摘要：南水北调中线一期工程总干渠常年通水，为满足闸门冬季冰期运行要求，沁河倒虹吸出口控制闸弧形工作闸门设有埋件真空热管融冰设施。该设施以PTC热敏陶瓷电加热器为热源，以超导液体为传热介质，利用真空热管设备直接加热埋件，防止闸门止水橡皮与埋件冻结在一起，从而实现融冰。本文着重介绍了PTC热敏陶瓷和真空热管技术的技术特性和工作特点，沁河控制闸弧工作闸门埋件融冰设备及其PLC控制系统的构造及组成等。希望能为钢闸门需要融冰的水利工程提供参考。
关键词：闸门埋件 ；PTC热敏陶瓷；融冰设施；真空热管；电加热
中图分类号：TV34文献标志码：A文章编号：
16721683（2015）002014103
1工程概况
南水北调中线一期工程总干渠河南境内长731 km，总干渠要求渠道长年输水，沿线河渠、铁路等交叉建筑物百余座，设有弧形控制闸、弧形节制闸等露顶式弧形工作钢闸门；控制闸设置在倒虹吸出口，起抬高水位控制倒虹吸满流的作用；节制闸主要作用是调节总干渠流量，节制闸和控制闸均有局部开启的要求，并且启动频繁。总干渠河南段黄河北-羑河北地区纬度较高，极低气温为-20 ℃左右，气温≤0 ℃天数每年为100 d左右。当环境温度低于0 ℃时，门槽与闸门之间结冰，容易导致撕裂橡皮破坏止水，甚至导致闸门不能正常启闭。南水北调金属结构设计技术规定指出：根据总干渠沿程不同的气象特征，可以焦作溃城寨河作为分界，进行金属结构防冰冻设计。根据技术规定要求，沁河倒虹吸金属结构设备在此范围，出口弧形工作闸门埋件须设融冰设施。[HJ]
2沁河工作闸门埋件融冰设施方案比选
闸门埋件融冰设施的主要作用，是通过加热闸门埋件，融化闸门与其埋件接触部位的冰，以满足启闭时闸门与其埋件能够自由相对运动的设备。南水北调中线工程占线长、建筑物多、各建筑物分部地域广等特点，选择了强制循环对流热油融冰和真空热管直接加热门槽融冰设施两种方案进行比选。
2.1强制循环对流热油融冰设施
强制循环对流热油融冰设施系统必须具备的元器件有：控制系统、温度传感器、电加热器、液位传感器、循环泵、流量控制阀、油箱（油位指示器、油位限制器和报警开关、液位液温计、注油滤油器防潮式空气滤清器、放油阀、带压力开关的回油滤油器管路）、管路、静密封件、换向阀、溢流阀、单向阀、耐震压力表、压力继电器、压力传感器、球阀等。其特点是闸门门槽散热相对均匀，但还存在很多局限性。热油融冰主要存在的问题是：系统元器件较多，故障率较高；阀件密封要求较高，容易漏油；导热油受热后容易碳化变质、温过高甚至油燃烧，更换麻烦；加热时间较长，维护费用高，沿程热损失较大，传热效率相对较低。
2.2真空热管直接加热门槽融冰设施
真空热管直接加热门槽融冰设施必须具备的元器件有：控制系统、门槽空腔、工作液体、温度传感器、电加热器。利用热管的导热性和等温性，将闸门门槽设计成导热热管形状。导热热管工作特点有：-50 ℃不结冰，0 ℃以下开始导热，是传统传递速度的几十倍；结构简单，安装方便；节约能源，一次灌装使用寿命可达50 a。通过比较，选用真空热管直接加热门槽融冰设施较强制循环对流热油融冰设施，具有更为安全、耐用、效率高、免维护、系统相对简单等优点，本工程选用真空热管直接加热门槽融冰设施。
3热管融冰设施埋件结构布置及工作原理
热管融冰设施埋件结构布置见图1。以PTC发热组件为电热源；利用真空超导技术，把真空管做成密封的方管热管，热源放在热管的底端；把热管一侧紧贴埋件工作面钢板，放入闸门埋件预留的空腔内，周围注入绝热材料，保证热管的热量能充分传导至埋件工作面，从而融化闸门止水与预埋件接触部位和埋件工作面其它部位附近的冰，以实现闸门与埋件可以相对运动不受冰的影响，满足闸门启闭要求。
图1热管融冰设施埋件结构布置
[BT2-*4][STHZ]4融冰设施的主要部件及其技术特点
4.1PTC热敏电阻陶瓷
PTC（Positive Temperature Coefficient）热敏电阻陶瓷是一类具有正温度系数的半导体功能陶瓷，是整个系统的热源核心部件。其阻-温特性曲线见图2：在居里点温度（Tc）即转变温度之前，电阻随温度的升高而下降；温度从转变温度到
图2热敏电阻陶瓷阻-温特性曲线
设计最高工作温度Tp之前，电阻随温度的升高几乎是呈阶跃式的增高，这就是PTC效应。 PTC热敏电阻本体温度的变化可以由流过PTC热敏电阻的电流来获得，也可以由外界输入热量或者这二者的叠加来获得。正特性的热敏电阻材料.由于其温度系数及居里点温度Tc随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化，可以根据工程需要获得合适的居里点温度的PTC组件。
PTC热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化。若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导为：σ=q（nμn+pμp），因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数。根据函数曲线关系，可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线.可用作温度的测量、检测、控制与调节等。
利用正温度系数PTC热敏陶瓷电阻加热元件的强烈非线性，当其温度高于居里温度Tc附近时，电阻值急剧增大10～108倍左右，当超过居里点温度后，电阻增加，从而限制电流增加，电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能，又起到开关作用，可以省去一套温控线路。利用这种阻温特性做成加热源，还可对电器起到过热保护作用，作为温度保护用的陶瓷PTC元件，在温控点附近有很大的电阻温度系数，配置一个简单的比较器电路可实现较精确的温控制热。
4.2PTC加热组件
PTC加热组件是以PTC热敏电阻陶瓷元件为发热源，以不锈钢制成的箱体为散热器，经黏接组成的发热器。作为闸门埋件融冰设施的热源。PTC热敏电阻电热源能充分发挥正温度系数；热敏电阻材料在电场作用下，加热元件温升迅速、可根据环境温度的变化自动控温、随机调整加热功率和节能的优势；其具有工作安全可靠、无噪音、无明火、不燃烧的特点；加热器元件体积小、电热转换效率高、PTC元件本身为氧化物，使用寿命长。
4.3真空热管
真空热管是传热元件，是一种具有极高导热性能的传热元件。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，热管的工作原理类似于热虹吸管：将管内抽成1.3×（101～104）Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段）。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端，见图3。
热量转移的过程中，包含了以下6个相互关联的主要过程。
（1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液-汽）分界面。
（2）液体在蒸发段内的（液-汽）分界面上蒸发。
（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段。
（4）蒸汽在冷凝段内的汽.液分界面上凝结。
（5）热量从（汽-液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源。
（6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。
图中表示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质量流量，压力以及管壁温度Tw和管内蒸气温度Tv沿管长的变化趋势。沿整个热管长度，汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。ΔPc毛细压力—是热管内部工作液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降ΔPv，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降ΔPl和重力场对液体流动的压力降ΔPg（ΔPg热源在上方为正值、在下方负值、水平放置或失重环境下可视为零；其中在下方负值的热管又称重力热管）。因此，ΔPc≥ΔPl+ΔPv+ΔPg是热管正常工作的必要备件。因此，一个性能优良的管芯应具有：足够大的毛细抽吸压力或较小的管芯有效孔径；较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率；良好的传热特性，即有小的径向热阻。
热管依靠自身内部工作液体相变来实现传热，具有以下基本特性：（1）很高的导热能力；（2）优良的等温性；（3）热密度可变性；（4）热流方向可逆性；（5）热二极管与热开关性能；（6）恒温特性（可控热管）；（7）环境的适应性。
5沁河倒虹吸弧形工作闸门埋件融冰设施
5.1闸门埋件的设计
将需要加热的闸门埋件设计成与其形状相一致的弧形空腔，以真空热管加热设备能自由地放入空腔内预定位置为准并满足构造要求。闸门主材为Q 235 C，埋件工作面钢板为复合不锈钢板以减少对水质的影响。
5.2加热装置的组成
加热装置采用真空热管技术，由箱体（即热管管壳）、电加热器PTC加热组件、超导液体、温度传感器及压力传感器组成。箱体选择抗腐蚀性极强的1Cr18Ni9Ti不锈钢方钢管，管壁有吸液芯，为毛细多孔材料构成，箱体弧形轮廓与其在闸门埋件中所处的位置一致；电加热器采用PTC加热组件，由于埋件总体为上下弧形结构，为了增加超导液的回流能力，ΔPg为负值，把加热器布置在箱体的下端加热，即重力真空热管；箱体真空腔内为与箱体不锈钢1Cr18Ni9Ti材质有很好相容性的、无腐蚀性的超导液，箱体只需30 ℃即可开始传温，超导液在-40 ℃不结冰，其导热系数是铜的近100倍；超导采暖系统一次装成之后，只要不是人为的破坏就可终身不用维修，使用寿命长达50 a；温度传感器及压力传感器采用性能优良、技术先进、工艺成熟的国际知名品牌优质产品；布置在埋件的顶端，实时测定顶端的温度及箱体内压力。
5.3保温材料
把加热装置放入闸门埋件预留的空腔内就位，与工作面贴紧后，在其周围填充纳米多孔气凝胶隔热保温材料，这种材料无毒、无腐蚀、对水和环境无污染，在纳米尺度下的气孔比空气中的分子平均自由程还要小，热导率极地，在厚度很薄的情况下就能实现隔热保温，能很好的降低热损失。
5.4PLC控制系统
沁河出口控制闸门共3孔，每孔闸门埋件设置1套融冰设备，每套融冰设备配2套加热装置，2套加热装置分别布置在两侧埋件的空腔内，3孔加热设备共用1个控制柜，控制柜与弧门液压启闭机共用1个启闭机室；通过电缆埋管与融冰设备连接。
融冰设备控制系统由设备内部和外部组成，内部包括空气开关，交流接触器、热保护继电器、中间继电器、温度控制仪、信号灯、转换开关以及各种按钮等电气元件；外部包括电加热器、温度传感器及压力传感器等部件。系统具有完善的温度监测（温控仪数码显示）和保护功能（漏电、短路、过流；加热系统保护）；由触摸屏和指示灯同时显示加热器的故障，并可发出声光报警；温度传感器的输出信号导入PLC，可通过触摸屏上的控制按钮可以进行人工调节。
在防冰冻设备控制系统PLC控制柜盘面上，每套加热装置均设有手动/自动/远程转换开关和开、关按钮及其指示灯；盘面上还设有电源开关及其指示灯，液晶显示操作触屏。切换到手动（手动运行时，系统的运行不受温度控制），启动电加热器按钮，同时信号灯亮，表示电加热器正在运行；停止按钮断电，电加热器停止，同时信号灯熄，表示电加热器停止运行。将转换开关切换至自动。当环境温度≤0 ℃时，电加热器启动；当系统外部温度≥25 ℃时，或系统内部温度≥65 ℃时，电加热器停止工作。当系统外部温度≤10 ℃时，系统重复上述过程。[HJ1.7mm]
6小结
（1）选用PTC热敏电阻陶瓷电发热热组件为电热源，具有安全、可靠、耐用等优点。
（2）利用热管技术，超导液与不锈钢有很好的相容性、与环境有很好的适应性，传热时间短、效率高、传热均匀、使用寿命长、环境可达-50 ℃超导液不结冰。
（3）热管非工作面性能良好的隔热材料，可减少热功热损失。
（4）真空热管对气密性要求高，承受一定的强度和负压，出厂前需要气密性耐压试验。
（5）控制系统简单、控制元件少、故障少。[HJ]
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