CN1296670C - 单向导热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在多年冻土地区进行铁路、公路和工程建筑建设中的一种单向导热装置，它是由保温材料、工质传导管、金属管组成，金属管通过保温材料与工质传导管嵌套，围成环形管。将本装置水平埋设在一定位置的土体中；利用其单向导热的性能，夏季外界环境温度较高，热量不断传入土体中，本装置可以有效地阻挡这部分热量的传入；在冬季外界环境温度较低，土体不断放热，通过传导管中工质流动和对流，使土体下部的热量得以释放。由此可有效避免多年冻土季节活动的冻融对路基和工程建筑稳定性的影响，使在多年冻土上的工程建筑的稳定性建立在较高的水平上。

Description

单向导热装置

技术领域

本发明主要涉及在多年冻土地区进行铁路、公路和工程建筑建设中，有效地保护道路路基和建筑物基础下部多年冻土，提高工程建筑稳定性，以及在工程建筑中利用自然冷能进行冷却降温；或在寒冷地区利用暖季自然热能，使其储藏于地下满足建筑物或目标体需要保持相对较高温度的一种装置。

背景技术

我国多年冻土面积占国土面积的22.3％，在世界上占第三位，其中高海拔多年冻土面积居世界之最。人类活动易诱发冻土环境的变化，以工程技术因素导致的变化尤为剧烈。由于高海拔多年冻土地区往往坡度陡峭、地温较高，在某种程度上它对全球变化响应更加敏感。观测表明青藏高原多年冻土在过去30年间温度升高了约0.2℃，冻土下界的高度正以160m/℃的趋势上升，1951～1997年间，北方极端最低气温普遍上升5～10℃。随着气候的转暖，我国多年冻土一直处于不断退化的过程中，多年冻土含有厚度超过几米至十几米的厚度地下冰多处于极其脆弱的热平衡状态之下。人类工程活动的直接效应表现为路基下部多年冻土地温的升高和严重退化，造成冻土地基的工程稳定性下降，导致地基整体不均匀下沉，严重地破坏工程建筑，危害人类工程的正常使用。

寒区脆弱冻土、生态环境与人类积极工程活动的突出矛盾一直困扰着该类地区道路工程建设的顺利进行，通过采取一些较为有效保护多年冻土的工程措施，使两者协调发展，是解决这一矛盾的唯一途径。为此世界各冻土大国的科学家不断创新，为有效保护多年冻土、维持路基的长期稳定一直进行着不懈地努力。俄国科学家应用聚合材料消除土质路基冷生变形，应用热管降低土体温度、使用热改良型泡沫覆盖保持地基土于冻结状态、保证多年冻土热稳定器的研制和实验等等，又如美国阿拉斯加交通科学报道的新式保护多年冻土的措施是将发卡热管与保温材料的组合放置于路堤的上部。均引起了世界同行的广泛关注和兴趣(见图4)。该措施主要特点是利用热管在保温材料下部温度高于上部温度时开始工作，将下部热量传递到上部，在相反温度条件下则停止工作，阻止热量的下传，总体效果起到单向导热的“热二极管”的作用。但由于热管埋置于路堤内部，一旦热管中的工质发生泄露，所导致热管效能的丧失将无法修复。我国科学工作者立足国情，围绕青藏铁路国家重大工程项目，将已往在冻土区路基基础等常用的以增加热阻为手段的消极的保护冻土原则，改变为以“冷却路基”为手段的积极的保护多年冻土原则，利用环境温度变化的特征，调控路堤与外界的热量传递与交换，来达到和增强多年冻土地温场的稳定，从而为提高工程建筑物的稳定性提供可靠的保证。发明人申请的国家自然科学基金项目，中国科学院“西部之光——冻土工程中保护冻土温控关键技术研究”，中国科学院知识创新工程的重大项目“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”着重就解决上述问题开展了专题研究。在研究中，着眼于多年冻土区，设计了稳定多年冻土地区工程建筑的一种单向导热装置。

发明内容

本发明基于上述思路和开展的专题研究，旨在提供一种具有单向导热性能的装置。将这种装置水平埋设在路基中的一定位置，利用本装置单向导热的性能，在夏季外界环境温度较高，热量不断传入路基的过程中，本装置可以有效阻挡这部分热量的传入。在冬天外界环境温度较低，路基不断放热的过程中，通过传导管中工质流动和对流换热过程可以使该装置处于导热状态，最终使路基下部的热量得以释放。由此路基在一年与外界热量交换过程中，在热量收支上使其放出的热量大于吸收的热量，并维持一定程度的净放热，由此不断降低路基下部土体的温度，使多年冻土和工程建筑的稳定性建立在较高的水平上。由此也可有效避免季节活动的冻融循环所带来的冻胀、融沉对路基稳定性的影响。同时，通过该种措施也可以扩大其在需要利用自然冷能领域的应用，如自然冷库、夏季用于避暑的冷房等等。

同理，如果单向导热的方向指向下部的土体，可以使自然界的热能不断富集于该装置的下部土体中，满足需要对土体不断加热方面应用的要求。

本发明的技术方案为：

一种单向导热装置，是由保温材料、工质传导管、金属管组成。保温材料可为聚苯乙烯(EPS)、或为聚氨脂(PU)、或为泡沫玻璃、或为注塑聚苯乙烯(XPS)；工质传导管为PVC管、或为塑料管；金属管为铜、铝、铁、不锈钢管中的一种。工质传导管内的工质为空气、水、有机质液体中的一种，或几种的组合。金属管一端通过保温材料的孔，一端呈瓣状，瓣状端与保温材料相卡，并嵌套工质传导管成环形管。金属管位于环形管的一侧，其管长小于保温材料的厚度。

在实际应用中，可将环形管按一定的长度、一定的间隔平行排列，嵌套于保温材料中，并埋设在路堤填土一定深度的位置处，或埋设在需要积蓄冷能建筑的表层土体。

在本装置中，保温材料的作用在于隔绝热量向下的传导；对流传导管的作用在于当该装置处于放热状态时提供工质流动和对流换热的通道。现以该装置水平埋设于土体中、单向导热方向向上(放热结构)、工质为空气为例叙述其发明的原理。当该装置处于下端放热环境中时，由于金属套管的导热系数很高可以使传导管中的两个垂直管内的空气处于不同的温度环境下，由此导致两个垂直管内空气密度和重量的不同，管内的空气在这种重力差的作用下会持续地循环流动。在流动过程中，工质在下端的水平传导管中会不断地从热端吸收热量，在上端水平传导管中在冷端不断地放出热量，而使保温材料上下端面进行热量交换。而当装置上下端的温度相反时，金属套管距离上顶面尚有一定距离，上端的温度难以对金属套管产生温度上的影响，不会造成两个垂直管内空气的温差。由于空气流动的动力条件的消失管内空气处于静止状态，同时也由于空气的导热系数非常低，因此该装置整体处于隔热状态。由此可见针对保温材料上下端面温度的不同，该种装置只对其中的一种状况进行导热，总体起到单向导热的作用，使自然界的冷能不断积聚在下部的土体中。反之，如果将该种装置单向导热方向倒置，也可以将自然界的热能不断积聚在下部的土体中。

本发明的优点和产生的有益效果是

1、本装置以其单向导热的特性，通过夏季阻挡热量向路基下部的传导，冬季促使热量的放出，可以使自然界的冷能不断积聚在路基的底部，通过对地温的调控有效维持和增强下部多年冻土地温场的稳定，由此达到维护多年冻土地区道路路基长期稳定和安全运营的目的。有效地解决脆弱寒区冻土与人类工程活动之间的突出矛盾，满足工程建筑在高温、高含冰量冻土区域工程稳定性的特殊要求。

2、在工程稳定性方面，由于本发明使工程建筑基础中冷能的不断积累，使多年冻土可以维持在一个较低、稳定的温度场中，有效避免常见的工程实施后地温的升温现象，以及由此而造成的路基沉降变形，使基础工程稳定性得以建立在较高的水平上。同时由于人为多年冻土上限的提高，避免了季节活动层的冻融循环所带来的冻胀、融沉对工程稳定性的影响。

3、本装置埋设在路基的内部，不对寒区脆弱生态环境产生任何影响，同时无需任何能源，充分达到人类工程活动与自然环境的同一。

4、本装置充分结合道路线型工程的特点，从道路面的角度对道路的热传导过程进行调控，克服了已往热棒、通风管等点、线降温的缺点，更加合理有效的进行地温调控。

5、通过从面的角度的地温调控，在冬季路基地温换热的过程中，可以使道路表面的温度有所升高，由此可以缩短路面的冰冻时间，延长道路的可行车时间和提高道路的行车安全系数，由此可以增加经济和社会效益。

6、本装置与发卡式热管结构完全不同，发卡式热管结构是利用工质液体与气体之间的相变传递热量，需要真空环境，一旦工质泄漏则停止工质并且只有放热形式的单向导热。而本装置是利用空气的自然对流，经过对流换热形式传递热量，无需抽真空，无需维护，造价相对低廉。同时具有“放热”和“吸热”两种结构形式；

7、本发明在满足路基下部多年冻土的温度场稳定要求的前提下，可以通过降低路堤高度，来减少总体工程的造价，缩短建设周期，参照青藏铁路建设的实际工程施工费用，该项发明的工程费用约为抛石路基的1/2-1/3，与青藏公路热棒试验段的工程措施费用基本持平，但本发明的降温效果明显优于前者。因此，从整个工程措施的投入产出来看，该种措施的性价比要明显优于其它工程措施，工程稳定性好。

附图说明

图1是单向导热装置示意图

图2是本发明保温材料、工质传导管、金属管相嵌套示意图

图3是热敏电阻在传导管中示意图

图4为发卡式热管与保温材料组合的新式路基结构

图5是本发明数据采集系统示意图

图6是本发明试验观测系统示意图

图7是本发明在下底面为热端条件下传导管内温度随环境温度的变化的试验观察结果

图8是本发明在下底面为热端条件下传导管上下管内温差随环境温差的变化试验观察结果

图9是本发明在下底面为冷端条件下传导管内温度随环境温度的变化试验观察结果

图10是本发明在路基中实施单向导热复合装置后地温场的数值模拟结果

具体实施方式

由上述分析可见，该装置的导热与否取决于传导管内工质的流动与否。当传导管内部工质采用空气时，传导管内密封空气的流动可以通过下种方式进行测定。即可以通过测定传导管内部空气温度的变化间接判断空气的流动与否。对于这种方法而言，当装置处于导热环境中时，当传导管内的空气应处于流动状态，流动的空气会不断通过对流换热在下部热端吸收热量，在上部冷端放出热量。在此过程中传导管内的空气温度在下部热端应低于管外环境温度，在上部冷端管内空气温度应高于管外环境温度。而当该装置处于相反温度环境和隔热状态下，密闭静止的空气应与管外环境温度一致。因此通过管内空气与环境温度的对比就可以定性判断出传导管内部空气的流动与否，同时还可以根据管内空气温度与所处环境温度差异的大小定性判断空气流速的大小。

为验证本装置的有效性，结合本发明进行了室内原理性试验。保温材料1为聚苯乙烯(EPS)，工质传导管2为PVC管，金属管3为铝管，工质为空气。铝管通过聚苯乙烯(EPS)与PVC嵌套，传导管2内装有热敏电阻，用导线将热敏电阻与传导管外的数采仪连接，温度使用热敏电阻进行探测。所用的热敏电阻经过了国家计量认证单位“冻土工程材料与测试部”的标定，标定精度为±0.01℃；观测温度采用美国dataTaker公司生产的DT500型自动数据采集采仪进行采集，采集频率为10分钟/次，采集精度为0.01℃，采集系统通过计算机进行控制，通过测定上下端面传导管2内部空气温度的变化与端面环境温度的差异进行判断空气的流速的大小。

试验分两种条件进行，分别模拟导热和隔热两种情况，目的是验证本装置的单向导热性能，考察了保温材料上下底板温差由约10℃逐渐减少过程中该种装置的导热情况。

试验是通过往水槽中加热水或加冰块方式设定下部水槽初始温度，在装置上端环境温度恒定的条件下进行的。

水槽没有保温装置，在预设水槽温度后水槽处于与周围空气的散热或吸热过程，最后逐渐趋于环境温度。水槽的表面放置的塑料布主要起到隔水作用(见图5、图6)。

试验结果分析：

(1)在下底面为热端、本装置导热条件下试验结果如图6所示。

在图中纵坐标为观测到的温度值，横坐标为观测的时间。图中“底部环境温度”指装置下底面与水槽接触面传导管附近的温度；“下部管内温度”指装置下端管内空气温度；“上部管内温度”指装置上端管内空气温度；“上部环境温度”指装置上顶面传导管附近的外界空气温度。

由试验结果可以看到上端面传导管内的空气温度高于环境温度，下底面传导管内的空气温度低于环境温度，说明传导管内空气处于流动状态，装置处于导热状态。通过计算比较上下端环境温度的差值和管内空气温度的差值(见图7)，可以看到管内的空气温差较环境温差约小50％左右。

(2)在下底面为冷端、本装置隔热条件下试验结果如图8所示。

由图可以看到管内温度与环境温度基本一致，说明管内没有空气流动，因此总体起到了隔热的作用。

通过上述试验结果可以看到本装置根据上下端面温度条件的不同，表现出具有单向导热的功效。为了进一步分析其在工程应用中所能发挥的作用，现结合多年冻土区道路工程的实际情况做进一步的数值模拟分析计算。通过数值模拟计算可以看到在路堤一定深度的水平埋设了本装置后，在12年期间路基温度场的变化过程。

作为对比首先模拟计算没有施加措施修筑路堤后路基温度场的变化情况。在年平均地温为-0.5℃，年平均气温为-3.2℃的高温高含冰量多年冻土区修筑高度为3m的路堤后，下部多年冻土上限不断下移，路堤下部融化圈不断扩大，在历经12年后最大下移量达到5.5m的情况，多年冻土不断处于快速退化状态中，地下冰不断融化，路基处于严重的沉降变形过程中。为考证本装置的作用，在上述模拟计算中，在不改变任何参数条件下，通过在路堤距离顶面2m处加铺15cm的单向导热装置，进行数值模拟计算。由图10计算结果可以看到，从第2.5年开始多年冻土上限基本保持在路堤的底部，并且没有太大的变化。同时，多年冻土的地温持续降低，在第10年的时候多年冻土上限附近的地温在夏季地温最高的时候较初始温度降低了-3℃。多年冻土和路基处于非常稳定的状态。由此可以看到本种装置在寒区工程建设中保证多年冻土和工程建筑稳定方面的突出作用。

Claims (5)

1、一种单向导热装置，是由保温材料(1)、工质传导管(2)、金属管(3)组成，其特征在于金属管(3)通过保温材料(1)与工质传导管(2)嵌套，围成环形管。

2、根据权利要求1所述的一种单向导热装置，其特征在于金属管(3)一端通过保温材料(1)的孔，一端呈瓣状，瓣状端与保温材料(1)相卡，并嵌套工质传导管(2)成环形管。

3、根据权利要求1所述的一种单向导热管装置，其特征在于金属管(3)位于环形管的一侧，其管长小于保温材料(1)的厚度。

4、根据权利要求1所述的一种单向导热装置，其特征在于所述的保温材料(1)为聚苯乙烯(EPS)、聚氨脂(PU)、泡沫玻璃、注塑聚苯乙烯(XPS)中的一种，工质传导管为PVC管、塑料管，金属管为铜、铝、铁、不锈钢管中的一种。

5、根据权利要求1所述的一种单向导热装置，其特征在于工质传导管(2)内的工质至少为空气、水、有机质液体中的一种。

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