[發明專利]面向多年凍土區路基工程的太陽能吸附式制冷裝置和方法

有效

• 申請號: 201711215214.0
• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN107782014B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 劉建坤;胡田飛;劉大偉;常鍵;郝中華;牛巍崴
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: F25B27/00
• 分類號: F25B27/00;F25B15/02;F24S10/40;F24S10/70
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 黃曉軍

本發明實施例提供了一種面向多年凍土區路基工程的太陽能吸附式制冷裝置和方法。該裝置主要包括：不銹鋼管，玻璃管，機械密封結構，以及連接部件；不銹鋼管和玻璃管內外嵌套而成真空套管結構，機械密封結構置于真空套管結構的頂部，真空套管結構埋設于凍土地基中的部分為蒸發制冷段，置于地表以上的部分又分為集熱/吸附段和冷凝段，集熱/吸附段和蒸發制冷段內分別填充吸附劑和制冷劑；集熱/吸附段自動將太陽能轉化為熱能驅動吸附式制冷循環，利用晝夜太陽強度的差異實現制冷劑脫附過程和吸附過程的往復進行。本發明可以利用太陽能進行自動吸附式制冷，實現對凍土的實時和高效保護，有效防治多年凍土退化和路基工程熱害。

技術領域

本發明涉及凍土工程技術領域，尤其涉及一種面向多年凍土區路基工程的太陽能吸附式制冷裝置和方法。

背景技術

中國的多年凍土主要分布在青藏高原、東北大小興安嶺北部、西部天山及阿爾泰山，約占國土面積的22.4％。在上述地區進行道路工程建設時，由于改變了原天然地表與大氣之間的熱量交換、季節性融化層水熱輸運等條件，原多年凍土的水熱平衡狀態被打破，使得路基下天然季節融化層的深度發生變化并引發各種不良凍土現象。當多年凍土中固態冰液化時，就會導致凍土泥化軟化和流變，削弱地基的承載力和穩定性，影響道路的長期服役性能。因此，在多年凍土地區修筑公路和鐵路時，首先要考慮的是路基的熱穩定性，路基的熱穩定性直接和路基下覆地層的溫度場相關。在工程條件一定的情況下，溫度是導致路基病害的關鍵因素，也是在保證所有防治措施有效但病害依然存在情況下唯一的可控因素。因此，對于多年凍土區路基工程，采用主動冷卻措施保持和恢復線路沿線多年凍土的原始溫度狀態極為必要。

現有技術中，一般采用主動冷卻路基的方法穿越多年凍土區，包括塊/碎石氣冷結構、通風管及熱管等。其中，塊/碎石結構、通風管基于空氣對流換熱原理，通過冷季的低溫大氣來增加地層冷儲量。熱管基于氣液兩相循環換熱原理，是目前冷卻效率最高的措施，對凍土的降溫效果明顯。

上述措施的局限性在于，塊/碎石結構、通風管主要通過幾何參數來調節傳熱效果，優化相對困難。即使是冷卻效率最高的熱管也仍然屬于被動式傳熱元件，依靠地氣溫度差驅動相變換熱循環。由于熱流方向的可逆性，熱管對凍土的保護只能在冷季通過預儲或補給冷量來實現，進入暖季后必須停止工作，季節匹配性差。隨著全球變暖對多年凍土區氣候環境的影響，現有的路基冷卻措施已不能完全滿足多年凍土區路基熱穩定性防護的需求。因此，目前有必要研發新型的面向多年凍土區路基的主動制冷裝置，以改善多年凍土區路基熱穩定性保護措施冷卻效率低和季節匹配性差的現狀。

相比現有多年凍土區路基冷卻措施通過冬季蓄冷以抵消夏季熱侵蝕的間接被動式傳熱工作機理，實現多年凍土保護最為直接的措施是增加一個在暖季的熱量輸出過程，即從凍土層中吸取熱量，并將其轉移至大氣環境中。在這一附加過程中，熱量需要從低溫介質(路基)傳遞向高溫介質(大氣)，屬于制冷范疇。在制冷技術領域中，制冷劑和制冷劑循環是制冷裝置的關鍵。對于長距離路基工程長期制冷的需求，裝置研發方向應該定為：小型的帶有制冷劑循環系統的獨立式制冷裝置。該類制冷裝置要求：①可獨立運行，制冷劑循環過程無需耗電或用電功率較小；②布設方式靈活，形體最好為立柱狀，便于在地基中裝設；③體積小，占用地基空間有限，避免影響到地基承載力和其他性能；④運動部件少，運行穩定可靠，使用壽命長；⑤制冷劑可在0℃以下運行，有效凍結地下水。

目前，蒸汽機械壓縮制冷是最為成熟的制冷技術，以高品位電能驅動制冷循環，技術成熟，設備緊湊，可以制成大、中、小型，以適應不同場合的需要，制冷溫度范圍寬廣，在普通制冷溫度范圍內具有較高的循環效率，在建筑環境調節和工業應用領域應用最為廣泛。但是，由于線路工程距離長，沿線基礎設施相對落后，尤其是電力供給困難，無法像建筑環境調節、工業應用、以及礦井、隧洞及地鐵等工程的人工凍結施工法那樣在有限面積場地內采用并網電力供應的壓縮式制冷方式。