CN112840081A - 用轨道的部分的热调节来固定铁轨的轨道的方法以及相关的机器 - Google Patents
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Abstract
为了使用轨道机器(4)固定铁轨的轨道(12),轨道机器(4)沿工作方向(100)移动,使得始终,轨道(12)的未附接到铁轨(2)的横向构件(8、10)的部分通过轨道机器(4)的热调节装置(32)的热调节区(30),使用热调节装置(32),通过在轨道的该部分中产生不均匀的温度分布,来修改通过热调节区(30)的轨道的该部分的表面区域的温度,并且在修改了该轨道部分的表面区域的温度之后,将轨道(12)部分固定在轨道的横向构件(10)上,而无需等待轨道部分中的温度分布均匀。
Description
技术领域
本发明涉及铺设铁轨的轨道,并且更具体地涉及在铺设轨道之前对轨道的部分进行热调节的操作。本发明涉及允许进行所述热调节操作的轨道机器,并且涉及一种包括所述操作的固定方法。本发明涉及在已有的轨道上铺设新的轨道,在新的轨道上铺设新的轨道以及在已有的轨道上的维护操作,其包括堆积操作和随后的铺设操作。轨道机器可以是自动机器、替换列车或铺设列车。
背景技术
铁轨的轨道根据季节和气象条件而经受明显的温度变化。轨道在温度升高的作用下趋向于延伸和膨胀,反之亦然,在温度降低的作用下趋于收缩。
如今,轨道被放置成使得它们以连续的方式端对端地焊接,并且因此被固定到轨枕,从而使得轨道的长度在温度变化的影响下不会改变。在环境温度升高到高于铺设温度的影响下,无法膨胀的轨道受到压缩力的作用,该压缩力趋于将轨道推出其路径。反之亦然,在低于铺设温度的温度降低的作用下,无法收缩的轨道受到牵引力,该牵引力倾向于将轨道拉出其路径。
为了最小化温度变化的影响,期望将轨道固定在称为“中性”的预定温度下的轨道上,其值因气候区域而异,并且可能对应于长期放置(如果适用)的记录的平均温度或中间温度。因此,确保了将在轨道内部的应力变化范围和在轨道上的力的变化范围最小化。
EP 0 467 833示出了一种工作列车,该工作列车包括用于先前升高的轨道的感应加热站,以及用于将轨道固定在铁轨的轨枕上的固定区,以便随后通过夹子将其固定。感应加热在通过加热站的加热区的轨道的部分中产生感应电流,该感应电流借助于焦耳效应使轨道的部分的温度升高。然而,电子在轨道中的循环不均匀,并且观察到趋肤效应(skineffect),随着感应频率的增加,趋肤效应变得越来越敏感。这导致在加热区的输出处,轨道内的温度明显不均匀地分布。轨道的固定区位于距加热站一定距离的位置,以使温度有时间在轨道中均匀(homogenized),换言之使得表面温度和轨道芯内温度之间的差值低于预定阈值,其目的是使轨道在固定区内达到均匀温度,其等于该位置的预定中性温度。举例来说,对于以每分钟6米的速度行驶的工作列车,在加热站的输出与轨道的固定区之间设置17米的距离,这相当于170秒的均匀时间。
可以实施其他加热方法。因此已经提出的是将轨道暴露于红外辐射。然而,发现红外辐射仅少量渗透到材料中,并且仅引起表面加热,且具有约100nm的集肤效应。已经提出了其他形式的加热,特别是通过喷水或通过暴露在燃烧器的火焰中,但是也导致加热限于轨道的表面。
从该前提出发,在将轨道固定在轨枕上之前,有必要在中和温度下实现轨中温度的均匀,需要提供均匀时间的概念,因此,在现有技术中已经认识到主加热站和工作轨道机器的固定区之间的较大距离。
然而,该规定并非是没有缺点的。首先,其影响轨道机器的尺寸,该轨道机器设有使轨道在加热站和固定区之间移动的装置。此外,为了限制功率消耗并确保在固定区内达到的均匀温度确实是“中性”设定点温度,必须采取措施限制和控制将加热区与固定区分开的空间中的热损失。最后,每次导致轨道机器意外停止运行时都会出现操作困难,因为在一定时间后,位于加热站和固定区之间的轨道的部分不再处于所需的温度,并且每次重新启动时都必须执行特定的步骤。此外,这导致在WO2017/017600A1中提出了在加热装置和固定区之间插入热隔离分隔部分或互补的热处理部分,其目的是补偿加热站和固定区之间的热损失。
当需要在固定之前冷却轨道时,冷却方法还通过对轨道表面的冷却,从而导致对轨道的非均匀冷却,其具有类似的困难。
为了解决这些问题,从理论上讲,有可能寻求允许对铁轨进行均匀加热的技术,例如通过在铁轨中通过连续电流的方式。然而,发现这种技术难以在实践中实施。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺点,并简化在被称为“中性”的设定点温度下的对轨道的固定。
为了实现这一点,根据本发明的第一方面,提出了一种通过轨道机器来固定铁轨的轨道的方法,根据该方法:
-使轨道机器在工作方向上运动,使得在每一时刻,未固定在铁轨的轨枕上的轨道的部分通过轨道机器的热调节装置的热调节区;
-通过热调节装置,在轨道的部分中产生不均匀的温度分布,来改变通过热调节区的轨道的该部分的表面区域的温度;和
-在改变了轨道的该部分的表面区域的温度之后,将轨道的该部分固定在铁轨的轨枕上,但是无需等待到轨道的该部分中的温度分布均匀。
确实,发明人先是有所怀疑,然后通过计算和试验验证,发现不必为了达到所希望的效果,而使轨道中的温度均匀(homogenization),即延长轨道,或铺设的轨道的该部分的长度与在中性温度下记录的延伸和长度相对应。该理论研究基于两个结果:
-在均匀过程中保持轨道的平均温度;
-观察到的横截面中轨道的延伸与平均应力之间的比例。
如果C表示钢的热容量(J/kg/K),p表示钢的密度(kg/m3),而V表示所讨论的轨道体积(m3),根据定义,存在于热调节区输出处的轨道中的热能为:
E0=∫∫∫VC.T0.ρ.dv=C.ρ.∫∫∫VT0.dv
可以定义轨道的平均温度T0moy,使得:
由此得出:
E0=C.ρ.V.T0 moy
如果T1=T1 moy表示均匀后获得的轨道的均匀温度,而E1表示均匀后的轨道的热能,则以下可以实现:
E1=C.ρ.V.T1 moy
然而,如果观察到与轨道整体的冷却时间(100至200分钟)的常数相比,温度均匀时间(2至3分钟)的常数非常小,可以认为,对应于均匀的转变是绝热的,从而节省了热能。因此:
E0=E1
因此,在简化之后,得到以下结果:
T0 moy=T1 moy
由此确定,调节区域的输出处的平均温度等于轨道的均匀温度。
如果S表示轨道截面的表面,E表示杨氏模量,α表示轨道的伸长系数,则可以通过以下方式表示在该轨道截面中的平均应力:
可以定义轨道截面中的平均温度的变化ΔTmoy,该变化等于轨道截面中局部温度变化的平均值,使得:
因此,将平均应力写为平均温度变化的函数:
σ=E.α.ΔTmoy
此外,胡克的弹性定律使得将平均应力与相对延伸联系起来成为可能(不考虑截面的变化):
从而得出相对延伸的比例和截面的平均温度的变化的关系:
换言之,轨道截面的延伸与在轨道截面中记录的平均温度成比例,但是独立于轨道截面中的温度分布。
在实践中,对于给定的工作条件(轨道的几何形状、要执行的工作类型),轨道机器以恒定的速度沿工作方向移动,该速度可以称为标称速度。为了提供信息,所述速度通常在100至1200m/小时的范围内。
优选地,在轨道的该部分离开热调节区之后不到50秒,优选地不到30秒,轨道的该部分被固定到轨枕。重要的是,从热调节区出来到轨道固定在轨枕之间的时间应该最短,以限制与周围环境的对流热交换。
在某些情况下,在热调节区的出口处的温度分布可能非常不均匀,并且在固定轨道时保持非常不均匀。例如,可能会发现在固定轨道的该部分的时刻,在该轨道的部分的表面的至少一个点与在该轨道的部分的芯的至少一个点之间存在大于50℃的温度差。
根据一个实施例,通过热调节区的轨道部分的表面区域的温度变化为使得热调节区出口处的轨道的部分的平均温度等于+/-5℃之内,优选地在+/-3℃之内,优选地在+/-2℃之内,优选地在+/-1℃之内,优选地精确地等于铺设位置的预定设定点温度。
在这种情况下,平均温度是指轨道的该部分中基本温度的体积积分:
通过热调节区的过程伴随着等于使轨道的部分达到平均温度所需的热量的热传递,该平均温度为等于在+/-5℃之内,优选在+/-3℃以内,并且优选在+/-2℃之内,并且特别优选在+/-1℃之内,在热调节区的输出端,最好精确地等于固定位置的预定设定点温度。
就热调节区的输出端和固定区之间的过渡而言,只要是短暂的,就可以认为轨道与环境之间的热交换很小。从而,在绝热条件下,通过热调节区的轨道的部分的表面区域中温度的变化导致传递的热量等于使该轨道截面达到均匀温度所需的热量,均匀温度等于预定公差范围内的温度,最好为+/-5℃,优选地,在预定设定点温度附近并且优选精确地在预定设定点温度附近+/-3℃,优选+/-2℃,并且优选+/-1℃。
换言之,热调节区是热能传递的位置,该热能传递可以是正的或负的,并且其值ΔE等于进入热调节区之前轨道的热能EA之间的差,在均匀温度等于中性温度TN的情况下,轨道的热能EN处于理想状态(或铁轨进入热调节区之前的热能EA与处于目标状态且均匀温度等于目标温度TC等于中性温度TN的目标状态下铁轨的热能EC之间的差,等于+/-5℃以内,优选等于+/-3℃以内,并且优选等于+/-2℃以内,特别优选等于+/-1℃以内,并且优选精确地等于)。假设轨道在进入热调节区之前与周围环境处于热平衡状态,即处于等于环境温度TA的均匀温度下,则可以说:
优选地,根据一个或多个控制变量来控制热交换装置,该一个或多个控制变量包括以下测量或估计的变量中的一个或多个:进入热调节区的轨道的部分的温度、热调节区输出处的轨道的部分的温度、热调节区中的轨道的部分的温度、固定区区域中的轨道的部分的温度、固定区之后的轨道的部分的温度、外界环境温度、轨道机器的运动速度、轨道相对于热调节装置的运动速度、在热调节区通过的持续时间、在温度调节之前设定点温度与轨道的部分的测量温度之间的偏差、热调节后设定点温度与轨道的部分的测量温度之间的偏差、在供热过程中的设定点温度与轨道的部分的测量温度之间的偏差、设定点温度与固定区区域内的轨道的部分的温度之间的偏差、设定点温度和固定区后轨道的部分的温度之间的偏差、环境湿度或风速。
根据一个实施例,测量以下温度中的一个或多个:
-热量输入后,轨道的部分的至少一个温度,通过至少一个温度计进行(例如高温计或热电偶),该温度计在工作方向上布置在热调节区的输出区的区域中或在热调节区的后面;
-热量输入之前,轨道的部分的至少一个温度,通过至少一个温度计进行(例如高温计或热电偶),该温度计布置在热调节区的输入区的区域中或在工作方向上在热调节区的前面;
-在热量输入过程中,轨道的部分的至少一个温度,通过至少一个布置在热调节区内的温度计(例如高温计或热电偶);
-固定后轨道的部分的至少一个温度,通过至少一个温度计进行(例如高温计或热电偶),该温度计沿工作方向布置在固定区的区域中或固定区之后。
根据一个实施例,通过热调节区的轨道的部分相对于铁轨升高。如果可能的话,可以提供一种轨道机器,其包括用于将轨道的部分定位在铁轨上的定位装置,该定位装置位于热调节装置和铁轨的轨枕上的轨道的部分的固定区之间。在这种情况下,定位装置必须优选是紧凑的,以使相应的定位区域变短。
替代地,可以在热调节区中执行轨道的部分在铁轨上的定位。
根据另一替代实施例,通过热调节区的轨道的部分搁置在铁轨的轨枕上。轨道的部分在轨枕上的固定是紧接着轨道的相同部分通过热调节区之后进行的操作。
优选地,通过热调节或冷调节的热源进行热交换,改变通过热调节区的轨道的部分的表面区域的温度,特别是通过热辐射、热传导和/或对流,或通过在轨道的部分中感应或产生的交流电。
根据本发明的另一方面,这涉及一种轨道机器,其包括:
-至少一个热调节装置,其包括至少一个热调节区;
-用于以预定的操作速度沿工作方向移动轨道机器的牵引装置,使得在每一时刻,未固定到轨枕的轨道的部分通过热调节区;热调节装置能够通过在轨道部分中产生不均匀的温度分布,通过热调节装置改变通过热调节区的轨道的部分的表面区域的温度;
-在工作方向上位于热调节区后面的铁路轨枕上的轨道的部分的固定区,该固定区被定位使得,在预定的操作速度下,固定区和热调节区之间的距离行程小于170秒,优选小于120秒,优选小于60秒,优选小于50秒,优选小于30秒。
优选地,所述热调节装置能够向通过热调节区的轨道的部分提供和/或从通过热调节区的轨道的部分中提取更高的热量,当轨道机器以预定的运行速度向工作方向前进时,对于U1C60轨道,更高的热量足以使轨道的部分的平均温度升高和/或降低至少5℃。
根据一个实施例,轨道机器包括用于改变通过热调节区的轨道部分的表面区域的温度的装置,该装置通过在轨道的部分中感应或传导的交流电来改变轨道部分的表面区域的温度,或者通过与热源或冷源的热交换,特别是通过热辐射、热传导和/或对流。
附图说明
通过以下参考了附图的描述,本发明的其他特征和优点将变得清楚,其中:
-图1是根据本发明的方法铺设铁轨的轨道的场地(site)的示意图;
-图2是图1的场地的示意性详细视图,示出了根据本发明的方法的热调节和轨道的部分的固定;
为了更加清楚,在所有附图中,相同或相似的元件用相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1是用于更换铁轨2的场地的整体视图,在场地上,通过替换列车4(部分显示),放置旧的轨道6(前扇区)和旧的轨枕8,并用新的轨枕10和新的轨道12进行替换。所有这些都是随着替换列车4的前进而连续进行的,其以恒定的速度在工作方向100上进行。替换列车4包括搁置在转向架18、20上的货车16,转向架18、20在替换列车4的前部中的旧的轨道6上滚动并且在替换列车4的后部中的新的轨道12上滚动。替换列车4的中间部分又搁置在履带22上,在该场地的铁轨2上没有轨道时,在放置它们之前,履带22直接在压载物24和旧的轨枕8上滚动。
在场地的前部,使用工具可以将旧的轨道6与轨枕8分开。逐渐地,在拆卸旧的轨道6的过程中,将其抬起并放下在铁轨侧面的压载物24上。在场地的前部,旧的轨枕8被暴露出来,这使得可以借助于一组堆积工具继续其堆积,并且借助于一组铺设工具,被新的轨枕10替换。在替换列车4通过之前,新的轨道12布置在轨道2两侧的地面上,在车轮上以便允许轨道向列车的前部无应力地热膨胀,在被放置在新的轨枕10上之前,将其升高并定位,并遵循轨道2的期望的几何形状。新的轨道12的固定通过在固定区26的区域中的轨道机器的重量来实现,该区域也称为锚定区,其位于转向架20的区域中,位于替换列车4的后部。以已知的方式,通过紧固件在下游进行新的轨道12的实际固定。
为了防止或限制在气候或气象条件变化的影响下轨道退化的风险,通过使所述金属型材达到设定点温度,也称为“中性”,将新的或恢复的轨道12固定在轨枕上。
为此目的,在热调节装置32的热调节区30中,将要铺设的新的或恢复的轨道12的部分达到设定点温度,热调节区30位于一个或多个轨枕10上的轨道的固定区26的上游并靠近该固定区,或者甚至直接邻近固定区26。如果适用,则在实际的固定区26之前可以是轨道定位区域,其可以位于热调节区30和固定区26之间(如果轨道在热调节区中升高)或热调节区的上游(在轨道已经搁置在热调节区30中的新的轨枕10上的情况下)。替代地,轨道的定位区域与固定区26或热调节区30重合。
当环境温度低于设定点温度(称为“中性”)的瞬间进行现场干预时,热调节包括对轨道的加热,热调节装置30被转换成加热装置,因此热调节区30是加热区。所述加热可以通过通常使用的方法进行,它们的共同特点是不会在轨道中产生温度的均匀分布,但是相反地,其在轨道表面处或在轨道表面附近的特定加热区域与位于轨道中心的较少加热区域之间产生明显的温差。加热尤其可以通过在轨道中的电感应,通过喷洒热水、通过红外辐射或通过暴露于传热流体(水、空气、蒸汽、燃烧气体、火焰)来实现。
反之亦然,当环境温度大于被称为“中性”的设定点温度时,热调节包括对轨道的冷却,热调节装置30被转换成冷却装置,因此热调节区30是冷却区。所述冷却尤其可以通过暴露于传热流体来实现。
值得注意的是,固定区26相对于热调节装置32定位,使得,当替换列车4以工作速度沿工作方向100前进时,在轨道的部分的横截面中温度分布均匀已经完成之前,离开热调节装置32且温度分布不均匀的轨道的部分到达其在固定区26上的轨枕上的固定位置。
举例来说,固定区26距热调节区30至少五米,替换列车以500m/h的标称速度行驶,从而使轨道的部分从热调节区30出来后不到36秒到达固定区26。
在实践中,令人感兴趣的是,尽可能减小热调节区30的输出与固定区26之间的距离,以通过减小温度不再处于允许锚固的公差范围内的轨道部分,简化停顿一段时间后替换列车4的重启,该轨道的部分位于热调节区30和固定区26之间。因此尤其规定,热调节区30的输出处在空间上可以与固定区26相一致。
温度计34位于热调节区30的输入处、热调节区30的内部、热调节区30的输出处,并且,如果适用,则直接位于固定区26附近。所述温度计34连接到控制单元36,该控制单元接收其他传感器38的信号,其他传感器38例如为:替换列车4的速度传感器、待处理的轨道的速度传感器、环境温度传感器、大气压传感器和/或环境湿度传感器。因此,控制单元36能够测量、估计或计算以下一个或多个参数:在热调节之前要处理的轨道的部分的平均温度、进行热调节后轨道的部分的平均温度、在热调节期间轨道的部分的温度、固定后的轨道的部分的温度、外部环境温度、替换列车4的运动速度、轨道相对于热调节装置的运动速度、通过热调节装置传递到轨道的部分的热量。
此外,控制单元36在存储器中包含可能已经获取或编程的设定点温度,并且代表着在固定区26中寻求的中性温度,这使得可以确定(如果适用),在热调节之前,设定点温度与要处理的轨道的部分的平均温度之间的偏差,在热调节之后,设定点温度与轨道的部分的平均温度之间的偏差,或者在热调节期间,设定点温度与轨道的部分的平均温度之间的偏差。控制单元36以已知的方式适合于调节热调节装置的功率。
当替换列车4沿工作方向100前进时,待处理的轨道12相对于热调节装置30沿相反的方向运动,并且被引导,使得待处理的轨道12的升高的部分每一时刻都通过热调节区30。如果适用,可通过致动器或定位机构来调节热调节装置的位置。
因此确保了,在每一时刻并取决于替换列车4的前进,待处理的轨道12的部分通过热调节区30,在该热调节区中,根据极端条件,它由热调节装置32加热或冷却,以使在热调节区的出口处的轨道的部分中的平均温度等于设定点温度。控制单元36借助于计算算法,基于以上讨论的所有或一些参数,确定必须被传递到待处理的轨道12或必须被提取的热能,以便获得所述平均温度。
从热调节区30的输出处,尽管其温度非常不均匀,在等于设定点温度的均匀温度下,轨道12的部分已经达到与轨道的延伸相对应的延伸。轨道12的待处理部分立即或几乎立即通过固定区26,然后在从热调节区30出来后不到50秒,最好是不到30秒的时间内将其固定在铁轨的轨枕10上。在这段短时间内,与环境空气对流交换造成的损失可以忽略不计。
当然,附图中示出的和上面讨论的示例仅仅通过示例性的方式给出,并且是非限制性的。
已经描述的用于轨道的翻新、替换轨道的轨道的热调节方式也适用于通过替换旧的轨道进行的铁轨翻新,或者用于首次铺设,或者实际上用于热维护处理。
已经将针对于替换列车的描述转移到自主轨道机器或铺设列车上。
Claims (10)
1.一种通过轨道机器(4)固定铁轨(2)的轨道(12)的方法,其中:
-所述轨道机器(4)在工作方向(100)上移动,使得,在每一时刻,未固定在所述铁轨(2)的轨枕(8、10)上的轨道(12)的部分通过所述轨道机器(4)的热调节装置(32)的热调节区(30);
-通过所述热调节装置(32),在轨道的所述部分中产生不均匀的温度分布,来改变轨道的通过所述热调节区(30)的所述部分的表面区域的温度;
其特征在于,在改变了所述轨道的所述部分的表面区域的温度之后,将所述轨道(12)的所述部分固定在铁轨的轨枕(10)上,而无需等待到所述轨道的所述部分中的温度分布均匀。
2.根据权利要求1所述的用于固定的方法,其特征在于,在所述轨道(12)的所述部分离开热调节区(30)之后不到50秒,优选地不到30秒,所述轨道(12)的所述部分被固定到轨枕(10)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用于固定的方法,其特征在于,通过所述热调节区(30)的轨道的部分的表面区域的温度变化为使得所述热调节区(30)出口处的轨道的部分的平均温度等于+/-5℃之内,优选地在+/-3℃之内,优选地在+/-2℃之内,优选地在+/-1℃之内,优选地精确地等于铺设位置的预定设定点温度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于固定的方法,其特征在于,在绝热条件下,通过所述热调节区(30)的轨道的所述部分的表面区域的温度变化导致传递的热量等于使所述轨道的截面达到均匀温度所需的热量,所述均匀温度等于预定公差范围内的温度,优选地为+/-5℃,优选地为+/-3℃,优选地为+/-2℃,优选地为+/-1℃,并且优选精确地等于预定的设定点温度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于固定的方法,其特征在于,通过所述热调节区(30)的所述轨道(12)的所述部分相对于所述铁轨(2)升高。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于固定的方法,其特征在于,通过所述热调节区(30)的所述轨道(12)的所述部分搁置在所述铁轨(2)的轨枕(8、10)上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于固定的方法,其特征在于,通过所述热调节区(30)的所述轨道的所述部分的表面区域的温度通过与热或冷的热源进行热交换而改变,特别是通过热辐射、热传导和/或对流,或通过在所述轨道的所述部分中感应或产生的交流电。
8.一种铁路轨道机器(4),包括:
-至少一个热调节装置(32),其包括至少一个热调节区(30);
-牵引装置,其用于以预定的操作速度沿工作方向(100)移动轨道机器(4),使得在每一时刻,未固定在轨枕(8、10)上的轨道(12)的部分通过所述热调节区(30);所述热调节装置(32)能够通过在所述轨道的所述部分中产生不均匀的温度分布,通过热调节装置(32)改变通过所述热调节区(30)的所述轨道的部分的表面区域的温度;
-所述铁轨的轨枕(10)上的所述轨道(12)的所述部分的固定区(26),其在工作方向上位于所述热调节区(30)的后面,其特征在于,所述固定区(26)定位为使得在预定的工作速度下,所述固定区和所述热调节区(30)之间的距离行程小于170秒,优选地小于120秒,优选地小于60秒,优选地小于50秒,优选地小于30秒。
9.根据权利要求8所述的轨道机器(4),其特征在于,所述热调节装置能够向通过所述热调节区的所述轨道的所述部分提供和/或从通过所述热调节区的所述轨道的所述部分中提取更高的热量,当所述轨道机器以预定的运行速度向工作方向前进时,对于U1C60轨道,所述更高的热量足以使所述轨道的所述部分的平均温度升高和/或降低至少5℃。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的轨道机器(4),其特征在于,所述轨道机器包括用于改变通过所述热调节区(30)的所述轨道的所述部分的表面区域的温度的装置,所述装置通过在所述轨道的所述部分中感应或传导的交流电来改变轨道的所述部分的表面区域的温度,或者通过与热源或冷源的热交换,特别是通过热辐射、热传导和/或对流。
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