热棒在多年冻土中的应用

热棒在多年冻土中的应用

1热棒技术的应用热棒是一种通过液体和蒸汽相对流和循环的热传输装置。由于它是利用潜热进行热传输，故其效率极高，是一般对流换热效率的40倍以上。热棒实际上是一种无需外动力的制冷装置，其优点是无需外加动力，无运动部件、无噪声干扰、无需日常维修养护，是真正的环保型产品。所以，热棒已广泛用于多年冻土区土木工程中。在寒季，用热棒采集大气中的冷量，传输在地基中，冷冻地基多年冻土，提高多年冻土地基的稳定性。国外用热棒冷冻地基的成功经验很多。例如在美国阿拉斯加输油管支架基础中，曾采用112000根热棒来冷冻支架地基；在加舒大哈德逊湾多年冻土区铁路上，曾用热棒冷冻4公里铁路路基，以防止热融下沉，提高路基稳定性，收到良好的效果。目前，热棒正在铁路工程、公路工程、房屋工程、飞机跑道、通讯输电线塔、水塔、港口工程、输油管道工程等多种土木工程得到了广泛应用。我国热棒技术于20世纪80年代研究成功，并应用于青藏公路多年冻土区涵洞基础工程中，用以防止多年冻土融化，减少涵洞冻胀变形。经4a观测，效果明显。涵洞下多年冻土上限上升0.5m，冻胀和融沉变形消失。获得了满意的效果。青藏铁路沿线多年冻土全段长550km，其中融区约90km，实际通过多年冻土地段460km。年平均地温高于-1℃的地段约310km。这种多年冻土属不稳定多年冻土，热稳定差。一旦受到外界热干扰，温度状况很难恢复，有的地段甚至永远不能恢复。用热棒来冷冻这些地段的地基，可以防止上述现象产生，确保地基基础稳定。2液氨热棒的使用目的和特点迄今为止，热棒是无源冷却系统中热量传输效率最高的一种装置。热棒由密闭真空腔体注入低沸点工质而构成。热棒一般是以无水液氨做工作介质的重力热管(见图1)。管的下端为蒸发段(吸热段)，上端为冷凝段(放热段)，根据实际工程要求，在二段中间可布置绝热段，制造时管内抽真空并充入适量的液氨后密封，使用时热量从热源通过吸热段管壁传给液氨，液氨在蒸发段内蒸发，蒸汽从蒸发段流到冷凝段，并在冷凝段内凝结，热量通过放热段管壁传给冷源，冷凝段凝结的液氨靠重力返回吸热段。通过以上循环，热源热量源源不断的流向冷源。由于管内液氨需靠重力循环，所以该元件使用时只能是热源在下端、冷源在上端，即传热具有单向性，不可逆向传热。在寒季，由于空气温度低于多年冻土的温度，蒸发器中液体工质吸收多年冻土中的热量而蒸发，蒸汽在管内压差的驱动下沿热棒中心通道向上流动至冷凝器，与相对温度较低的冷凝器管壁接触后放出汽化潜热冷凝成液体，液体工质在重力作用下沿管壁流回蒸发器再蒸发，如此循环即将多年冻土中的热量源源不断地传到大气中。在暖季，由于空气温度高于多年冻土温度，热棒中的液体工质蒸发后形成的蒸汽到达冷凝器后不能冷凝(汽液两相达到平衡)，液体停止蒸发，热棒停止工作，因此大气中的热量不能通过热棒传至冻土中，从而保持冻土良好的冻结状态(见图2)。热棒具有下列特点：(1)导热性好，当量导热系数高达纯银的数千倍；(2)传热温差小，热棒的蒸发器与冷凝器仅有0.1～0.5℃温差时，即可启动工作；(3)传热能力大，直径φ83×5液氨热棒在零下5℃时，传热能力可达6.0kW；(4)适用温度范围广，在-60～+60℃可有效工作；(5)单向传热，热量仅能从下端传向上端，反向不传热；(6)使用寿命长，热棒经严格工艺处理，可靠工作寿命不低于30a。每一支热棒都是一个独立传热单元，工作可靠。群棒作用时，工作效率更高。3试验点的地质结构热棒埋设于1976年竣工的风火山试验路基上，试验段平均填土高度1.05m。3.1试验路基的分布风火山试验路基位于位于青藏高原风火山北麓、青藏公路3069km左侧。试验路基部分横跨风火山一条山谷，部分位于风火山山坡上，路基走向大体呈西北向，大致与青藏公路平行。该处山谷宽约15m，深约5m，山坡坡度约为20°，植被发育，植被覆盖率为80%，植被厚约5～10cm。3.2材料1.8细根据钻孔资料，试验路基所处地段地层岩性自上而下主要为：砂粘土(Q4P12)：黄褐色，呈软塑～硬塑状，厚度约为0.4～1.0m。粘土：红褐色，融化后呈硬塑状，粘土呈层状构造，孔隙发育，夹杂少量未风化泥岩碎块。厚度约为0.7～1.7m。泥岩(N2)：红褐色，岩石呈泥质结构，块状构造，岩体中有裂隙、孔隙发育，风化程度不一，基本完全风化。4热棒的规格和现场铺设4.1热棒冷却段长度风火山试验路基所采用热棒的规格为：热棒外径83mm；热棒总长度12m；其中热棒蒸发段长度：6m；热棒冷凝段长度3m；绝热段长度3m；热棒散热段有效长度2.8m；散热片高度0.025m，散热片厚度0.0015m，散热片间距0.01m，散热片采用开花锯齿型翅片。4.2地温观测系统此次共埋设试验热棒6根，在风火山试验路基上和路基旁天然地面分别埋设5根和1根热棒，并布设10个测温孔。2003年2月17日正式开始埋设，先钻设测温孔，测温孔深度为8.5m。2月25日开始埋设热棒，热棒埋入路基面(或天然地面)以下8.0m，外露4.0m。2003年3月2日埋设完成(见图3)。地温观测采用热电偶，测温元件布设原则为每根热棒侧壁布设一组热电偶。在路肩上选一根热棒，距其中心30,80,130,180和230cm距离布设5个测温孔；天然地面热棒附近距热棒中心30,80,130,180和500cm布设5个测温孔。共埋设测温元件22组。地温观测工作于2003年2月28日陆续开始。测试频率为热棒埋设完成后的半个月内每天观测一次，以后则5天观测一次。5测量效果分析5.1热棒蒸发段土体的温度变化规律热棒侧壁的地温数据反映了热棒的工作状态。图4、图5是风火山试验路基和天然地面热棒侧壁地温随深度的变化曲线。从图4、图5热棒侧壁地温随深度的变化曲线可以看出：(1)热棒埋设完成的初期，热棒蒸发段周围土体的温度处在变化过程中，地温曲线有波动的情况；随着时间的延长，热棒蒸发段周围土体的温度基本接近，说明热棒工作是正常的。(2)从2003年4月20日的地温曲线可以看出，路基面(或天然地面)下热棒蒸发段(侧壁)3～8m温度的最大差值在0.92℃～1.28℃之间，而天然地面孔(距离热棒5.0m)天然地面下3～8m土体温度的最大差值为1.75℃，说明热棒蒸发段土体的温度得到了调整。(3)随着时间从寒季向暖季发展，大气日平均温度升高，热棒蒸发段工作温度逐渐升高。5.2热棒的温度分布由于热棒蒸发段周围温度场的分布是轴对称的，因此，将热棒周围各测温孔路基面(或天然地面)下3.0～8.0m深度的温度平均计算，以分析热棒降低周围土体温度的效果及传热影响范围。图6、图7是天然地面和试验路基距热棒不同距离的测温孔3.0～8.0m的日平均温度随时间的变化曲线。从图6和图7可以看出：(1)在观测期内热棒的传热影响范围随时间的延长而扩大。(2)热棒蒸发段的日平均温度随大气平均温度的升高而升高；而热棒周围冻土的日平均温度随时间的延长而降低。(3)热棒周围冻土的温度随距热棒距离的增加而升高，且其温度梯度随时间的延长而减小。这是由土的热物理性质和热棒蒸发段的温度特性所决定的。6降低基底土壤温，确保路基稳定从