船舶防冻除冰技术现状与发展

陆　煊，崔　玫，曹洪波，宋　劭

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



船舶防冻除冰技术现状与发展

陆煊，崔玫，曹洪波，宋劭

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：介绍船舶领域传统防冻除冰的技术，以及新型除冰防冰技术的原理和优缺点，探讨船舶防冻除冰技术的发展前景和方向。

关键词：船舶；防冻；除冰

在寒冷的气候条件下，船舶露天表面容易结冰，尤其是驾驶室舷窗、燃气轮机进气口、舱口盖、天线等部位，若出现结冰，较为危险。一直以来，船舶的防冻和除冰是亟待解决的问题。目前，国内外已应用和正在研究的除冰技术有40余种[1]，而在船舶领域中，特别是国内，由于空间、能耗等多方面制约，加之国内鲜有船舶在寒冷海域航行，可应用于船舶领域的除冰技术较少。但随着我国造船、航运、科考，以及军事等领域的发展，具备防冻除冰措施的船舶将越来越多。

1传统防冰除冰技术

1.1热力融冰法

热力融冰是最早使用的，同时也是世界公认的最有效的除冰技术，其原理是焦耳原理[2]，已经发展出过电流密度法、电磁波法微波法和激光法等多种技术，这些技术多适用于输电线、公路及航空航天等领域，用于船舶领域的以电加热和气加热为主。电加热是指船舶发动机产生的能量通过船用发电机转化为电能，再通过电加热设备转化为热能，从而进行融冰除冰。气加热则是指将船舶设备产生的热气通过特殊的引气装置引至船舶易结冰的位置，通过热气流吹除进行融冰除冰。

电加热主要用于对局部重要设备进行加热，在易结冰的关键部位上安装专门的电加热器件，通过把电能转换为热能对部件表面进行加热除冰，保证关键部位的设备能够正常工作。如船舶上的各种天线，为了保证其正常的信号数据传输，在天线的通信电路回路之外增加一个独立的电加热回路，达到融化天线上冰雪目的。为了防止驾驶舱舷窗外的水汽凝结成白色晶体，影响驾驶员视线，在前视窗玻璃内部会敷设极细的电阻丝，对玻璃进行加热，再辅以高压力的净水，用雨刮来冲洗和刮除舷窗上的冰晶。

气加热由于使用的是现成的热气源，最好在设计初期就予以考虑，后期改装难度较大。气加热最典型的应用是对燃气轮机进气口进行加热除冰，对于采用燃气轮机的船舶，由于燃气轮机工作需要大量的空气，因此动力舱进气口空气流速很快，使进气口附近温度急剧降低，使海面空气中的大量水汽凝结成冰，严重的时候会附着在发动机桨叶和进气道内，阻塞进气，影响燃气轮机正常工作。所以一般会在燃气轮机进气口设置传感器，一旦发现结冰会马上报警，然后采用从发动机引气加热的办法，吹除溶解后的凝水。

电加热由于需要消耗大量的能量，除冰成本较高，一般用于对局部重要设备进行加热。气加热由于船体结构等因素的限制，考虑到空间、资源的成本，一般用于特定大面积部位的除冰。热力融冰法是通过加热的方法进行融冰，所以融冰较慢，设备往往需要在产生薄冰之前，即结冰前期就进行工作，同时也要配有相应的排凝水措施，防止冰融化后再次凝结。

1.2机械破冰法

机械破冰法是指通过各种机械使冰内部产生破坏应力，从而使冰从船体表面脱离的物理除冰方法。距统计，机械破冰法普遍比热力融冰法能耗要低100多倍，但这种方法需要安装相应的机械部件，并满足其安装使用的资源需求。

目前在船舶上甲板等区域的除冰主要以机械除冰法为主，因为甲板位置较低，且排水口和疏水管道易结冰堵塞，采用热力融冰法融化的冰水无法有效的排出，容易再次结冰，因此现有的电加热除冰装置并不能有效地适用于甲板区域的除冰。机械除冰法中，由于电斥分离系统(EESS)生产和改装方便且能耗低、效率高，已经成功应用于一些飞机和船舶上。EESS在船舶领域主要用来对舱口盖进行除冰，其已经成功应用在了美国MK41新型垂直发射装置上，取得了良好的效果。EESS的导电构件形状见图1。

图1　EESS导电构件的形状

电流从串联的U形条的一臂流入，从另一臂流出。当电容向U形条快速放电时，两臂中的电流瞬间产生相反的磁场，使原本相互接近的U形条两臂迅速分开，嵌入除冰带内进行除冰。相斥的脉冲力使厚度为0.50 mm的弹性带保护套可迅速膨胀到2.25 mm，厚度增加5.5倍，然后可在小于1 ms的时间内很快恢复到初始状态。EESS与目前现有电加热系统相比，能耗是其千分之一，重量是其1/10[3]。这种系统可在小于1 ms内推斥25 mm厚的冰层，并且易于根据具体结构进行加改装[4]。

1.3自然被动法

自然被动法是指依自然力如风、引力、光散射和温度变化等被动地进行除冰。这种方法无需提供能量，但是效果也较为有限。在所有的被动方法中，憎水性和憎冰性固体涂料在船舶领域应用的较为广泛，通过其材料特殊的物理化学性能，阻止冰的凝结和附着。但是由于船舶恶劣环境因素的影响，这些涂料随着时间的推移会老化脱落，需要通过人力、物力进行定期的维护保养来保证其性能，而且这些涂料虽然有一定效用，但是并不能完全阻止冰的形成，因此自然被动除冰法只能是作为船舶除冰的辅助方法，与其他的除冰技术结合使用。

1.4其他方法

除了以上防除冰方法外，还有布撒防冻剂、用铲子除冰等人力方法。防冻剂的原理是通过降低冰点来加速积雪的融化，优点是工艺简单且工作量较小，是之前广泛采用的除冰方法。目前防冻剂分为两种，一种是盐类融雪剂，一种是环保型融雪剂，价格便宜[5]，但是无论是哪一种对甲板、船体、涂料等腐蚀极强。而直接人力铲冰的方法由于十分危险，人员在冰面上容易滑落。目前这种依靠人力或者对环境有腐蚀污染的方法基本上已经不再使用。

2新型防冰除冰技术

近年来，随着科技和除冰理念的发展，出现了一些新型的可用于船舶的防冰技术，这些技术还处于实验室阶段，没有正式投入使用

2.1纳米超憎水涂层

近几年，纳米技术迅猛发展，科学家把纳米技术应用到了防冰涂料中。一些纳米材料与树脂经过复合处理后，其表面表现出同时存在超强的疏水、疏油特性，这种特殊的物理化学特性会使结冰位置的液滴自然滚落而被抛离。这种基于纳米技术的超憎水涂层，可使防结冰效率提高20倍，使水的冰点大大降低，能有效阻止表面结冰。

2.2记忆合金技术

随着记忆合金技术的成熟，美国威奇托州立大学开发了一种形状记忆合金制造的除冰系统——将一种镍钛合金丝嵌入复合材料结构内部，结构未一半圆筒壳向内变形，前缘表面产生变形而除冰。当电流切断时，合金丝冷却不再产生压应变，复合材料结构重新回到原状。这种记忆和静可应用于导弹发射筒和船舶管路上，但是由于其结构复杂、经济性和工艺原因，在船舶上真正投入使用还有很长的路要走。

2.3微波加热除冰

微波加热技术是近期出现的防冰除冰技术，其原理是通过微波作用，使材料中的杂乱热运动特定分子随着高频场的作用快速震动，从而产生热能升高温度。由于冰层内分子不吸收微波，微波穿过冰层，作用到船舶表面的材料，材料吸收微波后温度升高，融化与船体结合处的冰层，再结合机械破冰法或者人力进行除冰[6]。这种方法对厚冰尤其有效，而且兼具节能、加热均匀、快速、加热设备体积小及便于控制的优势，在船舶领域有着很好的应用前景。

2.4气流牵引式循环升温防冻技术

气流牵引式循环升温防冻的技术基于气象学基础而提出的[7]。由于存在海气耦合现象，上方低温气团因密度较大在重力作用下缓慢下降，当其降到海平面与海水进行感热潜热动量和水汽等交换，随着温度上升而作上升运动，在达到一定高度时又因逐渐冷却而下降，如此往复。

而当海面存在船舶时，甲板上方的气体下沉时因有船舶的阻隔而无法到达海面进行热量交换。而船舶甲板表面温度就因为低温气体的聚集而不断降低，当温度降至冰点以下时，舰船甲板就十分容易结冰。

图2　舰船甲板平台区域升温防冻原理示意

气流牵引式循环升温防冻技术工作原理是启动气体牵引相关设备将气体吹送到甲板平台区域，使原先在甲板上聚集的低温气体落入海面，导致甲板平台区域表面压强降低，从而使作上升运动的温度较高的气体被牵引回补到该区域，使该甲板的温度上升，从而达到对甲板进行升温防冻和除冰等目的。

这种方法与采用憎水性和憎冰性固体涂料一样，不能完全阻止冰的形成，可以作为辅助方法。

3结束语

随着除冰技术的不断发展，除冰理念慢慢从单一的除冰方法转变为防冰除冰相结合的方法。单一的传统主动除冰方法效果较为有限，被动除冰法为辅，主动除冰法为主的多种除冰方法相结合的新型除冰技术的研究将成为主流。特别是近几年材料科学飞跃发展，出现了纳米超憎水涂层、记忆合金技术等利用材料本身的特性进行防冰除冰的技术，这种被动除冰技术基本上无能量消耗或者能量消耗极小，特别适用于船舶这种资源有限的领域中。虽然这些方法十分先进，但是距离实际应用还有一段很长的路要走，而研究高效率、高性能、低能耗、低风险而且设备体积小的除冰技术仍是今后工作的重点。

参考文献

[1] 邓万婷,汪涛,何清.输电线路除(融)冰技术可行性比较[J].湖北电力,2009,33(1):6-8.

[2] 刘建伟,周娅,黄祖钦,等.高压输电线路除冰技术综述[J].机械设计与制造,2012(5):285-287.

[3] 周强,阳初春,黄卫平,等.EESS应用于舰面舱口盖除冰的可行性分析[J].海军航空工程学院学报,2006,21(6):657-661.

[4] 王玉芳.电斥除冰的最新研究进展[J].国际航空,1991(2):59-60.

[5] 韩志斌.中国道路融冰除雪技术发展现状及未来趋势[J].公路与汽运，2013(6):142-145.

[6] 李笑,徐宇工,刘福利.微波除冰方法研究[J].哈尔滨工业大学学报,2003,35(11):1342-1343.

[7] 解从伟,金良安,余军浩,等.舰船微环境气流牵引式循环升温防冻技术研究[J].中国测试,2013,39(1):43-46.

Present Situation and Development of De-icing and Prevent Frostbite Technology of Ships

LU Xuan, CUI Mei, CAO Hong-bo, SONG Shao

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The principle, advantages and disadvantages of the traditional prevent frostbite technology and the new technology of de-icing of the ship is introduced, and the development and prospect of the de-icing technology of the ships are discussed about.

Key words:ship; prevent frostbite; de-icing

中图分类号：U698.91

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0037-03

第一作者简介：陆煊(1985-)，男，硕士，工程师E-mail:5081484@qq.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.011

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶辅助系统