CN105352350B - 多段式热桩 - Google Patents

Abstract

一种多段式热桩，包括壳体，壳体一端的外壁上设有散热冷凝段翅片，壳体内设有至少一个隔离体，该至少一个隔离体将壳体内部分成至少两个互不相通的管内空腔，管内空腔通过冷凝液灌注孔与外界相通，每个管内空腔内均灌注有冷媒。该多段式热桩壳体内部分成多个独立的互不相通的空腔，加大了液体工质和桩周土体的接触面积，从而增大了单根热桩与周围土体之间的导热功率。热桩在桩身范围内针对不同桩周土体温度和大气温差分段启动工作，利用春、夏、秋三个季节的昼夜较差将季节冻土的热量导出大气层，实现热桩能够在一年四季都启动工作。

Description

多段式热桩

技术领域

本发明属于冷冻技术领域，涉及一种重力式热管，特别涉及一种多段式。

背景技术

美国陆军工程兵团Erwin Long先生在50年代晚期从养护多年冻土，利用融化的不稳定冻土地基出发，发展了一种热桩系统，即无芯重力式热管，被命名为“Long热桩”，并在1960年取得了发明专利。我国对热管的研究始于70年代初期，为了解决寒区铁路工程存在的路基问题于1987年下达了“冻土地区应用热桩技术的研究”并在1989年取得了满意的结果。

现有的热桩是一种两相液气对流循环热传导系统，它实际上是在一根密封的管里面冲以工质，管的上部为冷凝器，下部为蒸发器，当冷凝器与蒸发器之间存在温差时（冷凝器温度低于蒸发器），蒸发器的液体工质吸收热量，蒸发成气体工质，在压差作用下，蒸汽上升至冷凝器，与较冷的冷凝器管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成液体，在重力作用下，液体工质沿管壁流回蒸发器再蒸发，如此往复循环。这种传热机制决定了热量只能从下向上传输，只有在空气温度低于热桩液体段温度时，热桩才开始启动工作。现有的热桩在实际应用过程中存在如下缺陷：

1）单根热桩年平均功率偏小，虽然可以起到稳定活动层的作用，但是效果不是十分显著，究其原因是蒸发段冻土的导热系数小，另外热桩液氨段和土体之间的导热面积小，因此蒸发段的蒸发功率受到土体热阻的限制，导致空气中的冷量不能快速导入地基中。

2）液体工质的液面处在热桩的最底端，且往往设置在冻土稳定层以下，使得热桩蒸发段的温度相对较低，即热桩启动温度低，只有在冬季低温条件下才能有效启动，实际工作中，一旦液池位置的温度接近于冷凝段温度，热桩的导热趋于停止。

3）热桩的启动和功率大小受到蒸发段液体工质温度和土体导热系数的限制，在暖季（5月、6月、7月、8月、9月）基本不能启动工作。此时，热桩对地表的热量输入无能为力，导致对冻土稳定层的保护效果不够显著，也就是说现有的热桩不能很好地利用暖季昼夜温度差来导出融冻层的热量，热桩的效能无法充分发挥。

发明内容

本发明的目的是提供一种多段式热桩，不仅能将空气中的冷量快速导入地基，而且能够很好地利用暖季的昼夜温差导出融冻层的热量，提高年平均运行功率。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多段式热桩，包括壳体，壳体一端的外壁上设有散热冷凝段翅片，壳体内设有至少一个隔离体，该至少一个隔离体将壳体内部分成至少两个互不相通的管内空腔，管内空腔通过冷凝液灌注孔与外界相通，每个管内空腔内均灌注有冷媒；隔离体上安装有至少一根冷凝芯管，当冷凝芯管为至少两根时，冷凝芯管并排设置；隔离体采用第一隔离器、第二隔离器或第三隔离器；所述的第三隔离器为圆台桶形，第三隔离器直径较大端与壳体内壁固接，第三隔离器直径较小端为封口端，该封口端端面上设有数量为偶数的通孔；第三隔离器封口端端面上设有U形的冷凝芯管，冷凝芯管的两个管口分别与第三隔离器上的两个通孔连通。

壳体内安装有支撑架。

所述的支撑架包括伞形的支撑架本体，支撑架本体的伞面上设有多个支撑架通孔，支撑架的开口端与壳体内壁固接，支撑架的尖端朝向壳体设有散热冷凝段翅片的一端。

本发明多段式热桩是在现有热桩的基础上，将壳体内部分成多个独立的互不相通的空腔，加大了液体工质和桩周土体的接触面积，从而增大了单根热桩与周围土体之间的导热功率。热桩在桩身范围内针对不同桩周土体温度和大气温差分段启动工作，利用春、夏、秋三个季节的昼夜较差将季节冻土的热量导出大气层，实现热桩能够在一年四季都启动工作。

附图说明

图1是本发明多段式热桩第一种实施例的剖面示意图。

图2是本发明多段式热桩第二实施例的剖面示意图；

图3是本发明多段式热桩第三种实施例的剖面结构示意图。

图4是图3中的A-A剖视放大图。

图5是本发明多段式热桩第四种实施例的剖面示意图。

图6是图5中的B-B剖视放大图。

图7是本发明多段式热桩第五种实施例的剖面示意图。

图8是本发明多段式热桩第六种实施例的剖面示意图。

图中：1.壳体，2.散热冷凝段翅片，3.冷凝液灌注孔，4.保护帽，5.第一冷凝芯管，6.冷媒，7.第一隔离器，8.第二冷凝芯管，9.第一管内空腔，10.第三冷凝芯管，11.第四冷凝芯管，12.第二隔离器，13.引流支架，14.引流支架本体，15.支架通孔，16.第三隔离器，17.支撑架，18.支撑架本体，19.支撑架通孔，20.第二管内空腔，21.第三管内空腔，22.第四管内空腔，23.第五管内空腔，24.第六管内空腔，25.第七管内空腔，26.第八管内空腔，27.第九管内空腔，28.第十管内空腔，29.第十一管内空腔，30.第十二管内空腔，31.第十三管内空腔，32.第十四管内空腔，33.第十五管内空腔，34.第十六管内空腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

热桩是一种两相液气对流循环热传导系统，现有的热桩是由一根密封的管组成，里面冲以液体工质，管的上部为冷凝器，下部为蒸发器，当冷凝器与蒸发器之间存在温差时（冷凝器温度低于蒸发器），蒸发器内的液体工质吸收热量，蒸发成气体工质，在压差作用下，气体工质上升至冷凝器，与较冷的冷凝器管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成液体，在重力作用下，冷凝的液体工质沿管壁流回蒸发器再蒸发，如此往复循环。这种传热机制决定了热量只能从下向上传输，只有当空气温度低于热桩液体段的温度时，热桩才开始启动工作，导致热桩只能在冬季工作，运行效率低，为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多段式热桩。

如图1所示，本发明多段式热桩第一种实施例，包括筒状的壳体1，壳体1一端的外壁上设有散热冷凝段翅片2，壳体1的两端分别设有冷凝液灌注孔3和保护帽4；沿壳体1的轴线方向、壳体1内依次设有两个圆台筒形的第一隔离器7，第一隔离器7直径较大的一端与壳体1的内壁固接，第一隔离器7直径较小的一端朝向壳体1设有散热冷凝段翅片2的一端；一个第一隔离器7直径较小的一端固接有桶形的第一冷凝芯管5，该第一隔离器7的内部第一冷凝芯管5的内部连通；另一个第一隔离器7直径较小的一端固接有桶形的第二冷凝芯管8，该第一隔离器7的内部与第二冷凝芯管8的内部相通通；第一冷凝芯管5的封口端和第二冷凝芯管8的封口端均朝向壳体1设有散热冷凝段翅片2的一端；第一冷凝芯管5、与第一冷凝芯管5固接的第一隔离器7和壳体1围成第一管内空腔9，第一管内空腔9与位于壳体1一端的冷凝液灌注孔3相通；两个第一隔离器7、第一冷凝芯管5、第二冷凝芯管8和壳体1围成第二管内空腔20，壳体1侧壁上设有与第二管内空腔20相通的冷凝液灌注孔3，冷凝液灌注孔3外覆盖有保护帽4；第二冷凝芯管8、与第二冷凝芯管8固接的第一隔离器7以及壳体1围成第三管内空腔21，第三管内空腔21与位于壳体1另一端的冷凝液灌注孔3相通；第一管内空腔9、第二管内空腔20和第三管内空腔21互不相通；第一冷凝芯管5和第二冷凝芯管8的结构相同，只是尺寸有所不同。

如图2所示，本发明多段式热桩第二种实施例，包括筒状的壳体1，壳体1一端的外壁上设有散热冷凝段翅片2，壳体1的两端分别设有冷凝液灌注孔3和保护帽4；沿壳体1的轴线方向、壳体1内依次设有两个圆台桶形的第二隔离器12，第二隔离器12直径较小的一端为封口端，该封口端朝向壳体1设有散热冷凝段翅片2的一端，第二隔离器12直径较大端与壳体1内壁固接；两个第二隔离器12中朝向散热冷凝段翅片2的第二隔离器12的封口端设有U形的第三冷凝芯管10，另一个第二隔离器12的封口端设有U形的第四冷凝芯管11；固接有第三冷凝芯管10的第二隔离器12和壳体1围成第四管内空腔22，第四管内空腔22与设于壳体1一端的冷凝液灌注孔3相通；两个第二隔离器12和壳体1围成第五管内空腔23，壳体1的侧壁上设有与第五管内空腔23相通的冷凝液灌注孔3，该冷凝液灌注孔3位于保护帽4内；固接有第四冷凝芯管11的第二隔离器12和壳体1围成第六管内空腔24，第六管内空腔24与位于壳体另一端的冷凝液灌注孔3相通；第四管内空腔22、第五管内空腔23和第六管内空腔24互不相通；第三冷凝芯管10和第四冷凝芯管11的结构相同，尺寸有所不同。

如图3所示，本发明多段式热桩第三种实施例，包括筒状的壳体1，壳体1一端的外壁上设有散热冷凝段翅片2，壳体1的两端分别设有冷凝液灌注孔3和保护帽4；沿壳体1的轴线方向、壳体1内依次设有两个结构如图4所示的引流支架13，引流支架13包括圆台筒形的引流支架本体14，引流支架本体14直径较大端与壳体1内壁固接，引流支架本体14直径较小端朝向壳体1设有散热冷凝段翅片2的一端，引流支架本体14的侧壁上设有多个支架通孔15；朝向散热冷凝段翅片2的引流支架13直径较小的一端设有桶形的第一冷凝芯管5，第一冷凝芯管5的封口端与引流支架13直径较小端固接，第一冷凝芯管5开口端与第一隔离器7直径较小端固接，该第一隔离器7直径较大端与壳体1内壁固接；另一个引流支架13直径较小的一端设有桶形的第二冷凝芯管8，第二冷凝芯管8的封口端与该引流支架13直径较小端固接，第二冷凝芯管8开口端与另一个第一隔离器7直径较小端固接，该第一隔离器7直径较大端与壳体1内壁固接；第一冷凝芯管5、与第一冷凝芯管5固接的第一隔离器7和壳体1围成第七管内空腔25，第七管内空腔25与位于壳体1一端的冷凝液灌注孔3相通；第一冷凝芯管5、与第一冷凝芯管5固接的第一隔离器7、第二冷凝芯管8、与第二冷凝芯管8固接的第一隔离器7和壳体1围成第八管内空腔26，第八管内空腔26与位于壳体1侧壁上的冷凝液灌注孔3相通，该冷凝液灌注孔3位于保护帽4内；第二冷凝芯管8、与第二冷凝芯管8固接的第一隔离器7和壳体1围成第九管内空腔27，第九管内空腔27与位于壳体1另一端的冷凝液灌注孔3相通；第七管内空腔25、第八管内空腔26和第九管内空腔27互不相通。

如图5所示，本发明多段式热桩第四种实施例，包括筒状的壳体1，壳体1一端的外壁上设有散热冷凝段翅片2，壳体1的两端分别设有冷凝液灌注孔3和保护帽4；沿远离散热冷凝段翅片2的方向、壳体1内依次设有第一个第三隔离器16、第一个支撑架17、第二个第三隔离器16和第二个支撑架17；支撑架17的结构如图6所示，支撑架17包括伞形的支撑架本体18，支撑架本体18的伞面上设有多个支撑架通孔19，支撑架17的开口端与壳体1内壁固接，支撑架17的尖端朝向壳体1设有散热冷凝段翅片2的一端；第三隔离器16包括圆台桶形的第三隔离器本体，第三隔离器本体直径较大端朝向散热冷凝段翅片2，并与壳体1内壁固接，第三隔离器本体直径较小端为封口端，该封口端端面上设有两个通孔；第一个第三隔离器16封口端端面上设有U形的第三冷凝芯管10，第三冷凝芯管10的两个管口分别与该第一个第三隔离器16上的两个通孔连通，第三冷凝芯管10端部与第一个支撑架17的尖端相接触；第二个第三隔离器16封口端端面上设有U形的第四冷凝芯管11，第四冷凝芯管11的两个管口分别与该第二个第三隔离器16上的两个通孔连通，第四冷凝芯管11端部与第二个支撑架17的尖端相接触；第一个隔离器16、第三冷凝芯管10和壳体1围成第十管内空腔28，第十管内空腔28与壳体1一端的冷凝液灌注孔3相通；两个第三隔离器16、第三冷凝芯管10、第四冷凝芯管11和壳体1围成第十一管内空腔29，第十一管内空腔29与壳体1侧壁上的冷凝液灌注孔3相通，该冷凝液灌注孔3位于保护帽4内；该第二个第三隔离器16、该第二个支撑架17和壳体1围成第十二管内空腔30，第十二管内空腔30与位于壳体1另一端的冷凝液灌注孔3相通；第十管内空腔28、第十一管内空腔29和第十二管内空腔30互不相通。

如图7所示，本发明多段式热桩第五种实施例，该第五种实施例的结构与第一种实施例的结构基本相同，两者之间的区别在于：该第五种实施例中固接有第一冷凝芯管5的第一隔离器7直径较大端朝向散热冷凝段翅片2，第一冷凝芯管5的封口端背离散热冷凝段翅片2，第一冷凝芯管5的与引流支架13直径较小端固接，引流支架13直径较大端与壳体1内壁固接；第一冷凝芯管5、固接有第一冷凝芯管5的第一隔离器7和壳体1围成第十三管内空腔31，第十三管内空腔31与位于壳体1一端的冷凝液灌注孔3相通；第一冷凝芯管5、第二冷凝芯管8、两个第一隔离器7和壳体1围成第十四管内空腔32，第十四管内空腔32与位于壳体1侧壁上的冷凝液灌注孔3相通；第十三管内空腔31、第十四管内空腔32和第三管内空腔21互不相通。

如图8所示，本发明多段式热桩第六种实施例，该第六种实施例的结构与第二种实施例的结构基本相同，两者之间的区别在于：第六种实施例中第三冷凝芯管10的两个管口朝向散热冷凝段翅片2，没有与第三冷凝芯管10固接的第一隔离器7，第三冷凝芯管10的两个管口分别与第三隔离器16直径较小端端面上的两个通孔连通，壳体1内还安装有支撑架17，支撑架17的尖端朝向第三冷凝芯管10，并与第三冷凝芯管10相接触；第三冷凝芯管10、第三隔离器16和壳体1围成第十五管内空腔33，第十五管内空腔33与位于壳体1一端的冷凝液灌注孔3相通；第三冷凝芯管10、第三隔离器16、第四冷凝芯管11、第二隔离器12和壳体1围成第十六管内空腔34，第十六管内空腔34与壳体1侧壁上的冷凝液灌注孔3相通；第十五管内空腔33、第十六管内空腔34和第六管内空腔24互不相通。

第一冷凝芯管5、第二冷凝芯管8、第三冷凝芯管10和第四冷凝芯管11均可以并排设置多个，以进一步增大换热面积。

使用本发明多段式热桩前需通过不同的冷凝液灌注孔3向各个管内空腔9内注入冷媒6。工作时：依据热桩使用地区桩侧土体温度在一年中随气温变化的不同，每一段的工作原理与现有的单根热桩相同，段与段之间的热交换通过冷凝芯管完成。

夏季空气温度较高时，现有的热桩由于冷凝段温度高于蒸发段而停止工作。本发明多段式热桩最上段桩侧为季节冻土，土体温度较高，一旦夜间气温低于桩侧土体温度，热桩的这一段立即启动工作，将土体中的热量导出。以此类推，以下各个热桩分段启动工作的条件便是相应蒸发段位置桩侧土体温度比上部冷凝芯管管壁温度要高。

冬季空气温度很低时，各个分段的热桩从上到下相继启动，将桩侧相应位置土体的热量导出。在这个阶段，多段式热桩各个分段的冷凝液起到冷量转存的作用，使得上部热桩季节冻土段最先快速冷冻，由于冻土导热速率大于融土，在冬季有利于大气自然冷冻效果的提高。

本发明多段式热桩使得季节冻土段率先快速冻结，而冻土的导热速率为1.3，融土的导热速率是0.8，这就意味着多段式热桩会使得其周围土壤在冬季得到更为彻底的冷冻效果。此外，多段式热桩的制冷启动顺序是自上而下，因此在冬季热桩上段周围融土降温速度要大于下部，大大缩短了季节冻土段的冬季冻结时间。

本发明多段式热桩将现有的单根单腔热棒改为具有相对独立的多段多腔热棒，即在壳体1中形成了多个蒸发段和冷凝段，增大了冷凝芯管的表面积，实现相邻空腔之间的充分的热交换，大大增加了热桩液体工质与周围土体的导热面积，为冬季冷量的大功率持续输入提供了条件，通过各段之间的串联关系，多段式热桩自上而下相继启动工作，使得多段式热桩在各个分段因桩周土壤温度不同而启动工作的温度不同，最上段的蒸发段处在季节冻土层中，夏季热桩通过吸收和储藏低温天气以及昼夜温差下的冷量并导入到周围土体中，保证了桩周季节冻土温度比同比平均气温低，从而大大提高了桩周影响范围内活动层的顶面标高。最下段在冬季开始启动工作，因此多段式热棒一年四季均可以启动工作。各个分段均充装有冷凝液，其与管壁土壤之间的热交换总面积将远大于传统热棒，因此多段式热棒的冬季工作功率远大于传统普通热棒。

另外，热桩的低温运行特征以及季节冻土的存在，使得热桩影响范围的季节冻土在每年六月推迟进入融冻期，九月份会提前进入冻结期，从而大大提高了单根热桩的年平均运行功率，更有效地保持多年冻土的长期稳定。

本发明多段式热桩大大提高了单根热桩的工作时间（一年四季均启动工作）。同时由于冻土的导热系数大于融土，土体在整个冬季比正常条件下吸收更多的冷量，从而保证了冻土层的长期稳定。

Claims (2)

1.一种多段式热桩，包括壳体（1），壳体（1）一端的外壁上设有散热冷凝段翅片（2），壳体（1）内设有至少一个隔离体，该至少一个隔离体将壳体（1）内部分成至少两个互不相通的管内空腔（9），管内空腔（9）通过冷凝液灌注孔（3）与外界相通，每个管内空腔（9）内均灌注有冷媒（6）；隔离体上安装有至少一根冷凝芯管，当冷凝芯管为至少两根时，冷凝芯管并排设置；其特征在于，隔离体采用第一隔离器（7）、第二隔离器（12）或第三隔离器（16）；所述的第三隔离器（16）为圆台桶形，第三隔离器（16）直径较大端与壳体（1）内壁固接，第三隔离器（16）直径较小端为封口端，该封口端端面上设有数量为偶数的通孔；第三隔离器（16）封口端端面上设有U形的冷凝芯管，冷凝芯管的两个管口分别与第三隔离器（16）上的两个通孔连通。

2.根据权利要求1所述的多段式热桩，其特征在于，壳体（1）内安装有支撑架（17）；所述的支撑架（17）包括伞形的支撑架本体（18），支撑架本体（18）的伞面上设有多个支撑架通孔（19），支撑架（17）的开口端与壳体（1）内壁固接，支撑架（17）的尖端朝向壳体（1）设有散热冷凝段翅片（2）的一端。