專利名稱：單向導熱裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及在多年凍土地區(qū)進行鐵路、公路和工程建筑建設中，有效地保護道路路基和建筑物基礎下部多年凍土，提高工程建筑穩(wěn)定性，以及在工程建筑中利用自然冷能進行冷卻降溫；或在寒冷地區(qū)利用暖季自然熱能，使其儲藏于地下滿足建筑物或目標體需要保持相對較高溫度的一種裝置。
背景技術：
我國多年凍土面積占國土面積的22.3％，在世界上占第三位，其中高海拔多年凍土面積居世界之最。人類活動易誘發(fā)凍土環(huán)境的變化，以工程技術因素導致的變化尤為劇烈。由于高海拔多年凍土地區(qū)往往坡度陡峭、地溫較高，在某種程度上它對全球變化響應更加敏感。觀測表明青藏高原多年凍土在過去30a間溫度升高了約0.2℃，凍土下界的高度正以160m/℃的趨勢上升，1951～1997年間，北方極端最低氣溫普遍上升5～10℃。隨著氣候的轉暖，我國多年凍土一直處于不斷退化的過程中，多年凍土含有厚度超過幾米至十幾米的厚層地下冰多處于極其脆弱的熱平衡狀態(tài)之下。人類工程活動的直接效應表現(xiàn)為路基下部多年凍土地溫的升高和嚴重退化，造成凍土地基的工程穩(wěn)定性下降，導致地基整體不均勻下沉，嚴重地破壞工程建筑，危害人類工程的正常使用。
寒區(qū)脆弱凍土、生態(tài)環(huán)境與人類積極工程活動的突出矛盾一直困擾著該類地區(qū)道路工程建設的順利進行，通過采取一些較為有效保護多年凍土的工程措施，使兩者協(xié)調發(fā)展，是解決這一矛盾的唯一途徑。為此世界各凍土大國的科學家不斷創(chuàng)新，為有效保護多年凍土、維持路基的長期穩(wěn)定一直進行著不懈地努力。俄國科學家應用聚合材料消除土質路基冷生變形、應用熱管降低土體溫度、使用熱改良形泡沫覆蓋保持地基土于凍結狀態(tài)、保證多年凍土熱穩(wěn)定器的研制和試驗等等，又如美國阿拉斯加交通科學報道的新式保護多年凍土的措施是將發(fā)卡熱管與保溫材料的組合放置于路堤的上部。均引起了世界同行的廣泛關注和興趣(見圖4)。該措施主要特點是利用熱管在保溫材料下部溫度高于上部溫度時開始工作，將下部熱量傳遞到上部，在相反溫度條件下則停止工作，阻止熱量的下傳，總體效果起到單向導熱的“熱二極管”的作用。但由于熱管埋置于路堤內部，一旦熱管中的工質發(fā)生泄漏，所導致熱管效能的喪失將無法修復。我國科學工作者立足國情，圍繞青藏鐵路國家重大工程項目，將已往在凍土區(qū)路基基礎等常用的以增加熱阻為手段的消極的保護凍土原則，改變?yōu)橐浴袄鋮s路基”為手段的積極的保護多年凍土原則，利用環(huán)境溫度變化的特征，調控路堤與外界的熱量傳遞與交換，來達到和增強多年凍土地溫場的穩(wěn)定，從而為提高工程建筑物的穩(wěn)定性提供可靠的保證。發(fā)明人申請的國家自然科學基金項目，中國科學院“西部之光——凍土工程中保護凍土溫控關鍵技術研究”，中國科學院知識創(chuàng)新工程的重大項目“青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環(huán)境效應”著重就解決上述問題開展了專題研究。在研究中，著眼于多年凍土區(qū)，設計了穩(wěn)定多年凍土地區(qū)工程建筑的一種單向導熱裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明基于上述思路和開展的專題研究，旨在提供一種具有單向導熱性能的裝置。將這種裝置水平埋設在路基中的一定位置，利用本裝置單向導熱的性能，在夏季外界環(huán)境溫度較高，熱量不斷傳入路基的過程中，本裝置可以有效阻擋這部分熱量的傳入。在冬季外界環(huán)境溫度較低，路基不斷放熱的過程中，通過傳導管中工質流動和對流換熱過程可以使該裝置處于導熱狀態(tài)，最終使路基下部的熱量得以釋放。由此路基在一年與外界熱量交換過程中，在熱量收支上使其放出的熱量大于吸收的熱量，并維持一定程度的凈放熱，由此不斷降低路基下部土體的溫度，使多年凍土和工程建筑的穩(wěn)定性建立在較高的水平上。由此也可有效避免季節(jié)活動的凍融循環(huán)所帶來的凍脹、融沉對路基穩(wěn)定性的影響。同時，通過該種措施也可以擴大其在需要利用自然冷能領域的應用，如自然冷庫、夏季用于避暑的冷房等等。
同理，如果單向導熱的方向指向下部的土體可以使自然界的熱能不斷富集于該裝置的下部土體中，滿足需要對土體不斷加熱方面應用的要求。
本發(fā)明的技術方案為一種單向導熱裝置，是由保溫材料、工質傳導管、金屬管組成。保溫材料可為聚苯乙烯(EPS)、或為聚氨脂(PU)、或為泡沫玻璃、或為注塑聚苯乙烯(XPS)；工質傳導管為PVC管、或為塑料管；金屬管為銅、鋁、鐵、不銹鋼管中的一種。工質傳導管內的工質為空氣、水、有機質液體中的一種，或幾種的組合。金屬管一端通過保溫材料的孔，一端呈瓣狀，瓣狀端與保溫材料相卡，并嵌套工質傳導管成環(huán)形管。金屬管位于環(huán)形管的一側，其管長小于保溫材料的厚度。
在實際應用中，可將環(huán)形管按一定的長度、一定的間隔平行排列，嵌套于保溫材料中，并埋設在路堤填土一定深度的位置處，或埋設在需要積蓄冷能建筑的表層土體。
在本裝置中，保溫材料的作用在于隔絕熱量向下的傳導；對流傳導管的作用在于當該裝置處于放熱狀態(tài)時提供工質流動和對流換熱的通道。現(xiàn)以該裝置水平埋設于土體中、單向導熱方向向上(放熱結構)、工質為空氣為例敘述其發(fā)明的原理。當該裝置處于下端放熱環(huán)境中時，由于金屬套管的導熱系數(shù)很高可以使傳導管中的兩個垂直管內的空氣處于不同的溫度環(huán)境下，由此導致兩個垂直管內空氣密度和重量的不同，管內的空氣在這種重力差的作用下會持續(xù)地循環(huán)流動。在流動過程中，工質在下端的水平傳導管中會不斷地從熱端吸收熱量，在上端水平傳導管中在冷端不斷地放出熱量，而使保溫材料上下端面進行熱量交換。而當裝置上下端的溫度相反時，金屬套管距離上頂面尚有一定距離，上端的溫度難以對金屬套管產生溫度上的影響，不會造成兩個垂直管內空氣的溫差。由于空氣流動的動力條件的消失管內空氣處于靜止狀態(tài)，同時也由于空氣的導熱系數(shù)非常低，因此該裝置整體處于隔熱狀態(tài)。由此可見針對保溫材料上下端面溫度的不同，該種裝置只對其中的一種狀況進行導熱，總體起到單向導熱的作用，使自然界的冷能不斷積聚在下部的土體中。反之，如果將該種裝置單向導熱方向倒置，也可以將自然界的熱能不斷積聚在下部的土體中。
本發(fā)明的優(yōu)點和產生的有益效果是1、本裝置以其單向導熱的特性，通過夏季阻擋熱量向路基下部的傳導，冬季促使熱量的放出，可以使自然界的冷能不斷積聚在路基的底部，通過對地溫的調控有效維持和增強下部多年凍土地溫場的穩(wěn)定，由此達到維護多年凍土地區(qū)道路路基長期穩(wěn)定和安全運營的目的。有效地解決脆弱寒區(qū)凍土與人類工程活動之間的突出矛盾，滿足工程建筑在高溫、高含冰量凍土區(qū)域工程穩(wěn)定性的特殊要求。
2、在工程穩(wěn)定性方面，由于本發(fā)明使工程建筑基礎中冷能的不斷積累，使多年凍土可以維持在一個較低、穩(wěn)定的溫度場中，有效避免常見的工程實施后地溫的升溫現(xiàn)象，以及由此而造成的路基沉降變形，使基礎工程穩(wěn)定性得以建立在較高的水平上。同時由于人為多年凍土上限的提高，避免了季節(jié)活動層的凍融循環(huán)所帶來的凍脹、融沉對工程穩(wěn)定性的影響。
3、本裝置埋設在路基的內部，不對寒區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境產生任何影響，同時無需任何能源，充分達到人類工程活動與自然環(huán)境的同一。
4、本裝置充分結合道路線型工程的特點，從道路面的角度對道路的熱傳導過程進行調控，克服了已往熱棒、通風管等點、線降溫的缺點，更加合理有效的進行地溫調控。
5、通過從面的角度的地溫調控，在冬季路基地溫換熱的過程中，可以使道路表面的溫度有所升高，由此可以縮短路面的冰凍時間，延長道路的可行車時間和提高道路的行車安全系數(shù)，由此可以增加經濟和社會效益。
6、本裝置與發(fā)卡式熱管結構完全不同，發(fā)卡式熱管結構是利用工質液體與氣體之間的相變傳遞熱量，需要真空環(huán)境，一旦工質泄漏則停止工質并且只有放熱形式的單向導熱。而本裝置是利用空氣的自然對流，經過對流換熱形式傳遞熱量，無需抽真空，無需維護，造價相對低廉。同時具有“放熱”和“吸熱”兩種結構形式；7、本發(fā)明在滿足路基下部多年凍土的溫度場穩(wěn)定要求的前提下，可以通過降低路堤高度，來減少總體工程的造價，縮短建設周期，參照青藏鐵路建設的實際工程施工費用，該項發(fā)明的工程費用約為拋石路基的1/2-1/3，與青藏公路熱棒試驗段的工程措施費用基本持平，但本發(fā)明的降溫效果明顯優(yōu)于前者。因此，從整個工程措施的投入產出來看，該種措施的性價比要明顯優(yōu)于其它工程措施，工程穩(wěn)定性好。


圖1是單向導熱裝置示意2是本發(fā)明保溫材料、工質傳導管、金屬管相嵌套示意3是熱敏電阻在傳導管中示意4為發(fā)卡式熱管與保溫材料組合的新式路基結構圖5是本發(fā)明數(shù)據采集系統(tǒng)示意6是本發(fā)明試驗觀測系統(tǒng)示意7是本發(fā)明在下底面為熱端條件下傳導管內溫度隨環(huán)境溫度的變化的試驗觀察結果圖8是本發(fā)明在下底面為熱端條件下傳導管上下管內溫差隨環(huán)境溫差的變化試驗觀察結果圖9是本發(fā)明在下底面為冷端條件下傳導管內溫度隨環(huán)境溫度的變化試驗觀察結果圖10是本發(fā)明在路基中實施單向導熱復合裝置后地溫場的數(shù)值模擬結果具體實施方式
由上述分析可見，該裝置的導熱與否取決于傳導管內工質的流動與否。當傳導管內部工質采用空氣時，傳導管內密封空氣的流動可以通過下種方式進行測定。即可以通過測定傳導管內部空氣溫度的變化間接判斷空氣的流動與否。對于這種方法而言，當裝置處于導熱環(huán)境中時，當傳導管內的空氣應處于流動狀態(tài)，流動的空氣會不斷通過對流換熱在下部熱端吸收熱量，在上部冷端放出熱量。在此過程中傳導管內的空氣溫度在下部熱端應低于管外環(huán)境溫度，在上部冷端管內空氣溫度應高于管外環(huán)境溫度。而當該裝置處于相反溫度環(huán)境和隔熱狀態(tài)下，密閉靜止的空氣應與管外環(huán)境溫度一致。因此通過管內空氣與環(huán)境溫度的對比就可以定性判斷出傳導管內部空氣的流動與否，同時還可以根據管內空氣溫度與所處環(huán)境溫度差異的大小定性判斷空氣流速的大小。
為驗證本裝置的有效性，結合本發(fā)明進行了室內原理性試驗。保溫材料1為聚苯乙烯(EPS)，工質傳導管2為PVC管，金屬管3為鋁管，工質為空氣。鋁管通過聚苯乙烯(EPS)與PVC嵌套，傳導管2內裝有熱敏電阻，用導線將熱敏電阻與傳導管外的數(shù)采儀連接，溫度使用熱敏電阻進行探測。所用的熱敏電阻經過了國家計量認證單位“凍土工程材料與測試部”的標定，標定精度為±0.01℃；觀測溫度采用美國dataTaker公司生產的DT500型自動數(shù)據采集采儀進行采集，采集頻率為10分鐘/次，采集精度為0.01℃，采集系統(tǒng)通過計算機進行控制，通過測定上下端面?zhèn)鲗Ч?內部空氣溫度的變化與端面環(huán)境溫度的差異進行判斷空氣的流速的大小。
試驗分兩種條件進行，分別模擬導熱和隔熱兩種情況，目的是驗證本裝置的單向導熱性能，考察了保溫材料上下底板溫差由約10℃逐漸減少過程中該種裝置的導熱情況。
試驗是通過往水槽中加熱水或加冰塊方式設定下部水槽初始溫度，在裝置上端環(huán)境溫度恒定的條件下進行的。
水槽沒有保溫裝置，在預設水槽溫度后水槽處于與周圍空氣的散熱或吸熱過程，最后逐漸趨于環(huán)境溫度。水槽的表面放置的塑料布主要起到隔水作用(見圖5、圖6)。
試驗結果分析(1)在下底面為熱端、本裝置導熱條件下試驗結果如圖6所示。
在圖中縱坐標為觀測到的溫度值，橫坐標為觀測的時間。圖中“底部環(huán)境溫度”指裝置下底面與水槽接觸面?zhèn)鲗Ч芨浇臏囟?；“下部管內溫度”指裝置下端管內空氣溫度；“上部管內溫度”指裝置上端管內空氣溫度；“上部環(huán)境溫度”指裝置上頂面?zhèn)鲗Ч芨浇耐饨缈諝鉁囟取?br> 由試驗結果可以看到上端面?zhèn)鲗Ч軆鹊目諝鉁囟雀哂诃h(huán)境溫度，下底面?zhèn)鲗Ч軆鹊目諝鉁囟鹊陀诃h(huán)境溫度，說明傳導管內空氣處于流動狀態(tài)，裝置處于導熱狀態(tài)。通過計算比較上下端環(huán)境溫度的差值和管內空氣溫度的差值(見圖7)，可以看到管內的空氣溫差較環(huán)境溫差約小50％左右。
(2)在下底面為冷端、本裝置隔熱條件下試驗結果如圖8所示。
由圖可以看到管內溫度與環(huán)境溫度基本一致，說明管內沒有空氣流動，因此總體起到了隔熱的作用。
通過上述試驗結果可以看到本裝置根據上下端面溫度條件的不同，表現(xiàn)出具有單向導熱的功效。為了進一步分析其在工程應用中所能發(fā)揮的作用，現(xiàn)結合多年凍土區(qū)道路工程的實際情況做進一步的數(shù)值模擬分析計算。通過數(shù)值模擬計算可以看到在路堤一定深度的水平埋設了本裝置后，在12年期間路基溫度場的變化過程。
作為對比首先模擬計算沒有施加措施修筑路提后路基溫度場的變化情況。在年平均地溫為-0.5℃，年平均氣溫為-3.2℃的高溫高含冰量多年凍土區(qū)修筑高度為3m的路堤后，下部多年凍土上限不斷下移，路堤下部融化圈不斷擴大，在歷經12年后最大下移量達到5.5m的情況，多年凍土不斷處于快速退化狀態(tài)中，地下冰不斷融化，路基處于嚴重的沉降變形過程中。為考證本裝置的作用，在上述模擬計算中，在不改變任何參數(shù)條件下，通過在路堤距離頂面2m處加鋪15cm的單向導熱裝置，進行數(shù)值模擬計算。由圖10計算結果可以看到，從第2.5年開始多年凍土上限基本保持在路堤的底部，并且沒有太大的變化。同時，多年凍土的地溫持續(xù)降低，在第10年的時候多年凍土上限附近的地溫在夏季地溫最高的時候較初始溫度降低了-3℃。多年凍土和路基處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)。由此可以看到本種裝置在寒區(qū)工程建設中保證多年凍土和工程建筑穩(wěn)定方面的突出作用。
權利要求
1.一種單向導熱裝置，是由保溫材料(1)、工質傳導管(2)、金屬管(3)組成，其特征在于金屬管(3)通過保溫材料(1)與工質傳導管(2)嵌套，圍成環(huán)形管。
2.根據權利要求1所述的一種單向導熱裝置，其特征在于金屬管(3)一端通過保溫材料(1)的孔，一端呈瓣狀，瓣狀端與保溫材料(1)相卡，并嵌套工質傳導管(2)成環(huán)形管。
3.根據權利要求1所述的一種單向導熱裝置，其特征在于金屬管(3)位于環(huán)形管的一側，其管長小于保溫材料(1)的厚度。
4.根據權利要求1所述的一種單向導熱裝置，其特征在于所述的保溫材料(3)至少為聚苯乙烯(EPS)、聚氨脂(PU)、泡沫玻璃、注塑聚苯乙烯(XPS)中的一種，工質傳導管為PVC管、塑料管，金屬管為銅、鋁、鐵、不銹鋼管中的一種。
5.根據權利要求1所述的一種單向導熱裝置，其特征在于工質傳導管(2)內的工質至少為空氣、水、有機質液體中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及在多年凍土地區(qū)進行鐵路、公路和工程建筑建設中的一種單向導熱裝置，它是由保溫材料、工質傳導管、金屬管組成，金屬管通過保溫材料與工質傳導管嵌套，圍成環(huán)形管。將本裝置水平埋設在一定位置的土體中；利用其單向導熱的性能，夏季外界環(huán)境溫度較高，熱量不斷傳入土體中，本裝置可以有效地阻擋這部分熱量的傳入；在冬季外界環(huán)境溫度較低，土體不斷放熱，通過傳導管中工質流動和對流，使土體下部的熱量得以釋放。由此可有效避免多年凍土季節(jié)活動的凍融對路基和工程建筑穩(wěn)定性的影響，使在多年凍土上的工程建筑的穩(wěn)定性建立在較高的水平上。
文檔編號E02D27/32GK1570294SQ200410036758
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月23日 優(yōu)先權日2004年4月23日
發(fā)明者俞祁浩, 程國棟 申請人:中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所