一种热与力结合式除冰结构及除冰方法

1.本发明属于除冰领域，尤其涉及一种热与力结合式除冰结构及除冰方法。

背景技术：

2.在寒冷潮湿的环境中，物体结构的表面会结冰造成一系列严重的危害，比如风力机桨叶、飞机、以及输电线缆等结构表面覆冰。目前比较稳定且应用广泛的是热力除冰法，热除冰往往除冰时间长，会消耗大量的能量，且在有些领域中使用热除冰法融冰时，必须长时间断电，影响正常的工作运行，且除冰效果不佳。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种热与力结合式除冰结构及除冰方法，旨在解决现有的除冰方法除冰效果不佳且影响正常工作的问题。
4.本发明是这样实现的，一种热与力结合式除冰结构，包括控制单元、主压电陶瓷、副压电陶瓷及加热单元，所述加热单元设置在被除冰装置的易结冰区域，所述主压电陶瓷设于所述被除冰装置的共振点处，所述控制单元及副压电陶瓷设于所述被除冰装置上不易结冰的区域，所述副压电陶瓷检测所述被除冰装置的固有频率并发送至所述控制单元，所述控制单元通过激励信号将固有频率发送至所述主压电陶瓷，所述主压电陶瓷接收激励信号后产生用于除冰的超声导波。
5.本发明的进一步技术方案是：所述控制单元、主压电陶瓷及副压电陶瓷均远离所述加热单元设置。
6.本发明的进一步技术方案是：所述加热单元的电源与所述控制单元连接。
7.本发明的进一步技术方案是：述加热单元采用电加热阻丝。
8.本发明的另一目的在于提供一种热与力结合式除冰结构的除冰方法，包括以下步骤：
9.步骤s1：在所述被除冰装置上容易结冰的区域排布所述加热单元，所述加热单元的排布根据公式计算，其中是hn是所述加热单元之间的间距，q是除冰时所述加热单元总的功率，h是需布置所述加热单元沿展方向的长度，t是期望得到的所述被除冰装置表面的温度，h
p
是所述被除冰装置的厚度，λ是所述被除冰装置的导热系数，l是所述加热单元需要布置的长度；
10.步骤s2：在不易结冰的区域设置所述控制单元及副压电陶瓷，在所述被除冰装置的共振点处设置所述主压电陶瓷；
11.步骤s3：所述副压电陶瓷检测所述被除冰装置的固有频率并发送至所述控制单元，所述控制单元将测得的固有频率作为激励频率发送给所述主压电陶瓷产生超声导波，使得所述被除冰装置发生振动产生剪切应力，同时开启所述加热单元的电源工作加热。
12.本发明的进一步技术方案是：在所述步骤s1中，期望得到的所述被除冰装置表面
的温度需布置所述加热单元沿展方向的长度h＝nhn，n是沿展向方向上需布置的所述加热单元的总数。
13.本发明的进一步技术方案是：在所述步骤s1中，除冰时加热单元总的功率q＝nq”，q”是每个所述加热单元的工作功率，q”＝h
p
*2*q'l，q'是热流密度。
14.本发明的进一步技术方案是：所述步骤s3包括以下步骤：
15.步骤s31：无冰状态下，所述副压电陶瓷对所述被除冰装置的固有频率进行检测，测得无冰状态下的固有频率作为激励频率并发送至所述控制单元，所述控制单元让所述主压电陶瓷工作在无冰状态下的固有频率，并开启所述加热单元；
16.步骤s32：在所述主压电陶瓷工作预设值时间后，所述副压电陶瓷对所述被除冰装置再次进行频率检测，若与无冰状态下的固有频率一致，则证明所述被除冰装置处于无冰状态，所述主压电陶瓷在无冰状态下的固有频率工作，若与无冰状态下的固有频率不一致，则证明所述被除冰装置处于有冰状态，进入步骤s33；
17.步骤s33：将所述副压电陶瓷测得的新的固有频率发送至所述控制单元，使得所述主压电陶瓷的工作频率变为新测得的固有频率，进入步骤s32。
18.本发明的进一步技术方案是：所述副压电陶瓷在测得的固有频率中，选取具有最大能量的固有频率作为激励频率。
19.本发明的有益效果是：在本发明的结构中电加热阻丝的合理布置使加热过程中能量的利用率最高，不会出现加热不均匀的问题；热与力结合式除冰使能耗得到极大的降低，且除冰速度大幅度提高；通过实时的对固有频率进行监测，使激励始终处于当前固有频率的工作模态下，产生的剪切变形最大，除冰效果最好；可根据实际情况将除冰单元安装在结构的内侧或外侧，易安装易维修，且可不破坏结构原有的运行特性，气动性能；在未结冰之时，系统工作也可起到防冰的作用，保证装置的运行安全。
附图说明
20.图1是本发明应用在机翼上的示意图；
21.图2是本发明应用在机翼上的剖视图；
22.图3是本发明应用在线缆上的示意图。
具体实施方式
23.附图标记：1-加热单元，2-主压电陶瓷，3-副压电陶瓷，4-机翼蒙皮，5-隔热层，6-固定臂。
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
25.本发明提供的一种热与力结合式除冰结构，包括控制单元、主压电陶瓷2、副压电陶瓷3及加热单元1，所述加热单元1设置在被除冰装置的易结冰区域，所述主压电陶瓷2设于所述被除冰装置的共振点处，所述控制单元及副压电陶瓷3设于所述被除冰装置上不易
结冰的区域，所述副压电陶瓷3检测所述被除冰装置的固有频率并发送至所述控制单元，所述控制单元通过激励信号将固有频率发送至所述主压电陶瓷2，所述主压电陶瓷2接收激励信号后产生用于除冰的超声导波。
26.优先地，所述控制单元、主压电陶瓷2及副压电陶瓷3均远离所述加热单元1设置。
27.优先地，所述加热单元1的电源与所述控制单元连接。
28.优先地，所述加热单元1采用电加热阻丝。
29.本发明还提供了一种热与力结合式除冰结构的除冰方法，包括以下步骤：
30.步骤s1：在所述被除冰装置上容易结冰的区域排布所述加热单元1，所述加热单元1的排布根据公式计算，其中是hn是所述加热单元1之间的间距，q是除冰时所述加热单元1总的功率，h是需布置所述加热单元1沿展方向的长度，t是期望得到的所述被除冰装置表面的温度，h
p
是所述被除冰装置的厚度，λ是所述被除冰装置的导热系数，l是所述加热单元1需要布置的长度；
31.步骤s2：在不易结冰的区域设置所述控制单元及副压电陶瓷3，在所述被除冰装置的共振点处设置所述主压电陶瓷2；
32.步骤s3：所述副压电陶瓷3检测所述被除冰装置的固有频率并发送至所述控制单元，所述控制单元将测得的固有频率作为激励频率发送给所述主压电陶瓷2产生超声导波，使得所述被除冰装置发生振动产生剪切应力，同时开启所述加热单元1的电源工作加热。
33.优先地，在所述步骤s1中，期望得到的所述被除冰装置表面的温度需布置所述加热单元1沿展方向的长度h＝nhn，n是沿展向方向上需布置的所述加热单元1的总数。
34.优先地，在所述步骤s1中，除冰时加热单元1总的功率q＝nq”，q”是每个所述加热单元1的工作功率，q”＝h
p
*2*q'l，q'是热流密度。
35.优先地，所述步骤s3包括以下步骤：
36.步骤s31：无冰状态下，所述副压电陶瓷3对所述被除冰装置的固有频率进行检测，测得无冰状态下的固有频率作为激励频率并发送至所述控制单元，所述控制单元让所述主压电陶瓷2工作在无冰状态下的固有频率，并开启所述加热单元1；
37.步骤s32：在所述主压电陶瓷2工作预设值时间后，所述副压电陶瓷3对所述被除冰装置再次进行频率检测，若与无冰状态下的固有频率一致，则证明所述被除冰装置处于无冰状态，所述主压电陶瓷2在无冰状态下的固有频率工作，若与无冰状态下的固有频率不一致，则证明所述被除冰装置处于有冰状态，进入步骤s33；
38.步骤s33：将所述副压电陶瓷3测得的新的固有频率发送至所述控制单元，使得所述主压电陶瓷2的工作频率变为新测得的固有频率，进入步骤s32。
39.优先地，所述副压电陶瓷3在测得的固有频率中，选取具有最大能量的固有频率作为激励频率。
40.本发明提供了一种热与力结合式除冰结构及除冰方法，通过热与力结合的除冰技术，在加热时会使冰层和结构表面形成水膜，冰层的黏附应力会极大地降低；力是由超声导波在结构中传播而产生的，在不同的介质中传播时会产生速度差，继而在冰层和结构表面
形成剪切应力使冰破碎分离。同时不管是加热还是导波振动，都会增大水滴附着在表面的难度，降低结冰量。通过热与力结合式除冰技术提高除冰的速度，并且降低除冰所需的能量和装置的重量。
41.在该结构中，通过所述加热单元1的发热效果，对容易结冰的区域进行热处理，降低冰层的黏附应力。所述加热单元1主要布置在结构易结冰且冰层厚的重点区域，所述加热单元1可以在结构的表面或内侧进行排布，为了使表面的加热温度在0℃以上，且各位置温度保持均匀，避免出现有加热温度低，未形成水膜或加热温度过高，造成能量浪费的区域，继而影响除冰效果，且为使能量的利用率最大化，所述加热单元1的合理布置至关重要。所述加热单元1的排布根据如下公式确定：
[0042][0043]
nhn＝h
ꢀꢀꢀ
(2)；
[0044]
nq”＝q
ꢀꢀꢀ
(3)；
[0045]
q”＝h
p
*2*q'l
ꢀꢀꢀ
(4)；
[0046][0047]
t是期望得到的所述被除冰装置表面的温度，q'是热流密度，q”是每个所述加热单元1的工作功率，h是需布置所述加热单元1沿展方向的长度，n是沿展向方向上需布置的所述加热单元1的总数，q是除冰时所述加热单元1总的功率，hn是所述加热单元1之间的间距，h
p
是所述被除冰装置的厚度，λ是所述被除冰装置的导热系数，l是所述加热单元1需要布置的长度。可以根据结构自身的材料特性，以及结构所处的环境来确定相关参数，继而确定所述加热单元1的排布。温度t与除冰速率相关，t越高，除冰速率越快。t越高消耗的能量越多，因此可能根据实际需求来改变提供的能量，来控制t的温度，控制除冰速率。
[0048]
单纯靠热处理这一种除冰方法很难快速有效的去除，因此本发明的结构是由力和热的共同作用达到快速有效的除冰。在未布置所述加热单元1的部分区域也可能会有冰层的生成，这种区域覆冰量少，冰层薄，使用超声导波能产生足够的剪切应力进行有效的除冰。这样布置不仅能使能量的消耗更进一步的降低，还能使有效除冰的区域更大，实现整个结构的有效除冰，更能发挥出热与力结合式除冰的优势。通过设置所述主压电陶瓷2及副压电陶瓷3产生超声导波，利用产生的剪切应力对冰层薄的区域的冰进行处理。其中所述副压电陶瓷3可以对所述被除冰装置的当前的固有频率进行检测，并将测得的固有频率通过所述控制单元发送激励频率到所述主压电陶瓷2，所述主压电陶瓷2工作在所述副压电陶瓷3测得的固有频率下，且所述主压电陶瓷2设置在所述被除冰装置的共振点处，因此当所述主压电陶瓷2工作时会与所述被除冰装置产生共振，产生的振动变形可以将已被所述加热单元1加热过的厚冰层脱落，也可以震落结构表面的薄冰层。所述副压电陶瓷3在检测固有频率时会测得多个数据，会选取具有最大能量的固有频率。
[0049]
在所述被除冰装置处于无冰状态下，所述副压电陶瓷3会测得无冰状态下的固有频率，并将该固有频率储存在所述控制单元中。在无冰状态下所述加热单元1及主压电陶瓷2也会工作，可以保证结构表面的温度维持在0℃以上，震落表面的水滴，起到防冰的效果。当所述副压电陶瓷3测得的固有频率与无冰状态下的固有频率不同，则证明所述被除冰装
置上出现结冰情况，则会将新测得的固有频率发送至所述控制单元，使得所述主压电陶瓷2的工作频率变为新测得的固有频率，在所述控制单元中可以设置所述主压电陶瓷2的工作时间，所述主压电陶瓷2工作时间后，所述副压电陶瓷3再次检测，如果与无冰状态下的固有频率相同，则证明冰已除，所述主压电陶瓷2重新工作在无冰状态下的固有频率，如果与无冰状态下的固有频率不同，则重复上述的除冰操作直到冰被去除。无论是在无冰状态下还是有冰状态下，所述加热单元1是一直在工作的。
[0050]
以下通过两个实施例介绍本发明的应用。
[0051]
实施例一：
[0052]
可以将本发明的方案应用在飞机机翼或者风力机桨叶这种弧状或者平面结构上。飞机在飞行过程中气温变化大，所以容易在机翼部分产生冰层，如果不能及时有效的去除冰层，则会对飞机的飞行造成巨大的影响。所以在机翼的沿展向方向上面均匀的布置所述加热单元1，本案例中所使用的加热单元1是电加热阻丝。h是展向方向的长度为0.2m，t是0.0174℃，q是除冰时加热阻丝上的总功率1.16w，hn是电加热阻丝之间的间距，h
p
是结构的厚度2mm，λ是材料的导热系数155w/(m
·
k)，l是电加热阻丝需要布置的长度62mm。将参数带入到公式可得n是沿展向方向上需布置的电加热阻丝的总数为19，间距为10.5mm。沿整个结构展向方向上需布置多少根电加热阻丝也可以此类推出来。将电加热阻丝和隔热层5安装到结构的内侧，如图2所示，这样不会破坏机翼或桨叶表面的空气动力学特性，隔热层5使电加热阻丝产生的热量单向朝着结冰侧，即外侧流动，降低能量损失，提高能量利用率。
[0053]
将所述主压电陶瓷2安装在机翼蒙皮4的内侧共振点处，这样不会影响动力学特性。如图1所示，所述副压电陶瓷3作为激励器产生一个激励，所述主压电陶瓷2作为传感器获得信号，然后分析信号获得固有频率。选取一个固有频率作为激励信号的激励频率，让所述主压电陶瓷2工作在共振频率下。由于共振频率会随着机翼上冰层质量的变化而发生变化，因此在所述主压电陶瓷2一次激励使冰部分破碎分离之后，所述副压电陶瓷3再进行固有频率的测量，使整个结构的激励一直保持在一个共振的模态，使结构产生最大剪切变形，与电加热阻丝共同完成除冰工作。
[0054]
实施例二：
[0055]
该结构还可以用于输电线缆的防\除冰。除电加热阻丝，在线缆上绕成环形外，在该应用中也可以使用其他环状的可套在线缆上的所述加热单元1。不需要对现有的输电线缆进行大幅度的改动，只需要在结构的表面安装即可。线缆是圆柱形不利于压电陶瓷的安装，将固定臂6固定在线缆上，在固定臂6最上面的平面安装压电陶瓷。如图3所示，在结构外表面进行布置加热单元1和压电陶瓷。最终根据公式计算得出加热单元1的安装间距，其余的操作与实施例一相似。
[0056]
在本发明的结构中电加热阻丝的合理布置使加热过程中能量的利用率最高，不会出现加热不均匀的问题；热与力结合式除冰使能耗得到极大的降低，且除冰速度大幅度提高；通过实时的对固有频率进行监测，使激励始终处于当前固有频率的工作模态下，产生的剪切变形最大，除冰效果最好；可根据实际情况将除冰单元安装在结构的内侧或外侧，易安装易维修，且可不破坏结构原有的运行特性，气动性能；在未结冰之时，系统工作也可起到
防冰的作用，保证装置的运行安全。
[0057]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种热与力结合式除冰结构，其特征在于，包括控制单元、主压电陶瓷、副压电陶瓷及加热单元，所述加热单元设置在被除冰装置的易结冰区域，所述主压电陶瓷设于所述被除冰装置的共振点处，所述控制单元及副压电陶瓷设于所述被除冰装置上不易结冰的区域，所述副压电陶瓷检测所述被除冰装置的固有频率并发送至所述控制单元，所述控制单元通过激励信号将固有频率发送至所述主压电陶瓷，所述主压电陶瓷接收激励信号后产生用于除冰的超声导波。2.根据权利要求1所述的一种热与力结合式除冰结构，其特征在于，所述控制单元、主压电陶瓷及副压电陶瓷均远离所述加热单元设置。3.根据权利要求2所述的一种热与力结合式除冰结构，其特征在于，所述加热单元的电源与所述控制单元连接。4.根据权利要求1所述的一种热与力结合式除冰结构，其特征在于，所述加热单元采用电加热阻丝。5.一种权利要求1-4任一项所述的热与力结合式除冰结构的除冰方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：在所述被除冰装置上容易结冰的区域排布所述加热单元，所述加热单元的排布根据公式计算，其中是h
n
是所述加热单元之间的间距，q是除冰时所述加热单元总的功率，h是需布置所述加热单元沿展方向的长度，t是期望得到的所述被除冰装置表面的温度，h
p
是所述被除冰装置的厚度，λ是所述被除冰装置的导热系数，l是所述加热单元需要布置的长度；步骤s2：在不易结冰的区域设置所述控制单元及副压电陶瓷，在所述被除冰装置的共振点处设置所述主压电陶瓷；步骤s3：所述副压电陶瓷检测所述被除冰装置的固有频率并发送至所述控制单元，所述控制单元将测得的固有频率作为激励频率发送给所述主压电陶瓷产生超声导波，使得所述被除冰装置发生振动产生剪切应力，同时开启所述加热单元的电源工作加热。6.根据权利要求5所述的一种热与力结合式除冰结构的除冰方法，其特征在于，在所述步骤s1中，期望得到的所述被除冰装置表面的温度需布置所述加热单元沿展方向的长度h＝nh
n
，n是沿展向方向上需布置的所述加热单元的总数。7.根据权利要求6所述的一种热与力结合式除冰结构的除冰方法，其特征在于，在所述步骤s1中，除冰时加热单元总的功率q＝nq”，q”是每个所述加热单元的工作功率，q”＝h
p
*2*q'l，q'是热流密度。8.根据权利要求7所述的一种热与力结合式除冰结构的除冰方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：步骤s31：无冰状态下，所述副压电陶瓷对所述被除冰装置的固有频率进行检测，测得无冰状态下的固有频率作为激励频率并发送至所述控制单元，所述控制单元让所述主压电陶瓷工作在无冰状态下的固有频率，并开启所述加热单元；步骤s32：在所述主压电陶瓷工作预设值时间后，所述副压电陶瓷对所述被除冰装置再次进行频率检测，若与无冰状态下的固有频率一致，则证明所述被除冰装置处于无冰状态，
所述主压电陶瓷在无冰状态下的固有频率工作，若与无冰状态下的固有频率不一致，则证明所述被除冰装置处于有冰状态，进入步骤s33；步骤s33：将所述副压电陶瓷测得的新的固有频率发送至所述控制单元，使得所述主压电陶瓷的工作频率变为新测得的固有频率，进入步骤s32。9.根据权利要求8所述的一种热与力结合式除冰结构的除冰方法，其特征在于，所述副压电陶瓷在测得的固有频率中，选取具有最大能量的固有频率作为激励频率。

技术总结

本发明提供了一种热与力结合式除冰结构及除冰方法，包括控制单元、主压电陶瓷、副压电陶瓷及加热单元，所述加热单元设置在被除冰装置的易结冰区域，所述主压电陶瓷设于所述被除冰装置的共振点处，所述控制单元及副压电陶瓷设于所述被除冰装置上不易结冰的区域，所述副压电陶瓷检测所述被除冰装置的固有频率并发送至所述控制单元，所述控制单元通过激励信号将固有频率发送至所述主压电陶瓷，所述主压电陶瓷接收激励信号后产生用于除冰的超声导波。热与力的结合式除冰使能耗得到极大的降低，且除冰速度大幅度提高；通过实时的对固有频率进行监测，使激励始终处于当前固有频率的工作模态下，产生的剪切变形最大，除冰效果最好。除冰效果最好。除冰效果最好。