水的容器中，讓水包圍材料，材料上下表面水的厚度大約在2cm左右；②將容器放入冰箱中冷凍12h，以保證冰的表面與內(nèi)部溫度相同(-20℃左右)；③取出包有路面材料的冰塊，在冰的上表面上再放一塊冰，一起放到微波爐中加熱30s結(jié)果①無論是包有混凝土材料還是瀝青材料的冰塊，加熱后冰的外表面都沒有融化；②冰與冰的接觸面也沒有融化；③轉(zhuǎn)動(dòng)冰塊時(shí)可以看到在材料的上下表面附近有水生成。打碎后可以看到，在材料的上下表面處，材料已經(jīng)和冰分離，貼近材料部分的冰已經(jīng)融化出一定的空間；④材料下表面的冰融化出來的空間大于上表面；⑤混凝土材料周圍的冰相比瀝青材料周圍的冰融化的要多一些。分析從融化的部位可以說明冰不易吸收微波，而路面材料能夠大量地吸收微波，這樣微波就能夠透過冰層加熱路面，將貼近道路表面上的冰融化，使得冰層和路面之間分離。混凝土材料周圍的冰融化的要比瀝青材料周圍融化的多一些，是不同材料對(duì)微波吸收能力不同的原因造成的。22不同材質(zhì)不同濕度對(duì)微波吸收率的比較目的分析不同含水量的不同材料對(duì)微波的吸收能力。過程①分別將混凝土和瀝青材料放入水中浸泡，大約2h后取出；②將另外的混凝土和瀝青材料放人到微波爐中加熱120s，去除材料中的大部分水分；③將浸過水的和干燥后的材料一起放人冰箱中冷凍，12h后取出；④將冷凍后的材料在微波爐中加熱30s⑤測量并比較材料表面的溫度。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)每種情況各做5次。結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2所示。分析從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，混凝土材料吸收微波的能力要比瀝青大一些，故混凝土材料周圍的冰融化得多一些。另外，浸過水的材料要比干燥的材料在相同的時(shí)間內(nèi)溫度升高得快，是由于剛開始加熱時(shí)，材料中的水以冰的形式存在，這時(shí)主要是材料吸收微波，當(dāng)加熱到一定程度時(shí)，材料里的冰融化成了水，這時(shí)主要是水吸收微波，水吸收微波的能力要比其他材料大得多，所以，浸過水的材料比干燥的材料溫度升高得快。而瀝青材料因?yàn)楸旧聿晃?，故有無浸水的瀝青的效果差別不大。一般情況下