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3.8.1應用背景

日期：2022-01-07 09:11:17點擊：198

3.8.1應用背景
我國有著廣闊的永久凍土區域和季節凍土區域。永久凍土區，又稱多年凍土區，占我國國土面積的21.5%,而季節凍土區分布更為廣泛，占國土面積的53.5%。青藏鐵路經過的青藏高原，絕大部分為永久凍土區。凍土溫度一般在0~2℃之間，有的地段土層中含有冰。在永久凍土區或季節凍土區的表層隨著大氣溫度的變化，處于暖季融化,寒季凍結的狀態，故又稱融凍層或季節活動層。
為了加強青藏鐵路的基礎土層，應用熱管是一種有效的和有競爭力的技術方案，因而受到極大的重視。其工作原理是:將熱管的蒸發段深深地插入路基兩側的土層中，而帶翅片的熱管凝結段則暴露于空氣中，在寒季，當空氣溫度低于土壤溫度時，熱管蒸發段吸收周圍土壤中的熱量,通過管內介質的相變傳熱將熱量傳至熱管上部的凝結段，最后由凝結段的外表面傳給周圍的空氣。由于長時間的傳熱，熱管周圍的土壤溫度逐漸下降,并達到某一低溫水平，使周圍的土層凍結得更硬實，從而強化了土壤基礎；此外，在一年的暖季中，當空氣溫度髙于凍土中的土壤溫度時，熱管將自動地停止運行，這時，熱管上部空氣中的熱量將不會自動地通過相變傳熱傳給熱管下部的土壤，從而使土壤在寒季儲藏的冷量及達到的低溫效果得以保存。
由此可見，在凍土地帶應用的熱管是土壤和大氣之間的傳熱元件，它巧妙地利用土壤和大氣之間的溫差將土壤中的熱量傳給大氣，或者也可以說,將大氣在寒季中的冷量儲存在土壤中。因為這種傳熱過程或儲冷過程并不需要外加的能源，因而這一熱管的應用方案是節能而環保的，所以受到廣泛的歡迎和重視，該項技術最早的成功應用實例是在20

世紀70-80年代美國阿拉斯加輸油管線基礎上的應用，如圖3.8. 1所示。在我國已應用于青藏鐵路的某些地段中，如圖3.8.2所示。此外，在凍土地帶的公路、橋梁、電塔等工程中，都有廣泛的應用前景

圖3. 8. 1阿拉斯加輸油管線上的凍土熱管圖3. 8.2青藏鐵路上的凍土熱管

在凍土地帶應用的熱管都是碳鋼/氨熱管，即管內介質為氨(

)，管殼材料是碳鋼, 因為在這一溫度范圍內氨是最理想的低溫介質，而碳鋼與氨是化學相容的，可以保證熱管的工作壽命。氨在凍土地帶的低溫條件下有較高而適宜的工作壓力，

的飽和溫度和飽和壓力的對應關系特別適宜在-40 ~ +40℃范圍內工作

而其他相近的介質，如甲醇，丙酮等在0℃以下處于高真空狀態，這對熱管的運行極其不利。此外，氨的汽化潛熱等物性值都很優越，所以，氨是凍土熱管的首選介質。氨/鋼熱管的制造和應用需要解決的技術難題是：
(1) 氨介質純度的保證,要求純度大于99. 9% ；
(2) 鋼管內部防腐處理(可利用現有的碳鋼/水熱管的處理工藝)；
(3) 熱管的真空制備:抽空或排氣法的優選及施實；
(4) 工質的灌注和工質量的控制；
(5) 熱管制造質量和傳熱性能的判定；
(6) 熱管的外部防腐工藝及方法；
(7) 熱管的現場安裝及現場性能標定；
(8) 熱管的結構設計。
青藏鐵路應用的熱管，在現場試驗中所選用的熱管尺寸為:管徑為

或

, 熱管長為12 m,其中埋深8 m；在工程應用中實際采用的熱管元件尺寸為

,總長 7 m,埋深5 m,在2 m的凝結段中，翅片部分長度為1.4 m。在阿拉斯加輸油管線上應用的是直徑為50 mm的熱管，兩支熱管并列在一起插入裝滿了土壤的外部套管中，再將該套管深深地埋入輸油管附近的凍土層，將套管成對地布置在輸油管線的兩側，在強化凍土層的同時，還起到對輸油管的支撐作用，
為了掌握熱管埋設之后的傳熱效果或儲冷效果，即為了了解熱管周圍的土壤溫度隨

時間和地點的變化規律,一般有兩種研究方法，一是實驗法,尤其是現場試驗法，即在熱管周圍土壤的不同地點，預先埋設若干個測溫井.用以測量在不同時刻，不同地點處的土壤溫度;第二個方法是數值模擬法，即通過數值計算來確定任何時刻，任意地點的連續的土壤溫度場。本節將重點介紹數值模擬法，提出了物理模型和控制方程，在分析各項傳熱熱阻的基礎上，推導出與大氣氣溫相關聯的邊界條件，計算出了土壤溫度場的典型的變化規律，并對翅片管段的傳熱特點進行了分析和計算。

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