一种智能主动融雪方法及其装置

本发明涉及管道传热融雪除冰，尤其涉及一种智能主动融雪方法及其装置。

背景技术：

1、高海拔寒区公路道面在春冬时节常出现积雪结冰现象，尤其隧道出入口段暗冰不易融化。道面结冰危害极大，一是使行车抗滑能力下降，诱发交通事故；二是冻融循环过程给道面造成周期性损伤，增加公路养护费用，同时降低其使用寿命。因此，研发积雪结冰防治技术具有长远意义。综合比较目前的融雪除冰技术发现，化学融化法使用的氯盐融雪剂对桥面、路面结构钢筋以及混凝土等均具有强腐蚀性，并对周边环境和植被产生不利影响。电加热融化法对能源的消耗较大、运营成本高且使用条件易受限制。由此可见，适用于高海拔寒区的高效、节能和环保型融冰除雪技术仍有待继续探索。

2、经研究发现，利用浅层土壤内储存的天然地热资源，以地热水、蒸汽等形式，通过换热管内的工质将热量运输传递至道面，使道面升温到0℃以上，可实现融雪除冰目的。热融化法具有主动融雪除冰作用，其中，流体加热融雪系统以其热源形式多样、系统操作性强等优势，在国内外得到广泛应用与研究。然而我国这方面技术起步较晚，在基础技术与系统的高效运营方面均存在明显不足。

3、强化传热技术响应了国家节能减排战略，是推动热源高效利用的重要途径。近两年强化传热技术的发展多向取热方面进行创新研究，如专利号为cn114294848a的一种采用对流增速管强化换热的中深层单井取热系统、专利号为cn115789976a的闭环热管式强化换热系统，追求“取热不取水”的强化换热目标。散热装置是流体加热融雪系统的关键作用部位，目前我国在该方面的强化传热技术研究成果甚少。因此，研发一种具有强化传热特征的智能主动融雪系统意义重大。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述技术问题提供一种智能主动融雪方法及其装置。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种智能主动融雪方法，包括气象监测系统、道面散热系统、控制系统和计算机，具体方法如下：

4、s1：气象监测系统，所述气象监测系统包括路面状况传感器、数据分析库和控制器，所述数据分析库用于接收、可视化分析和存储当地实时气象数据，在达到判定阈值时，驱动控制器启动传感器，以进一步获取道面详细状况；

5、s2：道面散热系统，所述道面散热系统包括热源、换热站、泵阀和强化传热结构管道，所述控制系统启动信号发出后，道面散热系统启动，热源通过换热站加热管内流体工质，待流体经泵阀调控达到应用的温度和流速物理条件时，经供水主管开始向散热装置输送热流体，再通过强化传热结构管道快速加热道面，以及时处理道面积雪结冰情况；

6、s3：控制系统，所述控制系统根据气象监测系统的路况信息，判断是否具有积雪结冰条件，用以控制道面散热系统的启闭，并对控制中心发出预警信号，经工作人员核实后确认启闭道面散热系统；

7、s4：计算机，所述计算机在气象监测系统、道面散热系统和控制系统中起到控制中枢的作用。

8、进一步的，所述道面散热系统还包括温度压力传感器和流量计，待流体流经泵阀，通过流量计进行调控，进而达到应用的温度和流速物理条件，在温度压力传感器的监测下，可及时处理道面积雪结冰情况。其中，散热装置包括数个强化传热结构管道。在一定道面距离范围内，循环回路相同，且有相同流向的强化传热管道构成一个热工质循环系统。

9、数据分析库起到接收分析与存储当地实时气象数据作用，当得到0℃低温或突发气象灾害导致气温骤降信息时，驱动控制器启动传感器，进一步获取道面详细状况。优选地，传感器为激光遥感式路面状况传感器，无需置入路面便能准确获取道面温度、湿滑程度及积雪结冰厚度等要素，使系统运行数据的精准性大幅提高。

10、进一步的，在步骤s1中，所述传感器在运行全过程不会自动关闭，仍实时监测道面状况，并对整个系统的自动启闭起关键作用。当传感器监测发现道面温度0℃以上或无积雪结冰覆盖状况时，向控制系统发送关闭道面散热系统信号，控制系统接收信息后关闭道面散热系统，同时向控制中心发送关闭道面散热系统信号。智能主动融雪系统中运行的装置均配备有人工调控运行模式，该模式与自动运行模式共存，使系统可控又科学化。

11、进一步的，在步骤s2中，所述热流体通过强化传热结构管道流至道面后温度降低，再通过回水主管运输至换热站，实现加热循环利用。热源可以为低碳绿色的太阳能、风能或地热资源等，也可以是天然气或燃油锅炉等不可再生资源，具体地，可根据环境条件选用一种或多种热源联合供热。

12、进一步的，在步骤s3中，所述控制系统包括自启闭系统和人工操控系统，所述自启闭系统响应等级高于人工操控系统，所述人工操控系统操控等级大于自启闭系统。控制系统作用为自动或人工控制道面散热系统的启闭，在接收到气象监测系统的详细路况信息后，判断其是否具有积雪结冰条件，进一步启闭道面散热系统，具体的，选择性地开启具有积雪结冰预兆或现象的路段的数个热工质循环系统，亦或根据监测的路面温度及融雪状况选择性地关闭数个热工质循环系统，此设计充分体现出融雪系统的智能、准确与主动性。同时对控制中心发出预警信号，经工作人员核实后确认启闭道面散热系统。控制系统中自动启闭系统程序优先于人工核实启闭，但人工核实启闭具有主动控制自动启闭系统的作用，可随时操作，避免自动化出现的偶然失误。

13、一种智能主动融雪装置，所述强化传热结构管道的上半周外壁设置有用于增大散热面积与均衡传热受力作用的翅片，所述强化传热结构管道的内壁设置有扰流机构，所述扰流机构包括数个等间隔设置的折叠式扰流薄片，所述扰流机构连接有用于实现智能化调速扰流的扰流结构控制系统。翅片可增加管道的散热面积，进而扩大管道的传热范围，以实现快速加热道面目的；另外，翅片具有引导热量向管道上半周发散传递的作用，提高了热量利用率，同时使各层路基升温更均匀、梯度温度减小，进一步降低了路基的温度应力，道面升温也更均匀；此外，翅片具有一定的强度，受热的翅片也具有一定的热金属强度，可与路基协同承担作用于道面的外部荷载，使路基整体强度得到提升。

14、所述扰流机构包括折叠式扰流薄片、动力杆件和用于存储扰流薄片的外部结构。可选的，扰流薄片的截面面积等于强化传热结构管道内径截面的四分之一。具体的，扰流机构包括4个折叠式扰流薄片，通过扰流结构控制系统实现4个折叠式扰流薄片的展开状态，即折叠式扰流薄片依次重叠4个、3个、2个和0个。进一步的，用于存储折叠式扰流薄片的外部结构形状根据折叠式扰流薄片的规格数目确定。

15、所述扰流结构控制系统包括控制线路和扰流结构智能控制器。所述扰流结构智能控制器具有数据记录功能，即它能实时记录流速与折叠式扰流薄片展开状态关联数据，用于应用后系统效果分析与优化。当散热系统未启动时，所有扰流机构中的折叠式扰流薄片呈一致的全重叠状态，当散热系统开启后，扰流结构控制系统根据强化传热结构管道内工质流速与实际监测的路况调节折叠式扰流薄片的展开状态，使融雪系统具有主动调节速度与扰流程度的目标作用。

16、进一步的，所述扰流结构控制系统的优势作用在于：可选择性地主动调控折叠式扰流薄片呈不同的螺旋式展开状态。即当强化传热结构管道内工质流速由泵阀设置较大时，虽然强化传热结构管道内壁流体呈现为紊流状态，且具有一定的对流换热强度，但因工质快速流经管道、滞留时间较短，故工质的热量未得到有效利用。此时，扰流结构控制系统可控制较少折叠式扰流薄片展开，实现一定的阻流与紊流状态增强效果，进一步提升强化传热结构管道内工质热量利用率。同样的，当强化传热结构管道内工质流速由泵阀设置较小时，此时扰流结构控制系统可通过控制较多折叠式扰流薄片展开，实现工质明显提速与紊流状态显著增强的效果。

17、所述扰流薄片的作用在于：1、改变热工质流态，迫使其向更强烈的紊流状态发展，通过减薄强化传热结构管道内壁的边界层厚度来提高对流传热效率；2、起到短暂滞留部分热工质持续传热作用，被折叠式扰流薄片暂时阻挡的部分热工质需绕过折叠式扰流薄片截面才能继续向前运输，且在折叠式扰流薄片后部形成涡流区，增加了此部分热工质在该管段的传热时间，使该部分工质热量得到进一步利用；3、起到缩放管径提速作用，当热工质流经此处时，因截面减小导致流体暂时加速，有利于工质在弯道处顺利运输；4、呈不同螺旋式展开的折叠式扰流薄片可实现以上3种作用的调控，对应用环境条件的适应性更强。进一步的，所述呈螺旋式展开的折叠式扰流薄片还具有一定的引流作用。

18、进一步的，所述扰流机构在强化传热结构管道内的布置位置、数量、间距由实际应用环境条件确定。折叠式扰流薄片的材料、形状、数量与厚度参数也按照实际应用环境条件确定。以上待定的扰流机构相关参数在同一融雪系统中应保持一致。可选的，强化传热结构管道的材料选择导热系数较大的，如铜管。进一步的，所述动力杆件宜采用绝热材料或外包绝热材料。

19、进一步的，所述翅片设置有数个，数个所述翅片以强化传热结构管道顶点为中心对称排布。所述对称排布的翅片高度不等，从顶部至水平直径范围内的翅片高度大致呈递减趋势，其中顶部翅片末端与左右邻近的翅片末端位于同一水平线，余下的翅片末端均与上述左右邻近的翅片末端位于同一铅垂线。该排布方式有益于路基各层均匀升温，使管顶路基与管间路基升温的差异性降低，道面融雪效果更均衡。任意相邻的两个强化传热结构管道通过卡套式管道连接件连接，安装及拆卸过程简单。翅片与强化传热结构管道的材料相同，均需要选择导热系数较大的材料。翅片布置形式以管顶部翅片为中心对称排布，对称排布的翅片形状规格相同，数量根据实际应用环境条件确定。优选的，翅片形状为矩形或其他形状，翅片长度相同，因强化传热结构管道两端需插入卡套式管道连接件，故强化传热结构管道的端部未设翅片，故翅片的长度短于强化传热结构管道的长度，翅片宽度可根据实际应用环境条件确定。以上待定的翅片相关参数在同一个融雪系统中应保持一致。

20、进一步的，因散热装置的敷设形式对系统融雪效果有一定程度影响，故采用一种相邻管道工质对流的同程式管道敷设系统。该系统在道面一定距离范围内包含2个协同作用的热工质循环系统。所述2个协同作用的热工质循环系统的循环回路与流向均相反。

21、进一步的，所述热工质循环系统包括供水主管、回水主管和多个强化传热结构管道，多个强化传热结构管道呈蛇形布置。各强化传热结构管道流向相同、长度相同。供水主管和回水主管选择隔热保温材料，避免输送的热工质出现无效热损失。强化传热结构管道敷设参数不固定，即应根据现有规范选择或应用环境条件设计适宜的管径、管长、管间距与埋深。与传统常见的异程式管道系统相比，对流敷设的管道系统有益效果包括：1、同程式系统中并联管道的流程相同，各管道热工质分配均衡且易调节，使加热的各段道面具有近乎相同的融雪效果；2、对流敷设的融雪管道为短管连接、蛇形布置，使流体工质传热保持良好传热状态良好，相邻的传热管道分别于道路两侧开始加热道面，使道面整体升温更均匀；3、各循环传热回路为独立系统，并联设置，可根据实际路况选择性地启闭部分管道循环系统，实现科学主动融雪。

22、进一步的，所述同程式管道敷设系统设置有多个，多个同程式管道敷设系统并联设置。

23、进一步的，所述散热装置包括由上至下依次设置的管道上覆水泥混凝土面层、强化传热结构管道、隔温层和管道下覆公路路基。隔温材料起着限制热量向强化传热结构管道的下部和水平方向传导的作用，进一步提高管内热工质的利用效率。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、1、本发明原理结构简单且科学合理，采用精进的现代化数据设备，使传统人工应急启闭融雪系统过程向及时预防与科学管理方向发展；

26、2、本发明存在人工与自动运行两套模式，二者互补以实现系统的科学控制管理与节能运行；

27、3、本发明提供的一种强化传热结构管道，原理与设计合理，易加工改造、安装拆卸与后期维护，具有应用转化与推广的前景；

28、4、本发明提供的一种强化传热结构管道，结合了管内增设扰流结构智能控制系统扰流薄片与管外加翅片的优势，从智能调控改变工质流态、增加工质滞留时间与管道散热表面积三个方面来提高热工质的利用效率，实现管道强化传热技术创新目标；

29、5、本发明提供的一种管道内外部结构改造除具有强化传热作用外，还具有如下效果：一是翅片与路基协同承载，整体强度得到提升，二是翅片引导热量辐射传导，使路基温度提升更均匀，与同程式对流敷设系统具有协同均衡融雪的作用，三是内部智能扰流结构控制系统与泵阀具有协同控速的作用；

30、6、本发明优选的同程式管道敷设系统，使管内热工质易于均衡分配，系统运行更加稳定，采用的敷设形式能有效避免道面两侧加热不均衡现象的发生；

31、7、本发明提供的一种智能控制热工质循环系统，能根据监测数据调控数个热工质循环系统的有效启闭，达到高效升温融雪与节约能耗的作用。