CN1482302A - 一种包括分体式重力地热管的路坪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包括分体式重力地热管的路坪，包括埋设在马路地面或草皮下方土地层中的分体式重力地热管，分体式重力地热管的数量为1－3个/米²，分体式重力地热管的顶端离路表面30－50mm。该装置能在冬季把地层深处的热能迅速导向地表，安全，高效、节能、没有污染。同时，该装置为半永久性产品，安装完毕后不再需要日常维护，而地热能量取之不尽，且在使用过程中没有任何污染物排放。

Description

一种包括分体式重力地热管的路坪

技术领域

本发明涉及一种由分体式重力地热管排列组合而成，应用地热能量为马路和草坪防冻的装置，特别是涉及一种具有内置热管，加热时产生环缝汽液两相流沸腾及真空热交换的包括分体式重力地热管的路坪。

背景技术

目前冬季在下雪后，为防止积雪、结冰路滑造成的车辆、人员伤亡事故，除政府动员大量的人力进行清扫积雪外，还同时采用撒盐或化学融雪剂使冰雪融化。每个冬季为此不但要耗费大量的人力和物力，而且盐或融雪剂融化后的雪水大部分直接流入城市排水管道系统，对市政设施产生锈蚀，降低了使用寿命，同时一部分渗入土地层使其产生盐碱化板结，致使植被枯死，破坏绿化景观，渗入深部对地下水产生长期污染，对人类和生态的危害更为严重。

北京地区冬季历年平均室外气温为-12℃(球温度)，平均风速为2.8m/s。因此草坪的枯萎期长达半年左右，所以冬季不能进行足球等赛事活动。为解决该问题现国内外均采用建造锅炉房，在草皮地下加装暖器设施、资金耗费量和工程的浩大程度均非常可观，不但需消耗大量能源进行供热，而且日常的维护费用也很高昂。且供热锅炉排放的烟气对城市生活空间亦造成直接污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更为安全，高效、节能、没有污染，应用新型地热能源满足北方冬季雪后马路不结冰，草坪常青的包括分体式重力地热管的路坪，同时，其安装使用均很方便，且工作寿命长。

本发明的目的是这样实现的：本发明的包括分体式重力地热管的路坪，包括埋设在马路地面或草皮下方土地层中的分体式重力地热管，分体式重力地热管的数量为1-3个/米²，分体式重力地热管的顶端离路表面30-50mm。该分体式重力地热管包括埋设在马路地面、草皮下方土地层中的冷凝器及蒸发器，所述的分体式重力地热管在工作时呈负压状态，视其安装数量的不同而呈正多边形均匀排列组合而成，所述冷凝器位于地表以下，同样呈正多边形均匀排列，所述的蒸发器位于分体式重力地热管的下方中央位置、土地层的3米深处，它通过焊接在蒸发器顶部并与其内腔连通的导汽管与冷凝器顶部相连通，在该冷凝器的底部，则通过回液管穿入并延伸到蒸发器的底部。

采用分体式重力地热管，在冬季它能把地层深处的热能迅速导向地表，使地表土地层温度逐步提高，使之趋于平恒，因此不再产生冻土层。由于土地导热系数0.8～1.15m.k，混凝土导热系数0.814～1.745W/m.k，冰雪导热系数0.015W/m.k，水导热系数0.58W/m.k，干燥枯草叶导热系数为0.12～0.14W/m.k，在冬季下雪后，由于积雪覆盖，马路和草皮表面不再与冷空气直接接触，且土地层导热系数，路面导热系数，枯草导热系数均高于冰雪的导热系数，使其表面温度高于冰雪温度而使冰雪融化，从而达到路面雪后不结冰，草坪不枯死的目的。该技术不再需要另造锅炉房和安装地下暖通设施而进行的大量土方工程，分体式重力地热管为半永久性产品，安装完毕后不再需要日常维护，而地热能量取之不尽，且在使用过程中没有任何污染物排放，为绝对零污染，属高洁净能源。在冬季过后，随着气温的升高，地表温度高于地下温度时，分体式重力地热管的冷凝器温度高于蒸发器温度、分体式重力地热管停止工作，此时地表温度通过分体式重力地热管的紫铜金属管壳又逐步传导入地下，使地下土地蓄热温度提高，以供冬季需求。经检索国内外资料，目前尚未发现，更高效，节能、安全、方便、更适合冬季防止路面结冰，能使草坪长青的换热技术。

附图说明

图1是本发明包括分体式重力地热管路坪的安装示意图

图2是本发明分体式重力地热管的整体结构图

图3是本发明分体式重力地热管的蒸发器结构剖视图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的实施例结构请参阅图1、2：它包括马路面1，雨箅子下水口2、马路牙子3、草坪4、分体式重力地热管5及土地层6。该分体式重力地热管5包括埋设在马路地面、草皮下方土地层6中的冷凝器7及蒸发器14，所述的分体式重力地热管5在工作时呈负压状态，在本实施例中的数目为3个，呈等边三角形均匀排列组合而成。所述冷凝器7位于地表以下，同样呈等边三角形均匀排列，所述的蒸发器14位于分体式重力地热管5的下方中央位置、土地层6的3米深处，它通过焊接在蒸发器14顶部并与其内腔连通的导汽管12与冷凝器7顶部相连通，在该冷凝器7的底部，则通过回液管13穿入并延伸到蒸发器14的底部。

如图2所示：所述的冷凝器7包括冷凝器上密封端盖8、冷凝器齿状外管壳9、真空冷凝器腔10、冷凝器下密封碗状集液端盖11，其中所述冷凝器上密封端盖8处于最上端，与顶部或侧部焊接有导汽管12的冷凝器齿状外管壳9和其下部中央焊接有回液管13的冷凝器下密封碗状集液端盖11组成密闭腔体，该腔体为真空冷凝器腔10。

从图3中可以看出：所述的蒸发器14包括真空口保护套15、蒸发器上密封端盖16、蒸发器齿状外管壳17、蒸发器真空腔18、热媒体酒精19、内置热管溢流口20、内置热管21、内置热管回液孔22、蒸发器下密封端盖23和真空抽取封闭口24，其中，在所述的蒸发器14上部中央焊接有3根导汽管12，其外围焊接的3根回液管13穿过蒸发器上密封端盖16，并延伸到蒸发器14的底部，在蒸发器齿状外管壳17内焊接有内置热管21，下部中央焊接有真空抽取封闭口24，由上密封端盖16、齿状外管壳17与蒸发器下密封端盖23组成密封腔体，在该密封腔内直至内置热管21顶部充满热媒体酒精19，而热媒体酒精19的上方至蒸发器上密封端盖16的下方为蒸发器真空腔18，所述真空口保护套15固定在蒸发器14最下端，位于真空抽取封闭口23的外部。

所述的内置热管21的上下端采用翻边工艺制作，以保证处于蒸发器14内部中央，在上翻边园周均匀开有数个内置热管溢流口20，在下端翻边根部按园周均分有6个φ4mm园孔，为回液孔22，其管壁厚为0.5～1mm，总长度是蒸发器14高度的2/3，该内置热管21外壁与蒸发器齿状外管壳17的内壁间隙为1～4mm。

所述的导热媒体酒精19的注入量比内置热管21高10mm，受热发生环缝两相流沸腾，内置热管21内为单相液体热媒体酒精19，产生的密度差使热媒体酒精19自动循环。

所述的导液管13，位于蒸发器14内部，处于内置热管21内，并延伸到下部回液孔22上方，从冷凝器7放热后凝结的酒精液体经导汽管13至蒸发器14内产生的回液落差加速热媒体酒精19的循环。

所述的导汽管12上升的最高点至冷凝器7的连接点应有5°下倾角，从而使导汽管产生的冷凝液不发生回流，而回液管13至蒸发器14的连接段在安装夯实过程中不应出现S形弯曲以造成U型水封。

所述的冷凝器7、导汽管12、回液管13、蒸发器14、内置热管21及真空抽取封闭口24的使用材料为所述热媒体酒精19的亲体材料紫铜管材，且冷凝器外管壳9、蒸发器齿状外管壳17均采用齿状结构，冷凝器7的长度等于冻土层厚度。

在此分体式重力地热管5中的导汽管12为独立蒸汽通道，回液管13为单独冷凝回液通道，因此蒸汽上升和冷凝液回落各行其路，不会产生携带极限。遇热时、蒸发器齿状外管壳17内壁与内置热管21外壁之间环缝中的热媒体酒精19得到加热，迅速达到饱和沸腾，环缝里形成汽一液两相流，汽一液两相流在环缝里发展到内置热管顶部时开始分离，蒸汽沿导汽管12继续上升到冷凝器7释放能量，分离的液体经内置热管溢流口20流入内置热管21内部。而冷凝液经导液管13流回蒸发器内置热管21内部下方，产生的落差将加速热媒体酒精19的流动。在此环缝内蒸汽和酒精液体两相(气相、液相)流与内置热管21内部的热媒体酒精19单相流密度差导致内置热管21内的热媒体酒精19流体经其底部回流孔22流入环缝构成两相流循环过程，致使分体式重力地热管5比整支结构无内置热管的重力热管传热系数提高1～2倍。

经测定北京地区冬季冻土层厚度约为0.3米左右，因此蒸发器7的高度应与冻土层厚度相同，测量地表面下3米土地层6温度一般在4～7℃之间(不同地点、不同位置、不同地理结构、地温各不相同)。因此热媒体的选择应具备工作稳定且具有较低的工作温度范围，同时考虑污染价格等因素，分体式重力地热管5工作热媒体选用酒精含量在95％以上的医用酒精作为热媒体酒精19，其稳定工作温度范围为0～130℃。根据热媒体酒精19选择与其相容的材料铜，使工作中不发生水解反应，不会产生不凝性气体H₂而影响分体式重力地热管5的换热效果，因此选择δ1mm紫铜管材作为地热装置的管壳材料，它具有较高的导热系数，为384W/m.k。

分体式重力地热管5在冬季的防冻能力，取决于其换热量，在工程制造设计中一般首先计算冷凝器7的换热量和换热面积，再计算蒸发器14的换热面积。为简化计算、可应用研究试验的经验公式：Q＝πh²kw/m²(其中：Q为换热量、单位为kw；h为两支冷凝器之间的距离、单位为m)来计算冷凝器7的换热量。已知酒精蒸汽凝结时对流放热系数α酒为500～2000w/m².℃(计算中一般取中值)，设定酒精蒸汽进入冷凝器7与凝结酒精液体流出冷凝器7的温差Δt(经验取Δt为2～4℃)后，可按平板热交换器公式计算出冷凝器7的换热面积。一般蒸发器与冷凝器工作中换热量相等，换热面积也相同。由此分体式重力地热管5的蒸发器14换热面积＝b×冷凝器7换热面积×3(b为工程修正系数，一般取1.2)。

在本发明中，冷凝器7和蒸发器14的外壁均采用齿状管壳式结构，不但增大了换热面积，而且亦增加了自身的机械强度。其整体设计新颖、制造简便、结构合理紧凑、且高效节能安全、组合应用也十分灵活方便。

在施工中，当马路面1基础施工完毕后，再按设计位置、深度进行开槽钻孔后，再装入分体式重力地热管5，在蒸发器14上部缠绕高50mm泡沫塑料堵塞洞口再回填土，此须保证导汽管上升的最高点至冷凝器7的连接处有5°下倾角，使导汽管产生的冷凝液不发生回流。而回液管至蒸发器14的连接段，不应出现S形弯曲造成的U型水封弯发生存液降压，适度夯实后再进行水泥，沥青式地砖铺设。作为草坪应在地平整完毕后，亦按上述工艺按装分体式重力地热管5，平整后再植草皮。作为足球场地，冬季为保护草坪，在没有赛事活动时应设置覆盖膜，使草不直接触冷空气。

在本实施例中所使用的铜材，按设计要求下料，在焊接前应先进行除污染洗，可采用体积比各为58％的磷酸和硝酸混合液来进行处理，处理后进行清水清洗，干燥后按工艺分步进行焊接，对蒸发器14、冷凝器7应单独进行打压检验无漏，组装焊接完毕后应整体浸入水中由真空抽取封闭口24再次进行打压检验，一般为4～6个大气压，加压时间不小于4小时，确保无漏点后再整体进行超声波清洗。干燥后用注射器从真空抽取封闭口24进行热媒体酒精19的注入，注入量可按体积公式进行计算，考虑到真空抽取等因素的蒸发量，注入量应比内置热管21长度高10mm，注入完毕，真空抽取口24盖上塑料盖向上，垂直放置2～4小时，利用热媒体酒精19本身的重力，使其逐步落实到底部(冷凝器7的冷凝器上密封端盖8的下方)使其不出现气堵影响抽取真空度。同时室温下酒精的蒸发亦可排出一部分空气，更有利于真空的抽取。此后再连接真空泵进行真空抽取操作。此时先打开真空泵镇气阀，再开启真空泵，在室温下抽取3～4分钟(蒸发器外径小于φ40mm)，然后将冷凝器7浸入0℃左右的冷水中，浸入深度应以淹没冷凝器7为准、关闭真空泵镇气阀，再抽取3分钟，使真空度达到6×10^-2帕，同时应看到冷凝器7四周有明显冰冻，最后对真空抽取口24进行压力封口、切断、焊接。关闭真空泵。

对所制成的每支分体式重力地热管5必须进行检验。可先采用听声法来初步判定其质量的好坏。用手握住蒸发器14、垂直上下窜动，如能听到管内有清脆的金属撞击声，说明管内具有较高的真空度，可初步判定为合格产品。无声响则说明管内有不凝性气体(如空气等)存在，为不合格产品。此后再对初步判定的合格产品进行热水检验，将蒸发器1 4段浸入热水中，浸入深度约为蒸发器长度的2/3～1/2，应能听到液珠对蒸发器上密封端盖8的撞击声，并能迅速传递热量，使冷凝器齿状外管壳9发热即可判定为合格产品。如没有热量传递或传热不明显可判定为不合格产品。

本发明分体式重力地热管有多种工作方式，下面通过一个实例来进行简单说明。

冬季来临，气温降低，地表温度地随之逐步向下降低，当传至冷凝器7，使其温度低于蒸发器14所处位置的温度时，蒸发器齿状外管壳17吸收地下土地层6的热量经管壁传给其内壁与内置热管21外壁之间环缝中的热媒体酒精19，使环缝内的热媒体酒精19首先被加热达到饱和并沸腾，随着输入热量的增加、环缝内形成汽一液两相流，在环缝内发到内置热管21顶部时，汽一液混合体开始分离，经内置热管溢流口20，液体流入内置热管21内部，而蒸汽继续上升，沿导汽管12上升进行冷凝器7，蒸汽携带的汽化潜热经冷凝器齿状外管壳9与周围地表土层换热，使地表层温度升高。失去汽化潜热的蒸汽在冷凝器齿状外管壳9内壁凝结成液珠，在重力作用下流入冷凝器碗状集液下密封端盖11上，经回液管13流回落入内置热管21内部，再经内置热管回液孔22进入环缝，再次进行加热，如此不断反复循环，使地表温度与地下温度逐步趋于平恒。冬季下雪天，由于积雪覆盖。马路和草皮表面不再与冷空气直接接触，据前文所述，路面导热系数和草坪导热系数均高于冰雪的导热系数，使其表面温度高于冰雪温度，随着地表温度升高使冰雪逐步融化，而达到雪后路面不结冰，草坪不枯死。冬季过后随着气温的升高，当地表温度等于地下温度时，冷凝器7与蒸发器14处于热平恒状态，分体式重力地热管5停止工作。当地表温度高于地下土地温度时，地表热量通过分体式重力地热管5的紫铜金属管壳又逐步传导入地下，使土地层蓄热量提高，以供冬季需求。

在这里，由于环缝内是酒精蒸汽和酒精液体两相流，内置热管21内部为酒精液单相流，因此产生了密度差，该密度差导致内置热管21内的流体从其底部的内置热管回液孔22流向环缝。同时由冷凝器7凝结的冷凝液经回液管13流回蒸发器14，其间具有2米以上的落差，该落差更加速了热媒体酒精19的流动速度，因而进一步提高换热效果。

在本发明中，由于分体式重力地热管5工作中呈现负压状态，不会出现炸裂，其管壳材料亦可采用热媒体酒精19的其它亲体材料如不锈钢等制作，其制造所使用的材料均可从市售购得。整套分体式重力地热管5的制造工艺比较成熟且不复杂，一般具有机加工能力的单位均可进行生产。

根据不同的条件和状态，本专业领域的技术人员，可以作出多种变化和选择，以下仅举本发明可供选择的情况之一：

冷凝器可以单支或多支设置，导汽管可用一根从导汽管顶部分叉与冷凝器连接。根据不同的地质情况，制造出不同的功率的分体式重力地热管，且可设制造出不同高低，粗细及各种外形的分体式重力地热管。亦可用于飞机场机坪，平原取暖或温室塑料大棚等其它场合。

Claims (10)

1、一种包括分体式重力地热管的路坪，其特征在于包括埋设在马路地面或草皮下方土地层中的分体式重力地热管，分体式重力地热管的数量为1-3个/米²，分体式重力地热管的顶端离路表面30-50mm。

2、根据权利要求1所述的包括分体式重力地热管的路坪，其特征在于：该分体式重力地热管(5)包括埋设在马路地面、草皮下方土地层(6)中的冷凝器(7)及蒸发器(14)，所述的分体式重力地热管(5)在工作时呈负压状态，视其安装数量的不同而呈正多边形均匀排列组合而成，所述冷凝器(7)位于地表以下，同样呈正多边形均匀排列，所述的蒸发器(14)位于分体式重力地热管(5)的下方中央位置、土地层(6)的3米深处，它通过焊接在蒸发器(14)顶部并与其内腔连通的导汽管(12)与冷凝器(7)顶部相连通，在该冷凝器(7)的底部，则通过回液管(13)穿入并延伸到蒸发器(14)的底部。

3、根据权利要求2所述的分体式重力地热管，其特征在于：所述的冷凝器(7)包括冷凝器上密封端盖(8)、冷凝器齿状外管壳(9)、真空冷凝器腔(10)、冷凝器下密封碗状集液端盖(11)，其中所述冷凝器上密封端盖(8)处于最上端，与顶部或侧部焊接有导汽管(12)的冷凝器齿状外管壳(9)和其下部中央焊接有回液管(13)的冷凝器下密封碗状集液端盖(11)组成密闭腔体，该腔体为真空冷凝器腔(10)，所述的冷凝器(7)的数目为3个，呈等边三角形均匀排列。

4、根据权利要求2所述的分体式重力地热管，其特征在于：所述的蒸发器(14)包括真空口保护套(15)、蒸发器上密封端盖(16)、蒸发器齿状外管壳(17)、蒸发器真空腔(18)、热媒体酒精(19)、内置热管溢流口(20)、内置热管(21)、内置热管回液孔(22)、蒸发器下密封端盖(23)和真空抽取封闭口(24)，其中，在所述的蒸发器(14)上部中央焊接有数根导汽管(12)，其外围焊接的数根回液管(13)穿过蒸发器上密封端盖(16)，并延伸到蒸发器(14)的底部，在蒸发器齿状外管壳(17)内焊接有内置热管(21)，下部中央焊接有真空抽取封闭口(24)，由上密封端盖(16)、齿状外管壳(17)与蒸发器下密封端盖(23)组成密封腔体，在该密封腔内直至内置热管(21)顶部充满热媒体酒精(19)，而热媒体酒精(19)的上方至蒸发器上密封端盖(16)的下方为蒸发器真空腔(18)，所述真空口保护套(15)固定在蒸发器(14)最下端，位于真空抽取封闭口(23)的外部。

5、根据权利要求2所述的分体式重力地热管，其特征在于：所述的内置热管(21)为翻式结构，在上翻边园周均匀开有数个内置热管溢流口(20)，在下端翻边根部按园周均分有6个φ4mm园孔，为回液孔(22)，其管壁厚为0.5～1mm，总长度是蒸发器(14)高度的2/3，该内置热管(21)外壁与蒸发器齿状外管壳(17)的内壁间隙为1～4mm。

6、根据权利要求4所述的分体式重力地热管，其特征在于：所述的导液管(13)位于蒸发器(14)内部，处于内置热管(21)内，并延伸到下部回液孔(22)上方，从冷凝器(7)放热后凝结的酒精液体经导汽管(13)至蒸发器(14)内产生的回液落差可以加速热媒体酒精(19)的循环。

7、根据权利要求1至6中任意一个所述的分体式重力地热管，其特征在于：所述的导汽管(12)上升的最高点至冷凝器(7)的连接点应有5°下倾角，而回液管(13)至蒸发器(14)的连接段在安装夯实过程中不应出现S形弯曲。

8、根据权利要求1至6中任意一个所述的分体式重力地热管，其特征在于：所述的冷凝器(7)、导汽管(12)、回液管(13)、蒸发器(14)、内置热管(21)及真空抽取封闭口(24)的使用材料为所述热媒体酒精(19)的亲体材料紫铜管材，且冷凝器外管壳(9)、蒸发器齿状外管壳(17)均采用齿状结构，冷凝器(7)的长度等于冻土层厚度。

9、根据权利要求8所述的分体式重力地热管，其特征在于：所述的冷凝器齿状外管壳(9)、导汽管(12)、回液管(13)、蒸发器齿状外管壳(14)及内置热管(21)，在焊接前采用体积比各为50％的磷酸和硝酸混合液进行化学除锈、除油污清洗，整体焊接完毕，打压检验后整体进行超声波清洗。

10、根据权利要求1至6中任意一个所述的分体式重力地热管，其特征在于：在蒸发器(14)注入热媒体酒精(19)的操作过程为：先注入热媒体酒精(19)，真空抽取封闭口(24)盖上塑料盖，垂直放置2～4小时，再连接真空泵，打开真空泵镇气阀，抽取3～4分钟，将冷凝器(7)浸入0℃左右的冷水中，浸入深度应淹没冷凝器(7)，再抽取3分钟，冷凝器(7)外周围结冰，且真空度达到6×10^-2帕，对真空抽取封闭口(24)进行压力封口、剪断、焊接，关闭真空泵。

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