CN101914883A

CN101914883A - 一种重力平衡式的对流控制风门

Info

Publication number: CN101914883A
Application number: CN 201010241354
Authority: CN
Inventors: 俞祁浩; 常小晓; 钱进
Original assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Current assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2010-12-15

Abstract

本发明涉及一种重力平衡式的对流控制风门，主要由温度感应单元、重力平衡单元风门和风门支架组成。温度感应单元包含密闭的容器与密闭容器；容器3位于容器4的内部，容器3内装满水，容器4装满油；密闭的容器4连接连通器，连通器穿过风门与重力平衡单元相连通；风门悬挂在风门支架内两端的轴上，并嵌入通风管内。本发明根据容器4内部油压的膨胀或缩小，使重力平衡单元发生偏移；由此，在重力作用下风门完成开启关闭动作，促进路基内部与外界冷环境进行热交换，从而保证冻土工程处于长期稳定。

Description

一种重力平衡式的对流控制风门

技术领域

本发明主要涉及一种自动调控冻土路基对流换热过程，通过最大程度利用冷能、积极降低路基温度，确保冻土路基稳定和安全运营的无能耗自动温度控制风门。

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可分为短时冻土(冻结数小时至半月)、季节冻土(冻结半月至数月)、多年冻土(冻结数年至数百万年以上)，其分布区域称为冻土区。世界陆地面积的50％为寒区所覆盖，我国冻土区和多年冻土的面积占到国土面积的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、十几米各具形态的厚层地下冰。随着气候环境的转暖、以及人类活动日益加剧极易诱发冻土和厚层地下冰的融化，对冻土环境、冻土工程造成严重影响和威胁。

我国建设的青藏铁路、青藏公路等国家重大工程都面对高温(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)等极为特殊的冻土环境，都面临着如何长期确保冻土路基长期稳定的难题。随着《国家高速公路网规划》的实施，由于高等级宽幅黑色沥青路面更为强烈的吸热和对冻土的热扰动，都使得即将开展的通往玉树的高等级公路建设、以及未来青藏高速公路的建设面临更为严峻的挑战。

面对突出问题，我国寒区科学工作者立足国情，围绕青藏铁路国家重大工程，在以“冷却路基”科学思想的指导下，为积极保护多年冻土，达到冻土工程的长期稳定，紧密围绕各种工程措施进行了积极的探索和系统研究。中国科学，2003，第33卷介绍了俞祁浩在“自动温控通风路基在青藏铁路中的应用研究”的初期结果。通过2003年6月～10月的野外现场实践证明，这种新型工程措施结合利用冷能的思路，具有效能突出、降温效果明显、工程施工可行、应用环境较宽等诸多优点。该种措施的关键是在普通通风路基通风管上加装了一种可以根据外界环境温度变化自动开启和关闭的风门，当外界的环境温度大于设定感应温度时风门自动关闭，小于感应温度时自动开启，使得外界的冷能得以富集于路堤的内部，达到降温的目的。

虽然上述温度感应控制系统可以较为有效的降低多年冻土的温度，但通过2003年～2004年底的资料分析发现，在2004年3月至6月的时间里，路堤温度场出现了以通风管为主较为快速的升温过程，由此，较大程度的削弱了整体降温效果。其主要原因在于其温度感应和控制系统主要由记忆合金组成，记忆合金的延迟效应只能使控制系统在一个设定温度区段内完成规定动作，加之青藏高原外界环境的巨大变化，使得风门在暖季常处于开启状态，尤其是在夜间。因此，如果首先使自控通风路基的控制系统能准确以设定的环境温度作为控制指标，完成开启和关闭动作，其次，选择较为合理的控制温度，必将最大程度发挥自控通风路基的降温效能，保证冻土工程处于长期稳定，避免全球气候转暖的影响。通过查阅青藏高原的气温资料，高于0℃的时间约为5～9月不到五个月的时间，结合室内的初步分析计算，0℃是一个较为合理的控制温度点，使整个路堤在全年的热量收支上可以达到最优。因此，如何研发一种以0℃为冻土路基对流换热过程的调控节点，且实施方便、造价低廉、操作简单、稳定性高的自控系统，对于有效应对高等级公路等国家重大建设工程的需要就显得尤为重要。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种重力平衡式的对流控制风门。本发明利用水或冰的温度变化，并在0℃发生冻结或融化的过程中，其单位体积会发生9％的膨胀或收缩。根据这一物理性质和重力的偏移，设计了一种独特结构，实现0℃条件下的对流换热风门的开启、或关闭效能。

本发明的技术方案是：

一种重力平衡式的对流控制风门，主要由温度感应单元、重力平衡单元、风门和风门支架组成。温度感应单元是由密闭的容器与密闭容器组成；容器置于容器的内部，容器内装满水，容器装满油；密闭的容器连接连通器，连通器穿过风门与重力平衡单元相连；风门悬挂在风门支架内两端的轴上，并嵌入通风管内。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、针对性强、具有重要的应用价值。本发明是充分结合冻土工程中突出的实际问题而进行的研发。可以实现在0℃条件下对路基对流换热过程的准确控制，由此达到通过充分利用冷能进一步提升自控通风路基的降温效能的目的。通过本发明的实施可以最大限度的发挥自控通风路基的降温效能，确保冻土工程的长期稳定。

2、工程经济效益明显。由于其降温效能的进一步提高，可在工程实际中进一步通过减少路堤高度、或较少通风管的使用量，以及减少工程维护成本等方式减少工程总体成本。同时进一步拓宽其在各种不良冻土地区的应用范围。

3、温度感应灵敏、控制精度高。本发明与已有以记忆合金为主要控件的对流自控系统相比，该系统无需更多温度的变化，只需1-2℃的温度变化即可完成风门的开启或关闭动作。同时由于该发明的温度感应单元的水体体积较小，无需更多时间的相变过程，即可以实现控制系统对外界温度变化的快速和准确反应。

3、系统稳定性高、安装维护简便。由于本发明系统结构简便、自成一体，没有更多联动装置，在青藏高原恶劣环境下与以往系统相比，具有更高的稳定性。同时，由于本发明结构简单，可以对系统完成快速的安装、或拆卸，对其中的一些部件也可以快速更换。因此，该本发明更有利于青藏高原野外恶劣高寒缺氧环境下推广工作。

4、造价低廉、性价比高。以前已有通风路基的对流自控系统，主要由昂贵的记忆合金组成，工程造价较高。而本发明主要由容器、水和油等组成，成本极为低廉，同时，根据水膨胀或收缩物理性质和重力的偏移，易实现风门完成开启关闭动作，由此大大降低工程造价。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图中：风门呈关闭状态。

具体实施方式

如图4所示，一种重力平衡式的对流控制风门，主要由温度感应单元1、重力平衡单元2、风门6和风门支架7组成，其特征是温度感应单元1是由密闭的容器3与密闭容器4组成；容器3置于容器4的内部，容器3内装满水，容器4装满油；密闭的容器4连接连通器5，连通器5穿过风门6与重力平衡单元2相连通；风门6悬挂在风门支架7内两端的轴上，并嵌入通风管8内。

随着冷季到来，环境温度开始降低到0℃以下的时候，容器3中的水分开始发生冻结，随着冻结过程体积开始发生膨胀，导致容器4中的油压开始升高；在油压作用下，容器4中的油则向重力平衡单元2移动；随着油体的移动过程，重力平衡单元2的重量会不断增加，同时温度感应单元的重量不断减少，导致整个系统的重心向重力平衡单元2一侧发生偏移；由此，在重力作用下风门6完成开启动作，促进路基内部与外界冷环境的换热过程，如图3所示。

反之，随着暖季到来，环境温度开始升高到0℃以上的时候，由于整个系统为密闭系统，随着容器3中冰的融化，以及容器3体积的收缩，在吸力作用下，重力平衡单元2中的油体被吸回容器4中；导致整个系统重心向温度感应单元一侧偏移，由此，在重力作用下风门6完成关闭动作，阻止外部热量进入到路基的内部。

当风门3处于开启、或关闭状态下，在风压和重力作用下，两种状态均为稳态。另外，实际观测也表明，通风管内的风速较之外界自然分场要低许多。因此，在青藏高原恶劣环境下，控制系统不会发生失稳情况，可以确保整个系统的工作准确和顺畅。

本发明是一种促进冻土降温的零度温控开关，主要应用于冻土通风路基中，根据需要可以在通风管的一段、或是两端安装重力平衡式的对流控制风门，即可完成对通风路基的换热过程的自动控制。

Claims

1.一种重力平衡式的对流控制风门，主要由温度感应单元(1)、重力平衡单元(2)、风门(6)和风门支架(7)组成，其特征是温度感应单元(1)内包含密闭的容器(3)与密闭容器(4)，容器(3)置于容器(4)的内部，容器(3)内装满水，容器(4)装满油；密闭的容器(4)连接连通器(5)，连通器(5)穿过风门(6)与重力平衡单元(2)相连通；风门(6)悬挂在风门支架(7)内两端的轴上，并嵌入通风管(8)内。