CN109853518B - 一种适用冻土区的太阳能喷射式制冷装置及保护冻土方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用冻土区的太阳能喷射式制冷装置及保护冻土方法，包括底部封口的铜管，铜管顶部设有端盖，铜管内盛装有制冷工质，铜管包括蒸发制冷段、蒸气喷射段和冷凝散热段，铜管内壁上设有毛细吸液芯，铜管的蒸发制冷段和蒸气喷射段之间设有第一隔板，蒸气喷射段和冷凝散热段之间设有第二隔板，蒸气喷射段内设有气体喷射器，铜管蒸气喷射段的外壁上套设有太阳能集热器，铜管和太阳能集热器之间设有隔热材料，太阳能集热器设有若干导热件，导热件的一端连接太阳能集热器的选择性吸收层，另一端伸入蒸气喷射段的内部。本发明适用于多年冻土区地基热稳定性维护与冻土退化防治技术领域，可以有效防止冻土退化。
Description
技术领域
本发明涉及多年冻土工程技术领域，尤其涉及多年冻土区地基热稳定性维护与冻土退化防治技术领域，特别是一种适用冻土区的太阳能喷射式制冷装置及保护冻土方法及冻土退化防治方法。
背景技术
多年冻土是一种长期处于负温状态、并含有冰的特殊土体，在中国青藏高原、东北地区分布面积广大，约占国土总面积的22.4%，地球上多年冻土面积则约占陆地总面积的25%。多年冻土关系到气候环境、地表生态、地域地貌等多面的改变，且多年冻土会直接影响上部工程稳定性。目前，多年冻土消融是全球气候变暖引起的一个突出不良现象，而工程建设进一步加剧了冻土的局部退化。例如，在青藏高原修建青藏铁路、输油管道、输电线路等长距离线性工程引起的大规模的“融化槽”现象。因此，多年冻土保护方法与多年冻土工程热稳定性维护技术是近年来的热点问题。多年冻土退化的表现是冻土地层温度升高、冰体融化，以及由此引起的岩土性状改变，但其实质在于地面热量收入大于支出长期积累的结果。工程建设会加速冻土退化的原因就在于增大了冻土的热量收入与支出两者间的失衡程度，一方面增大了暖季的热量输入，另一方面减小了冷季的热量输出。
现有的多年冻土保护措施或方法存在传热效率低和季节匹配性差的不足，主要效果在于延缓或降低冻土退化速度，并不能严格地控制冻土退化的发生，尤其在冻土出现退化现象后难以起到及时恢复冻土状态和工程应急抢险的作用。
冻土自然状态下的稳定性主要依赖于季节交替性的热量收支平衡关系，而冻土退化主要发生在暖季，现有的技术措施在暖季仅能减小热量输入，冻土仍然处于传热逆差状态。一个更为有效的冻土保护方法为，通过制冷方法在暖季实时地将传入冻土的热量逆向地传递回大气环境中，具有季节匹配性好和传热效率高的技术优势。制冷方法包括压缩式制冷、热驱动制冷及半导体制冷等，分别需要机械能（电能）、热能、电能等高品位能量的补偿过程。但是在青藏高原等多年冻土区，由于基础设施建设水平的限制，高品位能量不是随处可取的，而道路、输油管线、输电线路属于长距离线性工程，展线距离长，实现全线制冷具有极大难度。
发明内容
本发明提供了一种适用冻土区的太阳能喷射式制冷装置及保护冻土方法，以解决现有技术中多年冻土保护效果不好的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种适用冻土区的太阳能喷射式制冷装置，包括底部封口的铜管，所述铜管底端设有锥形导头，所述铜管顶部设有可拆卸的端盖，所述铜管内盛装有制冷工质，所述铜管从下到上依次包括蒸发制冷段、蒸气喷射段和冷凝散热段，所述铜管内壁上设有用以循环工质的毛细吸液芯，所述铜管的蒸发制冷段和蒸气喷射段之间设有第一隔离板，蒸气喷射段和冷凝散热段之间设有第二隔离板，蒸气喷射段内设有气体喷射器，所述气体喷射器包括混合室、喷嘴、喉管和扩压室，所述气体喷射器的喉管穿过所述第二隔离板，所述气体喷射器的混合室连接有高压流体管和低压流体管，所述低压流体管穿过所述第一隔离板，所述铜管的蒸气喷射段的外壁上套设有太阳能集热器，所述铜管和所述太阳能集热器之间填装有隔热材料，所述太阳能集热器内壁上设有若干导热件，所述导热件的一端连接太阳能集热器的选择性吸收层，另一端伸入蒸气喷射段的内部且不与所述气体喷射器接触，所述铜管的蒸发制冷段埋设于地层中，所述铜管的蒸气喷射段和冷凝散热段置于地表以上。
作为限定：所述铜管的冷凝散热段外壁上设有散热翅片。
作为限定：所述毛细吸液芯的表面覆盖有固定所述毛细吸液芯的不锈钢丝网。
作为限定：所述隔热材料为酚醛泡沫材料、聚氨酯保温材料或石棉。
作为限定：所述导热件为棒状且在所述太阳能集热器的内壁上均匀布设。
作为限定：所述制冷工质采用醇类或烷烃类制冷工质。
本发明的提供了一种保护冻土的方法，包括使用上述方案中任意一项太阳能喷射式制冷装置：
确定路基下覆多年冻土层的退化深度范围；
计算退化冻土所需的冷量和冷负荷；
确定太阳能喷射式制冷装置的制冷容量和有效降温半径；
确定蒸发制冷段的深度、直径和布设间距的设计参数；
制作针对寒区路基冻胀的太阳能喷射式制冷装置；
钻孔施工，安装太阳能喷射式制冷装置。
本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
本发明将新能源制冷技术从人居环境调节领域引入到路基工程，本装置型式设计创新，采用整体柱状型式，铜管外壁套设有太阳能集热器，内部采用毛细吸液芯驱动方式进行工质的循环，整体设计简单实用。装置的主要应用区域在青藏高原多年冻土区，一方面，青藏高原太阳能分布丰富，所以装置的驱动来源条件好，直接采用低品位的太阳热能驱动装置运行，经济环保，不需要设置循环泵即可完成制冷工质循环，装置整体不需要外部供电。另一方面，作用对象是退化的多年冻土，作用对象所需的冷负荷水平低，装置负担小。因铜管和太阳能集热器之间填装有隔热材料，隔热材料可防止太阳能集热器直接加热铜管。在太阳能集热器内壁上设置的若干导热棒，通过导热棒把热量传递至毛细吸液芯用以加热毛细吸液芯内的部分制冷工质。本装置的顶端设置有可拆卸的端盖，可方便快捷的添加制冷工质。本装置没有机械运动部件，因而没有电能和机械能的消耗，使得运行更为稳定可靠。装置结构紧凑，体积小，占地面积小，集成一体化装设方便，不需要配套供电线路，可无人值守，可用于冻土退化的地基内，运行效果好，工作负荷小，使用寿命长。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明A-A截面的示意图。
图3为本发明B-B截面的示意图。
图4为本发明C-C截面的示意图。
图5为本发明D-D截面的示意图。
图6为本发明气体喷射器的示意图。
图中：1-铜管，2-端盖，3-毛细吸液芯，4-第一隔离板，5-第二隔离板，6-气体喷射器，61-混合室，62-喷嘴，63-喉管，64-扩压室，7-高压流体管，8-低压流体管，9-太阳能集热器，10-隔热材料，11-导热件，12-散热翅片，13-锥形导头，14-不锈钢丝网。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-6，本装置包括底部封口的铜管1，铜管1顶部设有可拆卸的端盖2，铜管1内盛装有制冷工质，铜管1从下到上依次包括蒸发制冷段、蒸气喷射段和冷凝散热段，铜管1内壁上设有用以循环工质的毛细吸液芯3，毛细吸液芯3的表面覆盖有固定毛细吸液芯的不锈钢丝网14，铜管1的蒸发制冷段和蒸气喷射段之间设有第一隔离板4，蒸气喷射段和冷凝散热段之间设有第二隔离板5，蒸气喷射段内设有气体喷射器6，气体喷射器6包括混合室61、喷嘴62、喉管63和扩压室64，气体喷射器6的喉管63穿第二隔离板5，气体喷射器6的混合室61连接有高压流体管7和低压流体管8，低压流体管8穿过第一隔离板4，铜管1的蒸气喷射段的外壁上套设有太阳能集热器9，铜管1和太阳能集热器9之间填装有隔热材料10，隔热材料10可以选择酚醛泡沫材料、聚氨酯保温材料或石棉，太阳能集热器9内壁上设有若干导热件11，导热件11为棒状，其一端连接太阳能集热器9的选择性吸收层，另一端伸入蒸气喷射段的内部且不与气体喷射器6接触，导热件11在太阳能集热器9的内壁上均匀布设，铜管1的蒸发制冷段埋设于地层中，铜管1的蒸气喷射段和冷凝散热段置于地表以上。铜管1底端设有锥头导向帽13，可以保证路基散热器以设计角度准确地布设在路基工程中。
在有太阳辐照的条件下，太阳能集热器9的太阳能选择性吸收层将太阳辐射能转化为热能，并通过导热件11将收集的热量传递至蒸气喷射段的的内部。
由于蒸气喷射段内部的高温环境，蒸气喷射段范围内毛细吸液芯3中的一部分液态制冷工质被加热气化成为高压气体，高压气体经过高压蒸气管7进入气体喷射器6，并在喷嘴62中绝热膨胀成为高速低压气体，然后通过喉管63和扩压室64进入冷凝散热段。
由于气体喷射器6喷嘴62的喷发降压作用，相比蒸发制冷段内部压力水平，气体喷射器6的混合室61为一个相对的低压环境。因此，气体喷射器6的混合室61可以吸入蒸发制冷段的制冷工质气体，降低蒸发制冷段的环境压力，当环境压力低于制冷工质的蒸发压力时，制冷工质就会吸热气化形成低压制冷工质气体，产生制冷效果。低压制冷工质气体通过低压流体管8进入混合室61。
蒸气喷射段产生的高压制冷工质气体不断地携带蒸发制冷段产生的低压制冷工质气体由混合室61经过喉管63进入扩压室64，在扩压室64中进一步提高混合气体的压力后进入冷凝散热段。当冷凝散热段内的混合气体压力达到环境条件对应的冷凝压力时，混合气体开始放出显热和汽化潜热并冷凝为液态。之后，蒸气喷射段继续向冷凝散热段输入制冷工质气体，结合太阳能集热器9作用下的喷射器喷发作用，持续地驱动蒸发制冷段内的液态制冷工质进行蒸发吸热，进而产生稳定的制冷效果。铜管1的冷凝散热段外壁上装设有散热翅片12，可以加速冷凝散热段散去热量，冷凝散热段产生的制冷工质液体会储存在毛细吸液芯3中，并在毛细吸力的作用下不断地向蒸气喷射段和蒸发制冷段迁移，以补给液态制冷工质的气化损失。
在有太阳能辐射的条件下，上述过程就会处于循环进行的状态。由此，制冷工质可以周而复始地在蒸气喷射段、蒸发制冷段和冷凝散热段之间进行气化和液化的循环相变，并在相变过程中实现了热量的收集、传递与散发，即收集蒸发制冷段周围冻土地层的热量、通过蒸气喷射段的驱动作用，传递至冷凝散热段后散发至周围环境中。
本发明提供了一种保护冻土的方法，包括：
步骤S01，确定路基下覆多年冻土层的退化深度范围；
在暖季布设温度监测孔，通过长期监测数据，结合地质雷达勘探，确定多年冻土层存在升温现象的深度范围，特别是多年冻土上限位置的深度。
步骤S02，计算退化冻土所需的冷量和冷负荷；
通过热响应测试试验，确定退化冻土地层的体积热容量和导热系数等热物性参数，然后根据维持冻土稳定的目标温度，基于热储量变化理论计算，计算多年冻土温度由实际温度恢复至稳定温度时所需的冷量，由此计算退化冻土地层在每延米路基方向上的的冷负荷。
步骤S03，确定太阳能喷射式制冷装置的制冷容量和有效降温半径；
根据区域太阳能流密度的季节性变化规律、太阳能光热转化效率和喷射式制冷功率，综合确定装置的最大和平均制冷温度及其对应的有效降温半径。
步骤S04，确定蒸发制冷段的深度、直径和布设间距等设计参数；
根据冻土冷负荷水平和装置的有效降温半径，确定装置在路基横断面上的布设位置，包括路基肩部、路基边坡中部或者路基坡脚处，以及在路基纵向上的布设间距，布设间距的一般取值范围为2.0～4.0m之间。再根据冻土冷负荷水平和装置布设间距，确定装置所需提供的制冷量，据此确定装置的几何尺寸，包括蒸发制冷段的管径和长度，即制冷面积，以及冷凝散热段的管径和长度，即散热面积，管径的一般取值范围为110～150mm之间。同时，装置几何尺寸和布设间距要协调至两者几何尺寸不过大。
步骤S05，制作针对寒区路基冻胀的太阳能喷射式制冷装置；
步骤S06，钻孔施工，安装太阳能喷射式制冷装置；
对路基进行钻孔，安装太阳能喷射式制冷装置；采用钻机在冻土退化路段内施工，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，投入运行。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。
Claims (6)
1.一种适用冻土区的太阳能喷射式制冷装置，其特征在于：包括底部封口的铜管，所述铜管底端设有锥形导头，所述铜管顶部设有可拆卸的端盖，所述铜管内盛装有制冷工质，所述铜管从下到上依次包括蒸发制冷段、蒸气喷射段和冷凝散热段，所述铜管的冷凝散热段外壁上设有散热翅片，所述铜管内壁上设有用以循环工质的毛细吸液芯，所述铜管的蒸发制冷段和蒸气喷射段之间设有第一隔离板，蒸气喷射段和冷凝散热段之间设有第二隔离板，蒸气喷射段内设有气体喷射器，所述气体喷射器包括混合室、喷嘴、喉管和扩压室，所述气体喷射器的喉管穿过所述第二隔离板，所述气体喷射器的混合室连接有高压流体管和低压流体管，所述低压流体管穿过所述第一隔离板，所述铜管的蒸气喷射段的外壁上套设有太阳能集热器，所述铜管和所述太阳能集热器之间填装有隔热材料，所述太阳能集热器内壁上设有若干导热件，所述导热件的一端连接太阳能集热器的选择性吸收层，另一端伸入蒸气喷射段的内部且不与所述气体喷射器接触，所述铜管的蒸发制冷段埋设于地层中，所述铜管的蒸气喷射段和冷凝散热段置于地表以上。
2.根据权利要求1所述的一种适用冻土区的太阳能喷射式制冷装置，其特征在于：所述毛细吸液芯的表面覆盖有固定所述毛细吸液芯的不锈钢丝网。
3.根据权利要求1所述的一种适用冻土区的太阳能喷射式制冷装置，其特征在于：所述隔热材料为酚醛泡沫材料、聚氨酯保温材料或石棉。
4.根据权利要求1所述的一种适用冻土区的太阳能喷射式制冷装置，其特征在于：所述导热件为棒状且在所述太阳能集热器的内壁上均匀布设。
5.根据权利要求1所述的一种适用冻土区的太阳能喷射式制冷装置，其特征在于：所述制冷工质采用醇类或烷烃类制冷工质。
6.一种保护冻土的方法，其特征在于，使用权利要求1至权利要求5中任意一项太阳能喷射式制冷装置，且所述保护冻土的方法包括：
S01.确定路基下覆多年冻土层的退化深度范围；
S02.计算退化冻土所需的冷量和冷负荷；
S03.确定太阳能喷射式制冷装置的制冷容量和有效降温半径；
S04.确定蒸发制冷段的深度、直径和布设间距；
S05.制作针对寒区路基冻胀的太阳能喷射式制冷装置；
S06.钻孔施工，安装太阳能喷射式制冷装置。
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