一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置.pdf

本发明公开一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置，它是由保温材料和热管组成。热管分散热段、传热段、吸热段；散热段、吸热段水平位于保温材料的上下端面，传热段嵌于保温材料的内部，吸热段和散热段附加翅片，在密闭的真空外壳热管内装有热导工质，水平埋设在路堤中的一定位置。通过本发明整体导热系数有效变化，实现对装置下部土体热流调控和有效降温作用。次外，本发明还具有降温效能突出、结构和施工简便、造价低廉、应用面广、有利于降低工程造价、保护脆弱生态环境等诸多优点。可广泛应用于铁路、公路、管线等线性工程、工程建筑的路基或基础中，以及其它需隔热降温的物体上，对于维护路基下部多年冻土和工程建筑的长期稳定将产生积极和重要作用。

1、  一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置，其特征在于它是由保温材料(1)和热管(2)组成，保温材料(1)的厚度为5～20cm；热管(2)分散热段、传热段、吸热段，散热段、吸热段水平位于保温材料(1)的上下端面，传热段嵌于保温材料(1)的内部，吸热段和散热段附加翅片(3)，在密闭的真空外壳热管(2)内装有热导工质，水平埋设在路堤中的一定位置。

2、  如权利要求1所述的一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置，其特征在于上述的保温隔热材料(1)至少为泡沫塑料、泡沫玻璃、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、硅酸钙、泡沫石棉、硅藻土、沸石中的一种，其中泡沫塑料是由聚合物基材和发泡气体制成的复合材料。

3、  如权利要求1所述的一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置，其特征在于所述的热管为z形管，或为环形管，或为直形管；z形管散热段和吸热段分别与传热段间的夹角为90°～150。

4、  如权利要求1所述的一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置，其特征在于上述的热管(2)至少为铁管、不锈钢管、铝管、铜管、PVC管、塑料管、聚乙烯管中的一种。

5、  如权利要求3所述的一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置，其特征在于所述的热导工质至少选自无水乙醚(分子式C₄H₁₀O)、丙酮(分子式CO(CH₃)₂)、氟里昂(是含有氟和氯的有机化合物，包括氟利昂-12、氟利昂-11、氟利昂-22等)、丁烷(分子式C₄H₁₀)、甲醇、乙醇等有机工质中的一种。

6、  如权利要求3所述的降低路基冻土地温场的高效单向导热装置，其特征在于所述的热导工质选自氨(分子式NH3)、氮中的一种。

一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置
技术领域
本发明涉及一种用于降低和调控多年冻土地区道路路基、管线工程、建筑底部温度的一种新型结构形式。
背景技术
冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，按冻土保持时间的长短主要分为季节冻土(半月至数月)、多年冻土(一年以上)，其分布区域称为寒区。世界陆地面积的50％以上为寒区所覆盖，在我国寒区和多年冻土的面积分别占到国土面积的75％和21.5％。我国属世界第三冻土大国，而高海拔多年冻土面积则位居世界之最。
冻土不仅由于冰的存在其性质会较融土发生复杂和根本性的改变，而且在多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，更会形成厚达几米、甚至十几米、各具形态的厚层地下冰。在广阔的多年冻土地区，蕴藏着丰富的矿藏、森林和土地资源。由于资源开发，日益加剧的人类活动极易诱发厚层地下冰的融化和冻土环境的变化。这些变化，对人类工程建筑和自然环境带来严重影响，甚至造成灾害。随着全球气候的不断转暖，使得这一形式变得更加严峻。由于冻土的抗压强度与其温度密切相关，尤其当冻土的温度高于-1℃，其强度按指数关系随之下降，往往当地温只发生零点几度的变化，对工程而言对冻土路基稳定性就会产生极大影响。如果通过工程措施来降低路基温度场，则是解决路基稳定的关键所在。
我国兴建的青藏铁路、青藏公路工程项目以及将要进行的青藏高速公路、新藏公路、新藏铁路、南水北调西线工程都面临高温(即温度接近0℃的多年冻土)、高含冰量冻土(即体积含冰量基本超过30％的多年冻土)、气候转暖和多年冻土不断退化等诸多难题。如何解决好路基和基础与多年冻土的相互作用，保证路基和基础长期稳定，确保交通运输安全运营和工程建筑稳定已成为亟待解决的关键工程问题。其中尤其是在多年冻土区高速公路修建，将遇到更加困难的科学问题。通过模拟仿真分析发现，黑色沥青路面条件下，通过路堤底面向下部路基土体传递的热流量是铁路等砂砾路面条件下的3倍，而高速、高等级公路等宽幅路面条件下的热流量是现有青藏公路的1.3倍。因此，如何找到有效的解决途径，对于我国多年冻土区高速、高等级公路的建设将具有非常重要的作用。
发明内容
本发明针对上述国家重点建设工程问题，旨在提供一种降低路基冻土地温场的高效、具有单向导热性能的装置，并将该种装置水平埋设在路堤中的一定位置。在一年中的暖季、外界环境温度较高、路面强流吸热情况下，大量热量不断通过路堤土体通过传导过程向下传递，此时利用该种装置单向导热的性能，可以有效阻挡这部分热量的传入。在冷季外界环境温度较低，路堤外边界开始不断放热的过程中，通过该装置又处于高效导热状态，最终使其下部土体的热量得以有效释放。由此路基在一年与外界热量交换过程中，通过本装置有效调控一年中下部土体的传热过程，在热量收支上使其放出的热量大于吸收的热量，来维持较高程度的净放热，将自然界的冷能不断聚集到路基的内部。由此，不断降低路基下部土体的温度，使多年冻土和工程建筑的稳定性建立在较高的水平上。由此也可有效避免季节活动的冻融循环所带来的冻胀、融沉对路基稳定性的影响。
本发明的目的可以通过以下措施来实现：
一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置，它是由保温材料和热管组成。保温材料的厚度为5～20cm；热管分散热段、传热段、吸热段；散热段、吸热段水平位于保温材料的上下端面，传热段嵌于保温材料的内部，吸热段和散热段附加翅片，在密闭的真空外壳热管内装有热导工质，水平埋设在路堤中的一定位置。
上述的保温隔热材料至少为泡沫塑料、泡沫玻璃、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、硅酸钙、泡沫石棉、硅藻土、沸石中的一种，其中泡沫塑料是由聚合物基材和发泡气体制成的复合材料。
上述的热管为z形管，或为环形管，或为直形管；z形管散热段和吸热段分别与传热段间的夹角为90°～150。
上述的热管至少为铁管、不锈钢管、铝管、铜管、PVC管、塑料管、聚乙烯管中的一种。
上述的热导工质至少选自无水乙醚(分子式C₄H₁₀O)、丙酮(分子式CO(CH₃)₂)、氟里昂(是含有氟和氯的有机化合物，包括氟利昂-12、氟利昂-11、氟利昂-22等)、丁烷(分子式C₄H₁₀)、甲醇、乙醇等有机工质中的一种。
上述的热导工质选自氨(分子式NH₃)、氮中的一种。
热管的工作原理主要为相变传热，热管沿长度一般分为三部分，两头分别为吸热段和散热段，中间为隔热传热段。在密闭的真空管内，充装一种和多种液体热导工质，工质在相对高温的吸热端，由液相转变为汽相，并吸收周围地热量，并运移的相对低温的散热端，又由汽相转变为液相，同时释放所携带的热量。由此不断循环，高效进行吸热端与散热端的热量交换。应用于土工工程中的重力式热管，其吸热段和传热段垂直埋入土体，只有位于土体中最下部吸热端的温度高于上部暴露于空中的散热端时，热管开始工作进行换热，而下端温度低于上端时，则停止工作，总体起到了单向导热的作用。随着外界环境的变化，由此不断降低下部土体的温度。在道路工程中，往往将热管埋设在公路的一侧、或两侧，通过传导过程，将路面向土体中传递的热量带出，由此降低路基地温场。
本发明设计的单向导热装置，着眼点在于热量在传递段直接进行热流调控，由此避免了以往道路工程中，待热量传递到下部土体后，再利用热管进行降温的弊端。在道路、管线等建筑工程，其传热过程为通过外表面吸热，吸热路面，从面的角度向下部土体传递热量。因此，本发明的优点还在于克服了已往热棒、通风管等点、线降温的缺点，在路基、基础一定的层面上，从面的角度进行热流调控，因而工程效果更加有效、合理，降温效果更加显著。
本发明是液态、气态变化吸热、放热的原理，通过该装置导热系数的变化，达到对热流的调控目的。该装置埋设与路堤内部一定的高度，当上部土体为正温并向下传递热量时，热管处于休眠状态，整体通过保温材料隔绝了上部热量的下传，此时装置等效导热系数基本为保温材料的导热系数；而当上部土体为负温向外放热时，保温材料中密布的热管处于工作状态，将装置下部土体的热量大量带出，总体起到导热的作用，此时装置的等效导热系数基本接近土体的导热系数。可见，该装置中的热管，根据上部土体温度的变化决定其工作与否，通过与保温材料的有机结合，起到了对该装置所处层面热流的调控作用。
本发明设计的z型热管(图1)，其散热段、吸热段水平位于保温材料的上下端面，散热段、吸热段分别与传热段间的夹角为90°～150°。其优点首先在于，集成了常规“重力式热管”和“水平热管”的优点，在散热段、吸热段采用水平热管的设计结构，在传递段采用重力式热管的结构，不仅达到了重力式热管的功效，并且在吸热段和散热段附加翅片，扩大了吸热和散热面积，增加了装置的整个功效。在图7中，装置两侧、热管周围土体温度得以快速进行热量传度，就是其产生的功效。
其次，z型热管的优点还在于热管传热段的设计。由于位于保温材料内，避免了周围土体温度对工质、热量传递过程的影响。另外，散热段、吸热段分别与传热段间的夹角为90°～150°，通过这种设计方式，分隔了汽相、液相的流动通道，由此避免汽、液在运移过程中，由于碰撞所导致的效能降低。
本发明设计的环行管(图2)，其优点在于通过增加汽、液的交换通道，达到更大的热量交换作用。
本发明设计的垂直热管(图3)，其优点在于通过它在路堤中的密布方式，达到更大的热量交换作用。
本发明在环行管、z形管中的吸热段和散热段，直管中的端头与土体的接触部分附加翅片，增加热管与土体的换热能力。
本发明的优点和产生的有益效果是：
1.降温效能突出、工程稳定性效能明显。这是本发明最大的优点。通过高效单向导热装置在有效控制暖季热量下传的同时，在冬季又可以是路基内部热量得以有效释放。由于路基较高净放热量的实现，不仅将多年冻土顶部维持在一个较高的位置，而且下部多年冻土地温可以得到快速、持续降低，避免全球气候升温等环境条件的影响，长期、有效维持冻土和路基的长期稳定，消除各种工程病害、灾害的发生。
2.实施简便、性价比高。由于该装置主要由工作热管和保温材料组成，在施工过程中，施工工艺与现有冻土路基中使用的保温材料完全相同，强度复合要求。在路堤成形过程中，在路堤筑实到一定高度后，在该层面上可以简捷、快速的完成现场的拼接，最后完成整个路堤的填筑工作。在成本方面，通过计算，其总体成本为现有保温材料的130～160％(由于保温材料的不同，其成本有所差异)。以青藏铁路为例，由于青藏高原多年冻土区多为高平原，石料场远离施工现场，就成型后的抛石路基而言，由于抛石层增加工程成本每公里约一千多万。如果使用工作热管和保温材料，通过计算增加综合成本每公里约300～400万。通过室内试验和模拟分析，其降温效能远远高于抛石路基。由此可见本发明优异的性价比。因此，施工简单、成本相对低廉也是本发明的突出优点之一。
3.本装置充分结合道路等线型工程的特点，从面的角度对路基、基础内部热传导过程进行调控，克服了已往热棒、通风管等点、线降温的缺点，更加合理有效的进行地温调控。
4.可以用于寒区不良工程病害的治理。由于该种措施的高效降温作用，对于一些由于冻胀和融沉剧烈的季节冻土区和多年冻土的边缘地带，可以通过该种措施使路堤下部土体冻结，避免路基土体频繁冻结和融化导致的冻胀和融沉对道路产生的破坏作用。
5.通过从面的角度的地温调控，在冬季路基地温换热的过程中，可以使道路表面的温度有所升高，由此可以缩短路面的冰冻时间，延长道路的可行车时间和提高道路的行车安全系数，由此可以增加经济和社会效益。
6.该种措施的简便性和有效性有利于降低路堤高度，减少工程造价、缩短工程建设周期、并有利于脆弱生态环境的保护。
7.本装置埋设在路基的内部，不对寒区脆弱生态环境产生任何影响，同时无需任何能源，充分达到人类工程活动与自然环境的和谐发展。
附图说明
图1为本发明z型热管结构示意图
图2为本发明环行热管结构示意图
图3是本发明直型热管结构示意图
图4为本发明带翅片热管俯视结构示意图
图5为本发明带翅片热管断面结构示意图
图6为本发明在道路工程、线性工程中实施的结构示意图
图7为单向装置导热降温过程中的室内试验观测结果
图8为单向装置导热升温过程中的室内试验观测结果
图9为多年冻土-3.5m深度地温随时间变化过程模拟计算对比结果
图10为为多年冻土顶板深度随时间变化过程模拟计算对比结果
具体实施方式
下面结合附图，对本发明再作进一步的说明：
实施例1
一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置，是由厚度为15cm聚合物基材和发泡气体制成的复合材料保温材料1、不锈钢管组成，形成z形状。z形管吸热段、散热段水平位于保温材料1的上下端面，传热段嵌于保温材料的内部，散热段、吸热段分别与传热段间的夹角为120°，吸热段和散热段附加翅片3，在密闭的真空外壳不锈钢管内装有无水乙醚(分子式C4H10O)。水平埋设在路堤中的一定位置。
在现场施工中，将路堤填筑密实到1.5m的高度，再在其上铺设10cm的细砂，将图5所示单向导热装置单元，水平拼接铺设在砂层上。在整个单向导热装置拼接完成后，按照常规公路建设施工工艺完成这个路堤的修筑工作，其结构如图6所示。
为了验证该种技术的有效性，本发明在中国科学院冻土工程国家重点实验室进行了室内小型模拟试验。该试验主要验证该种措施在降温效能的有效性。试验装置主要由试验箱、温度控制系统、数据采集系统组成。1)试验箱四周由保温材料隔绝试验箱内部与外界的热量交换，在试验箱内放置单向导热装置，在其上下放置土体和温度探头。在试验箱的上下端放置温度控制冷盘；温度控制系统由外接冷浴和箱体内部冷盘组成，冷浴与冷盘相接，通过设定冷浴温度可以对冷盘进行精确控温，控制精度为±0.1℃；数据采集系统由温度探头、数据采集仪、计算机组成。温度观测结果通过计算机控制，由DT500数据采集仪自动采集和存储，采集密度为10分钟。在试验过程中分别模拟土体吸热过程和放热过程单向导热装置的工作情况，装置中的热管选用z型热管。在放热过程中，参照野外实测结果，上端控制温度为-9℃，下端为室温约18℃。在吸热过程中上端控制温度为室温23℃，下端控制温度为2℃。试验观测结果如图7、图8所示。由图7可见，在放热过程中，位于保温材料两侧热管水平部分的温差为0.8℃，周围土体温差为5℃，并随时间持续降低，使装置上下部分处于有效导热状态。由图8可见，在吸热过程中，位于保温材料两侧热管水平部分、周围土体都处于有效隔热状态。试验结果表明该装置具有高效单向导热性能。
为进一步验证该种技术的工程有效性，我们利用中国科学院冻土工程国家重点实验室青藏公路和铁路北麓河试验场的实测资料，构建了计算模型，利用中国科学院冻土工程国家重点实验室购置的Marc大型模拟计算软件进行了仿真模拟分析。计算模型的物性常数、边界条件均为现场实测资料。
图9为多年冻土顶板随时间变化过程的仿真计算结果，图中“单向导热”为该装置实施后产生的工程效果，“普通”为一般路堤结构的变化情况。由结果可见，通过本专利的实施，多年冻土最大融化深度，即多年冻土顶板在工程实施后的第3年就达到路堤的内部，且在工程运营的30年里为维持非常稳定的状态，而普通路基下多年冻土持续融化，顶板不断下降，必然导致工程的严重失稳。
图10为地表以下-3m深度地温变化过程的仿真计算结果。由于冻土的力学性质与温度密切相关，随着温度的升高其力学性质快速降低、甚至完全丧失，在工程实际中，在该深度上往往存在大量的厚层地下冰，因此，该深度温度的变化对工程具有重要意义。由计算结果可见，通过本专利的实施，该深度的地温持续降低，并在很长的时间了维持稳定。尾支的上翘，主要是在计算过程中考虑了气候升温影响。通过与普通路基相比，具有完全不同的工程效果。