CN205980885U - 一种超长柔性热管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及超长柔性热管，由超长柔性管材(2)制成，结构自上往下分为冷凝段(6)、绝热段(7)和蒸发段(取热端)(8)三部分；蒸发段(8)内衬吸液芯(3)，且每隔一段距离焊装一个储液器(4)；热管内充装传热工质(5)。将超长柔性热管蒸发段(8)和绝热段(7)竖直埋在路基(12)下方的钻孔(13)中，钻孔(13)中填满回填材料(14)，冷凝段(6)弯折后布置在路基(12)中；在温差作用下，热管内部传热工质(5)自发进行蒸发‑上升‑冷凝‑回流的循环，汲取地热加热路基，使路面温度保持在零度以上，从而融雪除冰。基于本实用新型构建的地热融雪除冰系统运行周期内无需消耗能源动力，无需维护，可全天候自发运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及超长柔性热管，属于地热利用和低温热管应用技术领域。
技术背景
冬季，特别是寒冷地区，气温长时间处于零度以下，降雪后道路易形成积雪或结冰，路面湿滑，严重妨碍正常的交通运行，特别是坡道、交叉路口、机场、桥梁等路面的积雪结冰，给人们的出行带来极大的安全隐患。
传统的融雪除冰方法有清除法和融化法两种。清除法是采用人工或机械设备对积雪和结冰进行清除，人工除雪效率极低，大型除雪设备的运行成本高昂，作业中不可避免地会导致交通中断，同时，机械较难彻底清除路面结冰。融化法包括化学融化和热融法两种。其中，化学融化是在雪后的路面喷洒融雪剂(NaCl、CaCl2、MgCl2、KCH3COO)等，利用盐水混合降低冰雪的熔点使积雪融化，该方法成本低、效果较好，但会给土壤造成严重的污染，加快混凝土内部钢结构的腐蚀。此外，上述几种方法均需在降雪后进行，显然不适用于军用机场跑道、医院紧急入口等需要全天候不间断运行的特殊道路。
热融法采用加热的方式融雪化冰，可全天候满足道路的融雪要求，目前主要有电缆/碳纤维加热、导电混凝土加热和循环热流体加热等。北京中企卓创科技发展有限公司在公开号为CN104863036A的专利中提出采用碳纤维或电缆加热机场路面融雪化冰，该类方法直接将电能转换为热能，能耗较大，经济性差。哈尔滨理大晟源科技开发有限公司的张荣海在公开号为CN103669163A的专利中提出利用地下换热器和循环泵取地热，通过热流体循环加热路面达到融雪化冰的目的；重庆交通大学赵宁雨等在公开号为CN104594156A的专利中提出以地热为热源，采用热泵加热流体，再通过管道循环加热道路的方法来融雪化冰。上述两种方法均采用地热循环加热流体的方式来融雪，能耗较低，但循环泵、热泵等设备的使用，增加了系统的复杂性，运行可靠性降低。
基于热管的地热融雪除冰系统，不存在环境污染的问题，且无需任何外加能源动力即可自行运行，是公认的最具发展前景和可持续性的技术。在公开号为CN104404854A、CN201933383U、CN201047050Y等专利中，发明人提出了几种采用热管取地热融雪化冰的方法。然而，土壤恒温层一般在地表20m以下，取地热所用热管通常需具备超长结构(40m以上)，管内蒸汽向上流动与冷凝液向下回流的沿程阻力随之增大，不利于工质蒸发-冷凝循环过程。其次，该类热管工质的充液量大，蒸发段液池液位较高，液池底部的液体静压力会极大地提高工质的局部饱和温度(即相变温度)，降低热管的启动性能，抑制蒸发段的高效蒸发传热，进而影响热管的整体传热性能。
下面以总长90m的氨热管为例，计算分析液体静压力对超长热管工质液池底部饱和温度的影响。设该热管布置于恒温层为15℃左右的土壤地区，工质氨静置时蒸发段液池高30m，假定其正常运行时工作温度接近15℃，即液池液面处饱和温度为15℃。已知温度15℃条件下，液氨密度ρL为616.7kg/m3，饱和蒸汽密度ρV为6.44kg/m3，饱和蒸汽压Ps为7.26×105Pa，表面张力σl为0.0225N/m，汽化潜热hfg为1.208×106J/kg，则液池底部液体静压力为：
PL＝ρLgh＝616.7×9.81×30＝1.815×105Pa
总压力为：
该压力下氨对应的饱和温度为21.9℃。
氨工质该条件下形成沸腾所需过热度约为：
故该热管蒸发段底部产生沸腾所需加热温度高达：
Tb＝Ts+△T＝21.9+0.1＝22℃
显然，在温度为15℃的土壤恒温层中该热管蒸发段下部分将难以形成稳定的沸腾工况。
此外，取地热热管的超长结构还会带来成本高、运输和安装不便等诸多问题，土壤对金属管壳的腐蚀还会大大缩短其使用寿命。而现有专利中均未提及解决上述难题的措施和实施方案，因此，目前基于热管的地热融雪方法较难进行大面积的推广应用。
发明内容
本实用新型的目的是为解决现有融雪除冰技术存在的成本、效率、污染、安装、运输等问题而提出了一种超长柔性热管，利用超长柔性热管汲取地热，自发主动全天候地进行道路、桥梁、飞机跑道等区域的融雪化冰。其次，本发明还可以拓展应用于寒冷地区大棚蔬菜种植、室内取暖等地热直接利用场合，或结合到地源热泵系统中。
本实用新型的技术方案为：一种超长柔性热管1，其特征在于整体管壳由超长柔性管材2制成，结构自上往下分为冷凝段(放热端)6、绝热段7和蒸发段(取热端)8三部分；其中蒸发段8内衬吸液芯3，且每隔一段距离焊装一个储液器4，而冷凝段6和绝热段7均未装吸液芯3和储液器4；热管内充装传热工质5。
优选超长柔性热管1的外径为10～40mm，总长为40～150m；绝热段7长度为10～20m；冷凝段6与蒸发段8长度比为1/2～1/10；内衬吸液芯3的厚度为1～2mm；优选蒸发段8每隔1～2m焊装一个储液器4。
优选超长柔性管材2为柔性复合材质，可盘卷成直径1～3m的圈；优选超长柔性管材2由外层导热高分子材料9与内层金属薄膜11经热熔胶10粘结而成；其中所述的导热高分子材料9的热导率为1.0～1.5W/(m·K)，一般以塑料或橡胶为基体，填充或交联导热填料制成；所述的内层金属薄膜11为铝、铜或钢，其延展性较好，优选内层金属薄膜11的厚度0.1～0.3mm。
优选热管内充装传热工质5为二元不互溶工质对；优选工质对为氨与异丁烷、氨与正丁烷、甲醇与正丁烷或水与异丁烷；两者的质量比为1/4～4/1。利用不互溶双液共存系统沸点恒低于任一纯组分沸点的特性，强化热管的启动性能，促进工质的蒸发-冷凝相变循环。
优选热管内充装传热工质5的体积为蒸发段8内部空间的40％～80％。
优选上述的储液器4的材质与超长柔性管材2相同，上部为锥形变径接头，下部是内径较大管壳，其内部套装与超长柔性管材2等径的接管，形成袋状贮液池，所述储液器4同样内衬吸液芯3。优选上部锥形变径接头长为20～40mm，下部为内径较大管壳，其外径为30～50mm，长为40～60mm，其内部套装与超长柔性管材2等径的接管，形成袋状贮液池；等径接管总长为50～80mm，贮液池高为30～50mm，结构见图3。
所述超长柔性热管可采用直线、环路或枝状等多种结构形式。
本实用新型还提供了利用上述的超长柔性热管的地热融雪除冰方法，其具体步骤为：将超长柔性热管蒸发段8和绝热段7竖直埋在路基12下方的钻孔13中，钻孔13中填满回填材料14，冷凝段6弯折后以1％～5％的斜率布置在路基12中；冬季，在温差作用下，热管内部传热工质5自发进行蒸发-上升-冷凝-回流的循环，汲取地热加热路基，使路面温度保持在零度以上，从而融雪除冰。
优选上述地热融雪除冰方法中，钻孔13内回填材料14分两层，下部回填材料具有导热特性，热导率在1.8～2.3W/(m·K)，为原浆、膨润土、细沙、水泥或上述材料的配比混合物，采用压力灌浆法回填，使其向周围土壤渗透，增大钻孔13的热影响区，提高取热性能；而钻孔13近地面区域，即绝热段7区域，采用具有绝热特性的材料回填，如原浆或膨润土与无机保温填料(膨胀珍珠岩、硅酸钙、发泡水泥、岩棉或矿棉)的配比混合物，热导率在0.1～0.3W/(m·K)，以减少取热过程的热量损失，提高系统整体效率。此外，回填材料14务必夯实，避免地表水通过钻孔13向下渗透污染地下水。
所述超长柔性热管1，利用蒸发段8内衬吸液芯3的毛细抽力均布工质，配合加装的储液器4可防止工质5在热管底部形成较高的液池，避免液体静压力带来的不良影响；其次，冷凝段6和绝热段7内不加装吸液芯，可降低冷凝热阻和冷凝液的回流阻力。
所述超长柔性热管1，具有较高的挠度，可盘卷成直径1～3m的圈，便于运输和安装布置；外层导热高分子材料9良好的力学性能确保了热管管壳的耐压性，内层金属薄膜11可提高热管的气密性和相容性，防止内部工质5的泄漏和腐蚀管材；此外，外层高分子材料9固有的耐腐蚀特性，使热管能够应对复杂环境下的土壤腐蚀，极大增加热管的运行周期。
本实用新型的工作原理如下：
冬季道路积雪结冰，路面温度较低，但土壤深处(一般大于10m)恒温层温度较高(接近当地年平均气温)，在温差推动下，超长柔性热管1内部工质5自发稳定地将通过相变流动循环将地热传输至路面。热量传输路径如下：首先地热通过热传导作用从土壤传递给钻孔13内的回填材料14，再由热管蒸发段8管材传导至其内部工质5，均布在吸液芯3中的工质8通过表面蒸发或核态沸腾将显热转化为潜热，然后工质蒸汽在压差作用下向上流动，将潜热携带至路基12中的冷凝段6通过冷凝过程释放，释放的热量经管材和路基12的传导作用到达路面，最后冷凝液在重力作用下回流至蒸发段8重新吸热，完成相变流动循环。依托上述循环热管可自发地汲取地热加热路基，使冬季路面温度保持在零度以上，从而融雪除冰。
对于在具体结构、材质、布置形式、应用场合等进行适当改动，但基本原理与本发明一致的，也落在本发明的保护范围之内。例如，热管布置形式稍作改变(图8-10)，热管结构改为环路(图10)、枝状(图11)等，应用场合改为大棚蔬菜种植、室内取暖、地热热泵系统等。
有益效果：
超长柔性热管1管壳可直接通过挤压成型，工艺成熟、耐腐蚀性好、可靠性高；超长柔性热管1蒸发段储液器4与吸液芯3的配合使用，避免了液池液体静压力带来的不良影响；超长柔性热管1充装二元不相溶工质对，可降低工质的饱和温度，增强其启动性能，促进相变流动循环；超长柔性热管1具有挠度，可盘卷成圈，运输方便，同时安装布置灵活；基于本发明构建的地热融雪除冰系统运行周期内无需消耗能源动力，无需维护，可全天候自发运行。
附图说明
图1为本实用新型所述超长柔性热管的结构示意图。
图2为图1所述超长柔性热管冷凝段与绝热段的竖直截面示意图。
图2’为图1所述超长柔性热管蒸发段的竖直截面示意图。
图3为储液器的竖直截面示意图。
图4为实施例2所述超长柔性热管冷凝段呈放射状布置的地热融雪除冰方法的立体布置图。
图5为图4所述地热融雪除冰方法的俯视图。
图6为图4所述地热融雪除冰方法的钻孔竖直截面示意图。
图7为图4所述地热融雪除冰方法的钻孔水平截面示意图。
图8为实施例3所述超长柔性热管冷凝段平行布置的地热融雪除冰方法的立体布置图。
图9为图8所述地热融雪除冰方法的俯视图。
图10为实施例4环路超长柔性热管的地热融雪除冰方法立体布置图。
图11为实施例5枝状超长柔性热管的结构示意图。
其中：1-超长柔性热管，2-超长柔性管材，3-吸液芯，4-储液器，5-工质，6-冷凝段，7-绝热段，8-蒸发段，9-外层导热高分子材料，10-热熔胶，11-内层金属薄膜，12-路基，13-钻孔，14-回填材料，15-卡箍。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明，但并不因此限制此发明的适用范围。
实施例1
本发明所述的一种超长柔性热管结构如图1所示，应用于机场跑道进行冬季的融雪除冰。超长柔性热管1整体管壳由超长柔性管材2制成，结构自上往下分为冷凝段(放热端)6、绝热段7和蒸发段(取热端)8三部分；蒸发段8内衬吸液芯3，同时，蒸发段每隔一段距离焊装一个储液器4，而冷凝段6和绝热段7均未安装吸液芯3和储液器4；热管内充装传热工质5。所述超长柔性热管1的蒸发段8和绝热段7竖直埋在路基12下方的钻孔13中，钻孔13内填满回填材料14，冷凝段6弯折后以一定斜率布置在路基12中。
冬季，在温差作用下，热管内部传热工质5自发进行蒸发-上升-冷凝-回流的循环，汲取地热加热路基，使路面温度保持在零度以上，从而融雪除冰。
实施例2
如实施例1所述的一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法，采用图4～图5所示的冷凝段6为放射状的布置形式，超长柔性热管1总长55m，蒸发段8长40m，绝热段7为10m，冷凝段6为5m，外径25mm，内径21mm。超长柔性管材2以PPR为基体，石墨烯为导热填料制得，热导率1.5W/(m·K)，厚度为2mm，内衬0.1mm铝膜；蒸发段8内衬碳纤维吸液芯，厚度1mm；储液器4每隔2m加装一个，材质与超长柔性管材2相同，上部为锥形变径接头，长20mm，下部为Φ40×2mm管壳，长60mm，其内部套装超长柔性管材2的等径接管，形成袋状贮液池，等径接管总长50mm，贮液池高40mm，结构见图3，储液器4内衬吸液芯3；内部工质采用氨与异丁烷工质对(质量比4:1)，工质体积占蒸发段8内部空间的40％；钻孔13深50m，直径150mm，间距4.5m，钻孔13下部采用水泥、膨润土和细沙的配比混合物回填，质量比1:2:2，热导率2.3W/(m·K)，而钻孔13近地表区域采用膨润土与发泡水泥的混合物填充，质量比1:1，热导率0.3W/(m·K)，并且钻孔13口以混凝土封死；每个钻孔13内布置三根热管，通过卡箍15固定，见图5；热管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率为2％，见图6。
在空气温度为-8℃，6级风条件下，单根热管传输功率约0.5kW，地表温度保持在0.5℃以上。
实施例3
如实施例1所述的一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法，采用图8～图9所示的并列布置形式，超长柔性热管1总长70m，蒸发段8长40m，绝热段7为10m，冷凝段6为20m，外径32mm，内径28mm。超长柔性管材2以ABS为基体，氧化铝为导热填料制得，热导率1.0W/(m·K)，厚度为2mm，内衬0.2mm铝膜；蒸发段8内衬不锈钢金属丝网吸液芯，厚度2mm；储液器4每隔1m加装一个，材质与超长柔性管材2相同，上部为锥形变径接头，长40mm，下部为Φ50×2mm管壳，长60mm，其内部套装超长柔性管材2的等径接管，形成袋状贮液池，等径接管总长80mm，贮液池高50mm，结构见图3，储液器4内衬吸液芯3；内部工质采用氨与正丁烷工质对(质量比1:4)，工质体积占蒸发段8内部空间的80％；钻孔13深50m，直径180mm，间距6m，钻孔13下部采用水泥、膨润土和细沙的配比混合物回填，质量比1:2:1，热导率1.8W/(m·K)，而钻孔13近地表区域采用采用水泥与膨胀珍珠岩的混合物填充，质量比1.5:1，热导率0.1W/(m·K)，并且钻孔13口以混凝土封死；每个钻孔13内布置三根热管，通过卡箍15固定，见图7；热管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率为0.5％。
在空气温度为-8℃，6级风条件下，单根热管传输功率约1.5kW，地表温度保持在1.5℃以上。
实施例4
如实施例1所述的一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法，采用图10所示的环路超长柔性热管结构，超长柔性热管1总长150m，蒸发段8长90m，绝热段7为20m，冷凝段6为40m，外径25mm，内径21mm。超长柔性管材2以PB为基体，碳化硅为导热填料制得，热导率1.1W/(m·K)，厚度为2mm，内衬0.1mm钢膜；蒸发段8内衬碳纤维吸液芯，厚度1mm；储液器4每隔2m加装一个，材质与超长柔性管材2相同，上部为锥形变径接头，长30mm，下部为Φ40×2mm管壳，长40mm，其内部套装超长柔性管材2的等径接管，形成袋状贮液池，等径接管总长50mm，贮液池高30mm，结构见图3，储液器4内衬吸液芯3；内部工质采用水与异丁烷工质对(质量比1:1)，工质体积占蒸发段8内部空间的60％；钻孔13深55m，直径150mm，间距5m，钻孔13下部采用水泥、原浆和细沙的配比混合物回填，质量比1:1:1，热导率2.0W/(m·K)，而钻孔13近地表区域采用膨润土与发泡水泥的混合物填充，质量比1:1，热导率0.3W/(m·K)，并且钻孔13口以混凝土封死；热管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率为1％。
在空气温度为-8℃，6级风条件下，单根热管传输功率约2.5kW，地表温度保持在2℃以上。
实施例5
如实施例1所述的一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法，采用图11所示的枝状超长柔性热管结构，超长柔性热管1总长70m，蒸发段8长40m，绝热段7为10m，冷凝段6四根枝管分别为5m，外径32mm，内径21mm。超长柔性管材2以硅橡胶为基体，氮化硼为导热填料制得，热导率1.2W/(m·K)，厚度为2mm，内衬0.1mm铝膜；蒸发段8内衬不锈钢金属丝网吸液芯，厚度2mm；储液器4每隔2m加装一个，材质与超长柔性管材2相同，上部为锥形变径接头，长20mm，下部为Φ50×2mm管壳，长50mm，其内部套装超长柔性管材2的等径接管，形成袋状贮液池，等径接管总长60mm，贮液池高35mm，结构见图3，储液器4内衬吸液芯3；内部工质采用氨与异丁烷工质对(质量比4:1)，工质体积占蒸发段8内部空间的60％；钻孔13深50m，直径100mm，间距4.5m，钻孔13下部采用水泥、膨润土和细沙的配比混合物回填，质量比1:2:1，热导率1.8W/(m·K)，而钻孔13近地表区域采用采用水泥与膨胀珍珠岩的混合物填充，质量比3:2，热导率0.1W/(m·K)，并且钻孔13口以混凝土封死；热管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率为2％。
在空气温度为-8℃，6级风条件下，单根热管传输功率约1.5kW，地表温度保持在1℃以上。
Claims (5)
1.一种超长柔性热管(1)，其特征在于整体管壳由超长柔性管材(2)制成，结构自上往下分为冷凝段(6)、绝热段(7)和蒸发段(8)三部分；其中蒸发段(8)内衬吸液芯(3)，且每隔一段距离焊装一个储液器(4)；热管内充装传热工质(5)。
2.根据权利要求1所述超长柔性热管，其特征在于其外径为10～40mm，总长为40～150m；绝热段(7)长度为10～20m；冷凝段(6)与蒸发段(8)长度比为1/2～1/10；内衬吸液芯(3)的厚度为1～2mm；蒸发段(8)每隔1～2m焊装一个储液器(4)。
3.根据权利要求1所述超长柔性热管，其特征在于超长柔性管材(2)由外层导热高分子材料(9)与内层金属薄膜(11)经热熔胶(10)粘结而成；所述的内层金属薄膜(11)为铝、铜或钢；厚度0.1～0.3mm。
4.根据权利要求1所述超长柔性热管，其特征在于热管内充装传热工质(5)的体积为蒸发段(8)内部空间的40％～80％。
5.根据权利要求1所述超长柔性热管，其特征在于所述储液器(4)材质与超长柔性管材(2)相同，上部为锥形变径接头，下部是内径较大管壳，其内部套装与超长柔性管材(2)等径的接管，形成袋状贮液池，储液器(4)内衬吸液芯(3)。
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