CN109440559A - 路基用内循环式太阳能供热装置及路基防冻胀方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于路基工程技术领域，提供了一种路基用内循环式太阳能供热装置，金属集热管的轴线和玻璃管的轴线重合，金属集热管和玻璃管的两端均通过波纹膨胀节进行密封连接，金属集热管的两端分别连接一个金属集热管接头，金属集热管接头延伸至波纹膨胀节的外侧；金属供热管的顶端通过螺纹连接器连通金属集热管底端的金属集热管接头，金属供热管的底端设有锥头导向帽；循环泵由太阳能电池驱动运行，循环泵的入口和金属集热管顶端的金属集热管接头连通，循环泵的出口和循环管路的入口连通，循环管路的出口穿过螺纹连接器延伸至金属供热管的底部，金属供热管和金属集热管的内部均灌注有传热工质。解决现有技术中路基防冻胀效果不好的问题。

Description

路基用内循环式太阳能供热装置及路基防冻胀方法

技术领域

本发明属于路基工程技术领域，尤其涉及一种路基用内循环式太阳能供热装置及路基防冻胀方法。

背景技术

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。在自然界中，冻土分为季节性冻土和多年冻土。其中，季节性冻土指冬季冻结、春季融化的土壤或疏松岩石层。多年冻土指多年连续保持冻结的土壤和疏松岩石，特别是多年冻土区地表一定深度范围内仍然为冷季冻结和暖季融化的季节性冻土。由于一定质量水分在固态和液态状态下的体积差异，季节性冻土在冻结和融化状态的循环变化过程中，会伴生水分冻结和融化引起的冻胀和融沉现象。那么，在季节性冻土地基上修筑路基、管道、房屋等工程时，上部构筑物就会不可避免的受到地基和本体中水分季节性相变引起的变形影响。具体来说，冻土层的温度变化和冻融作用会引起土体物理、水理及力学等工程性质的显著变化，从而表现出显著的温度依赖性。因此季节性冻土工程的在工程建设中占有重要地位。

对于路基工程而言，作为在地表填筑而成的凸起构筑物，一方面，路基表面传热面积大，导致路基在冬季的热量损失速率快、传热量过大，导致冻结锋面在冬季由上至下快速和大深度地移动，孔隙水向冻结锋面迁移并产生聚冰现象；另一方面，在温度梯度和行车荷载的耦合作用下，路基填料中的水分、盐分和土微粒会向上发生迁移，进一步加剧冻害程度，综合引起大幅度的冻胀变形，导致路基运营条件变差和危及行车安全。由此可见，路基发生冻胀的三个要素分别是是水分、土性和温度。其中，相比一般路基工程中普遍存在的水分和土性条件来说，温度是最直接和最特殊的因素。

目前，针对水分、土性和温度三个冻胀因素，相应地路基防冻胀措施包括控制水分、改良填料和保温。具体而言，改良填料包括换填法、人工盐化法等。换填法指采用砂砾或中、粗砂等非冻胀性土换填季节性冻土，是目前控制路基冻害的主要方法。尤其在在平面和纵断面受到限制的情况下，如岔区路基冻害及特大桥、大桥两端的路基冻害主要采用换填整治的方法。人工盐化法指增大路基土中的盐分，土中水溶解盐分之后使水溶液的冰点低于淡水，从而降低冻胀起始温度，实施方法包括挖轨枕槽铺盐，打孔注盐，稀释注入和土盐拌和等。控制水分包括防、排、隔水设施等，如修建地表排水设施以防治地表水引起的冻胀；修建渗沟、暗沟、截水沟等，截断、疏导地下水或降低地下水位，以防治地下水补给引起冻胀。保温法包括路基保温层和保温护道等。自然条件下，冻土层深度由自然地理条件和土壤物理特性等因素决定，通过在基床表层铺设保温层可以改善基床温度环境，使表层下的基床土不冻结或减小冻结深度。保温材料包括炉渣、石棉、泡沫聚苯乙烯板等，具有导热系数小的技术特征。

但是，现有的路基防冻胀的装置或方法主要效果在于延缓或降低冻胀程度，并不能严格地控制冻胀发生，尤其在冻胀发生后难以起到应急抢险的快速治理作用。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种路基用内循环式太阳能供热装置及路基防冻胀方法，以解决现有技术中路基防冻胀效果不好的问题。

为解决上述技术问题，本发明的第一实施例提供了一种路基用内循环式太阳能供热装置，包括用于吸收太阳光的辐射能并将其转化为热能的太阳能集热器、用于向路基供给热量的路基散热器和用于将太阳能集热器产生的热能传递至路基散热器的内循环驱动器；

所述太阳能集热器包括表面带有选择性吸收涂层的金属集热管，所述金属集热管外套有玻璃管，所述金属集热管的轴线和所述玻璃管的轴线重合，所述金属集热管和所述玻璃管的两端均通过波纹膨胀节进行密封连接，所述金属集热管的两端分别连接一个金属集热管接头，金属集热管接头延伸至波纹膨胀节的外侧；

所述路基散热器包括金属供热管，所述金属供热管的顶端通过螺纹连接器连通所述金属集热管底端的金属集热管接头，所述金属供热管的底端设有锥头导向帽；

所述内循环驱动器包括循环泵和循环管路，所述循环泵由太阳能电池驱动运行，所述循环泵的入口和所述金属集热管顶端的金属集热管接头连通，所述循环泵的出口和所述循环管路的入口连通，所述循环管路的出口穿过螺纹连接器延伸至所述金属供热管的底部，所述金属供热管和所述金属集热管的内部均灌注有传热工质。

进一步地，所述金属集热管和所述玻璃管之间设有固定支架。

进一步地，所述太阳能电池安装在太阳能电池支架上，所述太阳能电池支架固定在所述金属集热管与循环泵之间的螺纹连接器上。

进一步地，所述传热工质为导热油。

进一步地，所述金属供热管外壁上设有螺旋形的散热翅片。

进一步地，所述金属集热管和所述玻璃管之间为真空隔热腔，所述隔热腔内充有蒸散型钡铝吸气剂，蒸散型钡铝吸气剂粘贴在波纹膨胀节的上面。

本发明的第二实施例提供了一种路基防冻胀方法，包括：

确定季节性冻土区冻胀路基的最大冻结深度；

计算冻胀路基的热负荷；

确定路基用内循环式太阳能供热装置的供热量、几何尺寸和布设间距；

制作路基用内循环式太阳能供热装置，灌注导热油；

对路基进行钻孔，安装路基用内循环式太阳能供热装置，启动路基用内循环式太阳能供热装置。

进一步地，所述计算冻胀路基的热负荷包括：

测定冻胀路基的热物性参数和冰点温度；

基于现场温度监测数据，计算冻胀期间路基在每延米长度上的热负荷。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)从路基热量收支状态角度出发，在自然温差传热过程的基础上，额外增加一个附加传热过程。上述附加传热过程可以在冬季实现对路基进行热量供给，实时地补偿路基向大气的过度热量输出，由此平衡热量收支状态，控制路基在短时间内急剧和过度的热量损失，即可防止路基出现低于冰点温度的负温状态及冻胀现象。相比既有被动性的防冻胀措施，本装置更具主动性、实时性和有效性。

(2)本装置的热源为太阳能，太阳能资源储量巨大，取之不尽、用之不竭。太阳能分布广泛，没有地域的限制。太阳能采集便捷，可以直接开发和利用，光热利用技术成熟。

(3)本装置可以自主地实现太阳能的光热转化、储存和传递，自成一体化的能量转化单元。装置属于自驱式一体化设备，可以在无人值守的条件下全年运行。只要在有太阳光照的条件下，装置就可以同时实现太阳能集热和向路基循环供热两方面功能。在夏季，太阳辐射良好的条件下可以高效地供热，提前向路基预储热量，提高在入冬时的路基温度水平，增强抵御冬季寒冷天气的潜能。在冬季，有太阳辐射条件下，也可以实时地向路基供给热量。而在没有太阳辐射条件下，内循环驱动器停止工作，可以防止装置吸收路基热量。

(4)本装置为柱状结构，一方面占地面积小，路基散热器便于通过钻孔快速地布设在冻胀病害位置，不会影响路基正常运营；另一方面，有利于太阳能集热器吸收太阳光照射的条件，降低装置的地形限制度，扩大应用范围。此外，可以根据路基冻胀分布情况和热负荷水平，自主地调节柱状太阳能集热器和路基散热器的的直径和高度，满足路基防冻胀要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的路基用内循环式太阳能供热装置的结构示意图；

图2是图1中A-A截面的示意图；

图3是图1中B-B截面的示意图；

图4是本发明实施例提供的太阳能集热器的制作流程图；

图5是本发明实施例提供的路基散热器的制作流程图；

图6是本发明实施例提供的内循环驱动器的制作流程图；

图7是本发明实施例提供的路基防冻胀方法的流程图。

图中：1、太阳能电池；2、太阳能电池支架；3、循环泵；4、螺纹连接器；5、蒸散型钡铝吸气剂；6、金属集热管接头；7、波纹膨胀节；8、排气口；9、玻璃管；10、循环管路；11、固定支架；12、金属集热管；13、金属供热管；14、散热翅片；15、锥头导向帽；16、真空隔热腔；17、选择性吸收涂层。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1至3所示，路基用内循环式太阳能供热装置，包括用于吸收太阳光的辐射能并将其转化为热能的太阳能集热器、用于向路基供给热量的路基散热器和用于将太阳能集热器产生的热能传递至路基散热器的内循环驱动器；太阳能集热器包括表面带有选择性吸收涂层17的金属集热管12，金属集热管12外套有玻璃管9，金属集热管12的轴线和玻璃管9的轴线重合，金属集热管12和玻璃管9的两端均通过波纹膨胀节7进行密封连接，金属集热管12的两端分别连接一个金属集热管接头6，金属集热管接头6延伸至波纹膨胀节7的外侧；路基散热器包括金属供热管13，金属供热管13的顶端通过螺纹连接器4连通金属集热管12底端的金属集热管接头6，金属供热管13的底端设有锥头导向帽15；内循环驱动器包括循环泵3和循环管路10，循环泵3由太阳能电池1驱动运行，循环泵3的入口和金属集热管12顶端的金属集热管接头6连通，循环泵3的出口和循环管路10的入口连通，循环管路10的出口穿过螺纹连接器4延伸至金属供热管13的底部，金属供热管13和金属集热管12的内部均灌注有传热工质。

本发明的一个实施例中，金属集热管12和玻璃管9之间设有固定支架11，玻璃管9的材质为高硼硅玻璃，具有透光率高、膨胀系数小的技术特征；选择性吸收涂层17以层状形式溅镀在金属集热管12光洁的表面，选择性吸收涂层17为兼具吸收太阳光和光热转换双重功能的中高温型金属陶瓷光谱选择性吸收材料；波纹膨胀节7采用可伐合金，可伐合金膨胀系数介于玻璃管9和金属集热管12之间，波纹膨胀节7既具有良好的密封性能，又具有足够的柔性，用于补偿金属集热管12和玻璃管9的膨胀变形差；真空隔热腔16一方面起到减小太阳能集热器散热损失的作用，另一方面起到保护选择性吸收涂层17的作用，真空隔热腔16内设置有蒸散型钡铝吸气剂5，作用为吸收和消除玻璃管9和金属集热管12之间真空环境中的各类残余活性气体，保证真空度的长期有效性，蒸散型钡铝吸气剂5粘贴在波纹膨胀节7上面。

本发明的一个实施例中，金属供热管13外壁上设有螺旋形的散热翅片14，散热翅片14是高导热铜片、铝片或不锈钢片，作用是增大路基散热器的换热表面积，金属供热管13采用表面粗糙的铜管、铝管或不锈钢管。金属供热管13的底端为锥头导向帽15，作用是密封金属供热管13的底端，同时保证路基散热器以设计角度准确地布设在路基工程中。

本发明的一个实施例中，太阳能集热器的金属集热管12的底端和路基散热器的金属供热管13的顶端通过螺纹连接器4进行密封连接，金属集热管12和金属供热管13内部空间为直通式的一体化空间，金属集热管12和金属供热管13内部的直通式空间灌注导热油，导热油起到储存和传递热量的作用。

本发明的一个实施例中，内循环驱动器为太阳能电池驱动的循环泵3及循环管路10，太阳能电池1是利用光生伏特效应直接把太阳辐射能转化成电能的光电半导体板，太阳能电池1通过太阳能电池支架2固定在螺纹连接器4上，循环泵3是单级离心泵，循环泵3依靠太阳能电池1产生的低压直流电进行驱动。循环泵3的入口与太阳能集热器的金属集热管12的出口，采用螺纹连接器4进行密封连接，循环泵3的出口与循环管路10的入口，采用螺纹连接器4进行密封连接，循环管路10在金属集热管12的底部进入其内部，循环管路10的出口位于金属供热管13的底部。

本装置具有以下技术优势：

(1)从路基热量收支状态角度出发，在自然温差传热过程的基础上，额外增加一个附加传热过程。上述附加传热过程可以在冬季实现对路基进行热量供给，实时地补偿路基向大气的过度热量输出，由此平衡热量收支状态，控制路基在短时间内急剧和过度的热量损失，即可防止路基出现低于冰点温度的负温状态及冻胀现象。相比既有被动性的防冻胀措施，本装置更具主动性、实时性和有效性。

(2)本装置的热源为太阳能，太阳能资源储量巨大，取之不尽、用之不竭。太阳能分布广泛，没有地域的限制。太阳能采集便捷，可以直接开发和利用，光热利用技术成熟。

(3)本装置可以自主地实现太阳能的光热转化、储存和传递，自成一体化的能量转化单元。装置属于自驱式一体化设备，可以在无人值守的条件下全年运行。只要在有太阳光照的条件下，装置就可以同时实现太阳能集热和向路基循环供热两方面功能。在夏季，太阳辐射良好的条件下可以高效地供热，提前向路基预储热量，提高在入冬时的路基温度水平，增强抵御冬季寒冷天气的潜能。在冬季，有太阳辐射条件下，也可以实时地向路基供给热量。而在没有太阳辐射条件下，内循环驱动器停止工作，可以防止装置吸收路基热量。

(4)本装置为柱状结构，一方面占地面积小，路基散热器便于通过钻孔快速地布设在冻胀病害位置，不会影响路基正常运营；另一方面，有利于太阳能集热器吸收太阳光照射的条件，降低装置的地形限制度，扩大应用范围。此外，可以根据路基冻胀分布情况和热负荷水平，自主地调节柱状太阳能集热器和路基散热器的的直径和高度，满足路基防冻胀要求。

如图4所示，本发明提供了一种太阳能集热器的制作方法，包括：

步骤S401，选择一根金属集热管12，在金属集热管12的外表面上溅镀一层中高温型金属陶瓷光谱选择性吸收材料，即为选择性吸收涂层17。

步骤S402，选择金属集热管12相同长度的玻璃管9，采用所述固定支架11将金属集热管12和玻璃管9安装固定在同一中心轴线上。

步骤S403，采用波纹膨胀节7将金属集热管12和玻璃管9两端进行密封连接。

步骤S404，在金属集热管12的两端焊接金属集热管接头6。

步骤S405，通过排气口8将金属集热管12和玻璃管9之间的真空隔热腔16抽真空。

如图5所示，本发明提供了一种路基散热器的制作流程方法，包括：

步骤S501，选择一根金属供热管13，底端安装锥头导向帽15。

步骤S502，选择散热翅片14以螺旋形式焊接在金属供热管13上。

步骤S503，采用螺纹连接器4将金属供热管13的顶端和金属集热管12底端的金属集热管接头6进行密封连接。

如图6所示，本发明提供了一种内循环驱动器的制作方法，包括：

步骤S601，采用螺纹连接器4将循环泵3的入口与金属集热管12顶端的金属集热管接头6进行密封连接。

步骤S602，将太阳能电池支架2安装固定在太阳能集热器顶端的螺纹连接器4上，然后将太阳能电池1安装在太阳能电池支架2上。

步骤S603，将太阳能电池1与循环泵3进行电气连接。

步骤S604，将循环管路10的入口与循环泵3的出口进行密封连接，循环管路10的出口经过金属集热管接头6进入金属供热管13的底部。

如图7所示，本发明的实施例提供了一种路基防冻胀方法，包括：

步骤S701，确定季节性冻土区冻胀路基的最大冻结深度；在冻胀病害位置布设温度监测孔和变形监测孔，通过长期监测数据确定冻胀病害的发育深度。

步骤S702，计算冻胀路基的热负荷；首先测定冻胀地层的热物性参数和冰点温度，然后基于现场温度监测数据，计算冻胀期间路基在每延米长度上的热负荷。

步骤S703，确定路基用内循环式太阳能供热装置的供热量、几何尺寸和布设间距；根据区域太阳能分布条件，综合确定供热装置的供热温度及其对应的最大供热半径。然后，根据路基热负荷水平和供热装置所需提供的供热量，基于孔径在110～150mm之间，布设间距在2.0～4.0m之间的一般原则，具体确定装置的几何尺寸和在路基上的布设间距。

步骤S704，制作路基用内循环式太阳能供热装置，灌注导热油；分别制作装置的太阳能集热器、路基散热器和内循环驱动器，并完成组装；然后，对制作完成的装置进行密封性检查，通过压力测试检查装置的密封性，经检查合格后灌装导热油。

步骤S705，对路基进行钻孔，安装路基用内循环式太阳能供热装置，启动路基用内循环式太阳能供热装置；采用钻机在冻胀路段内施工，钻挖设计倾斜度和长度的孔洞，钻孔偏斜率小于0.5％，钻进过程中随时采用陀螺测斜仪控制和检测钻孔质量；采用吊机将装置吊装入预先钻挖好的孔洞内，然后采用高导热材料将装置与孔洞之间的缝隙回填密实；装置安装完成并现场检查无误后，接通太阳能电池1与循环泵3之间的电路，投入运行。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种路基用内循环式太阳能供热装置，其特征在于，包括用于吸收太阳光的辐射能并将其转化为热能的太阳能集热器、用于向路基供给热量的路基散热器和用于将太阳能集热器产生的热能传递至路基散热器的内循环驱动器；

所述太阳能集热器包括表面带有选择性吸收涂层的金属集热管，所述金属集热管外套有玻璃管，所述金属集热管的轴线和所述玻璃管的轴线重合，所述金属集热管和所述玻璃管的两端均通过波纹膨胀节进行密封连接，所述金属集热管的两端分别连接一个金属集热管接头，金属集热管接头延伸至波纹膨胀节的外侧；

所述路基散热器包括金属供热管，所述金属供热管的顶端通过螺纹连接器连通所述金属集热管底端的金属集热管接头，所述金属供热管的底端设有锥头导向帽；

所述内循环驱动器包括循环泵和循环管路，所述循环泵由太阳能电池驱动运行，所述循环泵的入口和所述金属集热管顶端的金属集热管接头连通，所述循环泵的出口和所述循环管路的入口连通，所述循环管路的出口穿过螺纹连接器延伸至所述金属供热管的底部，所述金属供热管和所述金属集热管的内部均灌注有传热工质。

2.根据权利要求1所述的路基用内循环式太阳能供热装置，其特征在于，所述金属集热管和所述玻璃管之间设有固定支架。

3.根据权利要求1所述的路基用内循环式太阳能供热装置，其特征在于，所述太阳能电池安装在太阳能电池支架上，所述太阳能电池支架固定在所述金属集热管与循环泵之间的螺纹连接器上。

4.根据权利要求1所述的路基用内循环式太阳能供热装置，其特征在于，所述传热工质为导热油。

5.根据权利要求1所述的路基用内循环式太阳能供热装置，其特征在于，所述金属供热管外壁上设有螺旋形的散热翅片。

6.根据权利要求1所述的路基用内循环式太阳能供热装置，其特征在于，所述金属集热管和所述玻璃管之间为真空隔热腔，所述隔热腔内充有蒸散型钡铝吸气剂，蒸散型钡铝吸气剂粘贴在波纹膨胀节的上面。

7.一种路基防冻胀方法，其特征在于，包括：

确定季节性冻土区冻胀路基的最大冻结深度；

计算冻胀路基的热负荷；

确定路基用内循环式太阳能供热装置的供热量、几何尺寸和布设间距；

制作路基用内循环式太阳能供热装置，灌注导热油；

对路基进行钻孔，安装路基用内循环式太阳能供热装置，启动路基用内循环式太阳能供热装置。

8.根据权利要求7所述的路基防冻胀方法，其特征在于，所述计算冻胀路基的热负荷包括：

测定冻胀路基的热物性参数和冰点温度；

基于现场温度监测数据，计算冻胀期间路基在每延米长度上的热负荷。