一种压电式石墨烯热管桥面除冰装置

1.本实用新型涉及桥面除冰设备技术领域，具体涉及一种压电式石墨烯热管桥面除冰装置。


背景技术：

2.近年来，我国愈加注重能源革命，建设多元清洁的能源应用体系，在保持能源安全的前提下，持续推进能源的绿色低碳转型。数据显示，2014年以来，我国单位国内生产总值能耗累计降低20%，以年均约2.9%的能源消费增长支撑了6.2%的国民经济增长。煤炭消费比重从2014年的65.8%下降到2021年的56%，是历史上下降最快的时期。与此同时，清洁能源消费比重同期从16.9%上升到25.5%，占能源消费增量的60%以上。同时创新对于能源行业的技术转型、扩大生产及多元化应用有着不能忽视的重要作用，加强能源技术的创新能力必须并驾齐驱。
3.桥梁由于其独特的地理位置，需要重点考虑在冬季气温降低时由于桥面结冰而造成其交通功能的损坏。考查传统的桥面除冰方式，其在人力物力方面有极大的消耗，并且对于各种能源的应用有着消耗大，效率低的缺点，因此，面对桥面除冰的硬性需求，寻找新型的替代能源，构建新型除冰系统是必然要求。本设计在选择利用通过桥梁的来往车辆自生携带的机械能经过压电陶瓷转化成电能的基础上，增加热管进行强化换热，通过桥梁自身的钢筋网对桥面传递热量从而达到除冰的效果。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本技术提供了一种压电式石墨烯热管桥面除冰装置，包括具有箱形梁的桥体、传热结构、发热结构和发电结构，桥体的箱形梁的顶壁布设有钢筋网，箱形梁内具有传热空腔，传热结构设置在传热空腔内，传热结构包括若干个热管，热管的冷凝端与钢筋网接触，发热结构包括若干个发热单元，若干个发热单元分别安装在若干个热管的蒸发端，所述发电结构包括减速带、陶瓷压电片、蓄电池以及控制器，减速带安装在桥体的桥面，陶瓷压电片安装在减速带的发电空腔内，并与蓄电池连接，车辆经过减速带时通过压动减速带引发陶瓷压电片的轻微变形，实现对蓄电池的充电，蓄电池可对发热结构供电，使发热结构发热，发热结构产生的热量传递到传热结构并经过传热机构对桥体的桥面进行加热除冰。
5.本实用新型为解决上述问题提供的是一种压电式石墨烯热管桥面除冰装置，包括
6.桥体，所述桥体具有箱形梁，箱形梁的顶壁布设有钢筋网，箱形梁具有用于容纳传热结构的传热空腔；
7.传热结构，所述传热机构设置在传热空腔内，传热机构包括若干个热管，所述热管具有蒸发端和冷凝端，冷凝端与钢筋网接触；
8.发热结构，所述发热机构包括若干个发热单元，若干个发热单元分别设置在若干个热管的蒸发端，所述发热单元包括导电接口、聚酯外壳以及石墨烯发热薄膜，石墨烯发热
薄膜包覆在热管的蒸发端，导电接口与石墨烯发热薄膜连接，聚酯外壳包覆在石墨烯发热薄膜的外部；
9.发电结构，所述发电结构包括减速带、陶瓷压电片、蓄电池以及控制器，所述减速带安装在桥体的桥面上，减速带内具有发电空腔，所述陶瓷压电片安装在发电空腔内，其上表面与减速带的顶壁通过弹簧片连接，所述陶瓷压电片与蓄电池通过电线连接，蓄电池通过控制器与导电接口电连接。
10.进一步的，所述控制器上连接有温度传感器。
11.进一步的，所述聚酯外壳的外部包覆有绝热层。
12.进一步的，所述热管竖直设置，若干个热管的冷凝端平铺埋设在箱形梁的顶壁内。
13.进一步的，所述陶瓷压电片为pzt-4压电陶瓷。
14.有益效果
15.本技术的技术方案具有以下有益效果：
16.1、节约能源，本技术有效利用汽车行驶中的机械能，将汽车行驶过程中产生的压力转换成电能供给给石墨烯发热薄膜发热除冰，实现了能量的再利用，未消耗额外的能量，绿色环保，节约能源。利用热管极高的导热性，可以减少石墨烯的用量。相比于直接将石墨烯铺在桥面上来说，这种方法更加能节约材料，节约能源，避免造成能源的浪费；
17.2、节约材料，本技术的方案中，将石墨烯发热薄膜包裹在热管的外面，利用热管极高的导热性，可以减少石墨烯的用量，相比于现有的一些直接将石墨烯铺在桥面上的方案来说，本技术的方案更加能节约材料，节约能源，避免造成能源的浪费；
18.3、持久耐用，本技术中，压电装置设置在减速带内，不受汽车直接碾压，磨损量小，可使用寿命长，热管和石墨烯发热薄膜放置在发电空腔内避免受车辆碾压损坏，而且便于后期的维护，延长了使用寿命；
19.4、保护桥面，本技术的方案采用石墨烯发热薄膜加热的方式除冰，不使用任何化学材料和机械辅助除冰，相比传统除冰方式，不会对桥体路面产生损坏；
20.5、运行干扰量小，本技术的技术方案中，能源来源为汽车行驶过减速带产生的压力，不受阳光、温度、气候等自然因素影响，运行情况稳定；
21.6、自动控制，本技术中，通过选取合适的控制器和温度传感器，并采用对应的程序控制，可使温度传感器实时检查桥面温度，将参数传输给控制器，自动控制石墨烯加热薄膜加热桥面，全过程不需人工参与，自动性强。
附图说明
22.图1是本装置的结构示意图；
23.图2是传热空腔内部示意图；
24.图3是减速带的剖面示意图；
25.图4是发热单元的结构原理图；
26.图5是发热单元与热管的连接示意图；
27.图中：1、桥体，2、钢筋网，3、热管，4、发热单元，41、导电接口，42、聚酯外壳，43、石墨烯发热薄膜，5、减速带，6、陶瓷压电片，7、蓄电池，8、控制器，9、弹簧片。
具体实施方式
28.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
29.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。
31.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
32.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
33.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
34.如图1-5所示：一种压电式石墨烯热管桥面除冰装置，包括桥体1、传热结构、发热结构和发电结构,所述桥体1为具有箱形梁的桥体1，桥体1的箱形梁的顶壁布设有钢筋网2，钢筋网2具有加强桥面结构和传递热量的作用，钢筋网2邻近箱形梁的顶面以及桥体1的桥面，所述箱形梁内部具有用于容纳传热机构的传热空腔。
35.所述传热机构设置在传热空腔内，传热机构包括若干个热管3，热管3具有蒸发端和冷凝端，热管3为现有技术产品，是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有很高的导热性。热管3充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热管3将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热
能力超过任何已知金属的导热能力。所述热管3竖直设置，热管3的顶端为其冷凝端，热管3的冷凝端等高度设置以使其若干个热管3的冷凝端以平铺形式分布，若干个热管3的冷凝端均埋设在箱形梁的顶壁内，且均与位于箱形梁顶壁上的钢筋网2接触，热管3的蒸发端受热时，热管3可将蒸发端处的热量从其冷凝端传递给钢筋网2，钢筋网2受热对桥面加热，使桥面的冰层融化。
36.所述发热结构包括若干个发热单元4，若干个发热单元4分别安装在若干个热管3的蒸发端，发热单元4通电后在热管3的蒸发端产生热量，所述发热单元4包括导电接口41、聚酯外壳42以及石墨烯发热薄膜43，石墨烯发热薄膜43包覆在热管3的蒸发端，导电接口41与石墨烯发热薄膜43连接，导电接口41用于将石墨烯发热薄膜43接入供电线路，石墨烯发热薄膜43通电后会产生热量，聚酯外壳42包覆在石墨烯发热薄膜43的外部，为了防止石墨烯发热薄膜43产生的热量散失，聚酯外壳42的外部包覆有绝热层。
37.以下为石墨烯发热原理的介绍：石墨烯材料具有升温迅速的特点，适用于直流电和交流电，在短时间内即可升温到有效温度，并且可结合控温器使用，便于自行切换预设温度。石墨烯发热薄膜43可以作为很好的卤面发热材料，发热性能高，拉伸性和柔韧性好，不容易被损坏。单层石墨烯在电场为零时，导电载流子浓度为零，称为“狄拉克点”。在距离狄拉克点较远的地方，石墨烯中只有单一的载流子，负栅压使石墨烯成为电子导电，最终使器件的电阻率发生从几千欧姆到几百欧姆的变化，从而产生大量热量。本方案中当电流流向石墨烯发热薄膜43时，石墨烯发热薄膜43的电阻由于其结构特殊性迅速升高并产生大量焦耳热，从而对热管3的蒸发端传递热量。
38.所述发电结构用于发电、存电和根据需要向发热机构供电。发电结构包括减速带5、陶瓷压电片6、蓄电池7以及控制器8，所述减速带5安装在桥体1的桥面上，减速带5内具有发电空腔，具体的，所述沿减速带5的长度方向，减速带5为等腰梯形，其内部的发电空腔也为等腰梯形。所述陶瓷压电片6安装在发电空腔内，具体的，陶瓷压电片6通过螺丝等固定部件与减速带5的底面固接，陶瓷压电片6的上表面与减速带5的顶壁之间通过弹簧片9连接，弹簧片9的两端分别与减速带5以及陶瓷压电片6连接，车辆经过减速带5时会给减速带5一个瞬态向下的冲击载荷，减速带5传递给弹簧片9使机械能转化为弹性势能，然后陶瓷压电片6发生微小变形，陶瓷压电片6产生正向压电效应，由于压电材料受过计划，表面附着有束缚电荷，在受到力的作用时，其内部产生应力，继而产生应变，使陶瓷压电片6极化强度减弱，从而在陶瓷压电片6的表面产生电压输出，所述陶瓷压电片6与蓄电池7通过电线连接，陶瓷电压片输出的电能通过电线传递并最终在蓄电池7内储存。所述蓄电池7通过控制器8与发热结构的导电接口41电连接，蓄电池7可将电能传递给发热结构时发热结构产生热量，进一步的，所述控制器8上连接有温度传感器，温度传感器用于检测桥面温度，所述控制器8内内置控制程序，控制器8可根据温度传感器检测的温度判断是否需要连通发热结构与蓄电池7的电路。作为优选方案，所述陶瓷压电片6为pzt-4压电陶瓷，1998年，hooker测量了在-150~200℃范围内pzt系列的介电，铁电与压电特性，实验表明，pzt-4在低温范围内性能相对稳定。
39.以下对本技术方案可行性进行分析：
40.冰层比热cp=2.1kj/（kg
·
°
c），冰层导热系数λ=2.22w/（m
·
℃），冰层对流传热系数h=0.02kw/m℃，冰层密度ρ=0.92g/cm
³
。
41.由于热管外石墨烯为绝热层，则可将传热过程视为石墨烯产的全部热量通过热管传到地面。
42.以哈尔滨冬季平均气温计算为例。中国冬季平均温度在-9~1
°
c，冬季夜间平均温度为，则设初始冰层温，此时过余温度，
43.经过一定时间后末端温度，此时过余温度，取桥面结冰厚度l=30mm。
44.对冰层采用一维向上传热分析：
45.热扩散率：
46.冰层比热容cp=2.1kj/（kg
·
°
c）；
47.冰层导热系数λ=2.22w/（m
·
℃）；
48.冰层密度ρ=0.92g/cm
³
。
49.确定bi毕渥准则和f0傅里叶准则：
50.冰层对流传热系数h=0.02kw/m℃；
51.桥面结冰厚度l=30mm。
52.无量纲温度为无量纲温度为
53.查得；即。
54.由可知：
55.每平方米冰面平壁初始散发到环境的热量:
56.每平方米冰面在τ时间散发到环境的热量为ф
τ
57.查得，由此可得：故融化冰面所需要的热流密度为：
58.热管尺寸参数如下：直径d=10mm，外层石墨烯厚度r=3mm，所包裹的蒸发段长度l=200mm。
59.电极片所接面积为圆环面：
60.石墨烯发热电阻计算公式：
61.压电陶瓷片输出电压为4.8v，可得单根热管外石墨烯作为发热热阻在额定电压下的发热功率：
62.单位面积内五根热管外石墨烯作为发热热阻在额定电压的发热功
63.五根热管上石墨烯总热流密度为7.06*10^3kw/m
²
》122.74kw/m
²
，故压电模块产生的电能足够供给给冰面除冰所需的热量。
64.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟
悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。