太阳能制冷在多年冻土热稳定维护中的传热效果研究

确保多年冻土地基的长期热稳定仍然是当前冻土学科研究的重点和难点。科研人员长期致力于冻土工程关键技术的研究,研发了维护多年冻土地基热稳定的太阳能制冷技术及太阳能制冷装置,以太阳能热能为动力,实现制冷装置不分季节的全时段工作,特别是在暖季,能够有效阻止环境温度对多年冻土地基的热侵蚀。现场试验研究表明:采用该技术及制冷装置后,年均地温较天然年均地温有较大幅度的降低,降温幅度为-2.23~-3.9℃,且呈逐年增大的趋势;多年冻土的上限埋深由2.0 m抬升至1.5 m;季节活动层中的制冷影响半径由0.76m扩大至2.56m,多年冻土层中的制冷影响半径最大达到了3.95 m;实际制冷量为所需估算制冷量的2.27倍。总体上,采用维护冻土地基热稳定的太阳能制冷技术及其制冷装置后,季节活动层和多年冻土层的温度大幅度降低,上限埋深明显抬升,有效地维护了多年冻土的热稳定,具有较大的研究价值和应用前景。     

应用半导体制冷技术维护多年冻土区地基热稳定性试验研究

针对多年冻土区普通热棒在暖季难以维护路基热稳定性的技术缺陷,首次将半导体制冷技术应用于维护多年冻土地基热稳定性。在风火山多年冻土区试验场地开展了半导体与普通热棒制冷技术制冷效果的对比试验,分析2016年12月和2017年4—9月间天然地温、热棒、半导体制冷装置在0~6.0 m深度内的温度变化情况。研究结果表明:半导体制冷装置侧壁温度较天然地温在寒季低2.21~5.48℃,在暖季低0.81~3.80℃;半导体制冷装置较热棒在寒季低0.13~0.92℃,在暖季低1.16~2.06℃。半导体制冷装置比普通热棒能更有效地降低地层温度,减小冻融层厚度,增加地基冷储量,有效维护地基热稳定性。     

机械式制冷热管对多年冻土的制冷效果研究

多年冻土区路基防护技术是冻土科研人员长期研究的重点。基于多年冻土区现场试验,对研发的新型机械式制冷热管与普通热管的制冷效果进行对比分析。结果表明:(1)机械式制冷热管可以弥补普通热管在暖季不能工作的缺陷,能在暖季和寒季同时带走活动层中的热量,增加冷储量,有效保护多年冻土;(2)分别在寒季和暖季,机械式制冷热管比普通热管的侧壁温度在活动层中低2. 77～0. 39℃、1. 22～0. 13℃,在多年冻土层2. 0～6. 0 m深度范围中低3. 24～0. 52℃、0. 55～0. 12℃,机械式制冷热管年均温度比普通热管年均温度在活动层和多年冻土层中均低0. 74℃;(3)分别在暖季和寒季,机械式制冷热管的积温是普通热管积温的1. 4倍～2. 1倍、1. 4倍～1. 8倍,机械式制冷热管的年积温是普通热管年积温的1. 9倍。研究成果可为新型机械式制冷热管技术在多年冻土热稳定维护中的应用提供理论依据。     

岛状多年冻土区高速铁路路基热状态及工程措施效果分析

为揭示岛状多年冻土区高速铁路路基热状态,提出合理有效的制冷结构,在新建哈尔滨至伊春高速铁路某车站试验段开展现场监测,获得岛状多年冻土的地温数据;基于实测地温数据,采用冻土水热耦合理论,对将在试验段实施的两侧双排普通热棒路基、两侧双排+中心单排全季热棒路基、两侧单排+基底横向通铺全季热棒路基3种制冷路基结构进行数值模拟,对比了3种制冷路基结构的地温分布特征及对下伏岛状多年冻土的降温效果。研究结果表明：铁力地区年均气温和降水呈增大趋势,天然场地岛状多年冻土地温在-0.3℃左右,属于高温极不稳定多年冻土。3种制冷路基结构中,两侧单排+基底横向通铺全季热棒对岛状多年冻土保护及降温效果最优,两侧双排普通热棒最差。普通热棒路基的多年冻土上限呈“两侧凸,中间凹”形态,抬升不明显;全季热棒路基的多年冻土上限呈“上凸缓斜平顶”形态,抬升显著。研究成果可对多年冻土区高速铁路路基建设和结构优化提供技术支撑。     

热棒技术在青藏铁路多年冻土地段路基中的应用

为了解决青藏铁路多年冻土地段路基的热融冻胀问题,确保多年冻土地段路基的稳定,部分冻土地段路基应用了热棒技术。文章介绍热棒的工作原理、施工方法及施工后路基沉降的观测,实践证明采用热棒技术对多年冻土路基的地基稳定有较好的效果。     

利用热管-保温板复合结构提高冻土区路基稳定性研究

热管-保温板复合路基是青藏铁路应用广泛的一种新型路基结构形式。通过数学模型分析,推导出用于青藏铁路冻土路基热管的热流表达式,并用热焓法考虑冻土相变问题对该路基结构形式及无保温板情况施工后20年的路基温度场进行数值模拟。通过数值模拟可知：保温板能够有效地阻止热量由路基面向下传入地基中,使0℃等温线始终在保温板底层;复合路基多年冻土上限的位置要比无保温板时的高;该结构形式对路基中心、路肩和坡脚下的多年冻土上限抬升的综合效果更好;考虑施工条件后,复合路基在保温板铺设距离天然地面之上0.3~0.6 m对于路基稳定性最为有利;该路基结构形式为青藏铁路多年冻土区路基的理想结构形式,有利于克服全球变暖的影响。     

多年冻土区天然地面耦合热管的数值传热分析及优化

为了青藏铁路多年冻土路基耦合热管优化设计的需要,建立多年冻土区天然地面耦合热管的相变传热模型,利用该模型研究不同热管管径、气候条件和冷凝段与蒸发段长度比对热管传冷量的影响。结果表明:大管径的热管对于提高热管的传冷量是有利的;在冷凝段与蒸发段长度比大于0.9的条件下,热管传冷量随长度比增大得并不明显,因此建议优化的冷凝段与蒸发段长度比取为稍大于0.9的值;与年平均气温较高的多年冻土区相比,年平均气温较低的多年冻土区更有利于热管的传冷。对比模型计算值和现场实验值表明,提出的模型与实际拟合良好。     

青藏铁路冻土路基热棒应用效果试验研究

通过青藏铁路沿线典型冻土路段热棒试验路基和对比路基的地温及变形现场监测,研究热棒对多年冻土路基的保护效果。通过对埋置在正线试验路基左侧不同规格热棒周围地温的监测,研究热棒构造对路基降温效果的影响。试验结果表明,热棒显著抬升路基下部多年冻土的天然上限,其最大平均抬升值达1.66 m;斜插方式埋置热棒能使最大融化深度曲线更快地趋于平缓,达到对路基下部多年冻土的整体保护;热棒路基的累计变形远小于未设置热棒的对比路基;热棒的产冷功率越大,其降温效果越好,降温范围也越大。     

全球气温升高条件下热棒工作状态及效率的计算

热棒作为一种液汽两相对流换热装置 ,具有无能耗、高效率地降低棒周地温的特点。热棒对降低基底地温、增加地基冷储量、保护多年冻土具有较明显的效果。文章以清水河试验段天然地面埋设的单根热棒为例 ,利用计算机数值模拟计算了未来 5 0年气温不同升温幅度下热棒的工作状态及效率。计算结果表明 ,未来 5 0年 ,即使全球气温升高 2 6℃ ,热棒仍能正常工作 ,其传热影响范围在 0 5m范围内。     

多年冻土区路基热管合理倾斜角度的数值分析

热管路基是青藏铁路最为广泛使用的主动保护多年冻土的措施之一。针对应用于青藏铁路多年冻土工程中的热管类型,考虑路基土体中水的相变问题,建立热管—土体—大气系统的物理和数学模型,采用Carlekin方法求解,推导出考虑全球气温升高的冻土中热管热流密度随时间的变化规律。采用有限单元数值分析方法,利用青藏铁路清水河的气象和地质资料,在热管倾斜角度分别为0,°10,°20,°30,°45,°60°时,研究热管对多年冻土路基的冷却效果及提高路基整体稳定性的作用。研究表明,热管在坡脚埋设的倾斜角度为25°~30°时,对于路基中心、路肩及坡脚下多年冻土上限的抬升效果最佳,有利于保证路基的长期稳定性。     

牙林线多年冻土区热棒试验效果分析

既有铁路牙林线多年冻土区试验工程是为研究青藏线多年冻土修建的,用于整治大兴安岭多年冻土路基病害。热棒作为一种主动保护多年冻土的有效措施,在多年冻土的工程实践中得到了广泛的应用。文章仅就热棒的工作状况进行初步分析,虽然观测时间较短,但目前数据显示,该措施对降低基底地温,保护冻土效果显著,可在多年冻土区应用。     

青藏高原多年冻土区热棒路基设计计算

结合青藏铁路试验工程,在分析热棒路基热周转特性的基础上,建立热棒路基热工计算模型,阐述热棒路基的设计计算过程,讨论设计计算中基本参数的选取,热棒产冷量的计算,产冷量与间距、蒸发段长度、散热面积的关系,安全系数的选取。青藏铁路多年冻土区清水河试验段热棒路基的设计计算结果表明:采用直径76 mm、散热面积3.27 m2、蒸发段长度5 m的热棒,能够很好地起到保护多年冻土的作用,其产冷量达1 900 MJ。热棒的合理纵向间距应在3.5~4.0 m;安全系数在1.1~1.2。相比之下,散热面积、蒸发段长度对产冷量的影响较明显,热棒直径的影响较弱。     

多年冻土区路基用压缩式制冷装置的开发与试验

针对中国多年冻土区广泛面临的冻土退化和路基热稳定性问题,基于压缩式制冷技术,提出一种新型多年冻土保护装置。首先,分析压缩式制冷技术面向多年冻土区路基工程的适用性。然后,设计与制作一款路基专用制冷装置—自动化压缩式制冷管,包括制冷单元和自动化控制单元。制冷单元为压缩机、节流器、蒸发器和冷凝器顺次连接而成的闭合循环回路,自动化控制单元为基于位式控制原理的微电脑控制器。装置制冷性能试验表明,制冷温度在正温环境中也一直保持在0℃以下,且可以自动地维持在-5,-10和-15℃等恒定范围内,制冷系数随着制冷温度的升高而增大。压缩式制冷管具有季节匹配性好和自动化程度高的技术优势,可以为多年冻土区路基工程提供一种有效的冻土退化防治方法。     

热棒技术在青藏铁路试验段中的应用

在多年冻土地区,采用热棒处理地基的技术具有广阔的应用前景.为了获得热棒的技术参数,指导工程设计,在青藏铁路清水河试验段,安多试验段布置了热棒试验工程.本文介绍了试验段采用热棒所处理的不良地质类型、热棒的施工工艺、研究内容.     

多年冻土区框架热锚管边坡支护结构的提出及简化设计方法初探

为解决多年冻土区冻融循环及全球气温升高引起的边坡失稳问题,基于"主动冷却"保护冻土的理念,结合框架锚杆和热棒制冷技术,提出一种既可主动降温、又能锚固支挡、还能减轻冻胀破坏,且适用于多年冻土边坡的新型支护结构,并阐述其技术原理;提出极限承载力和热量平衡两个设计控制指标,给出热-力共同控制的设计计算方法。将该结构和相应的计算方法应用于工程实例,计算结果表明:所提出结构不仅能防止多年冻土边坡上限退化,甚至能抬升上限,进而提高冻土边坡的稳定性;给出的计算方法能够较为准确描述结构的工作机理,为该结构的设计提供理论依据和参考。     

上海地区地面轨道交通车辆空调装置制冷量研究

用VB6.0所编写的车辆空调装置制冷负荷计算程序,对上海地区地面轨道交通车辆空调装置制冷量进行计算,为地面轨道交通车辆空调装置制冷量的选取提供依据.经计算分析,确定上海地区地面轨道交通车辆A型车(轨道交通3号线的车辆)空调装置制冷量宜为89 kW左右;C型车(轨道交通5号线的车辆)空调装置制冷量宜为69 kW左右;有条件时,制冷量可在此基础上增大5%～10%.     

地面轻轨客车空调装置最大制冷量的确定

用VB6.0所编写的客车空调装置制冷负荷计算程序,在计算机上对地面轻轨客车空调装置最大制冷量进行计算与分析,为地面轻轨客车空调装置制冷量的选取提供依据,确定地面轻轨客车空调装置制冷量的范围为100～116 kW.     

地面轻轨客车空调装置最大制冷量的确定

用VB6．0所编写的客车空调装置制冷负荷计算程序，在计算机上对地面轻轨客车空调装置最大制冷量进行计算与分析，为地面轻轨客车空调装置制冷量的选取提供依据，确定地面轻轨客车空调装置制冷量的范围为100－116kW。     

青藏铁路保护多年冻土路基结构的措施研究

研究目的：青藏铁路穿越连续多年冻土区546．43km，防止多年冻土融沉是青藏铁路路基工程设计施工面临的首要技术难题。为指导设计与施工，在青藏铁路多年冻土区工程大规模施工前，在具有代表性的北麓河、清水河、安多3个试验段，先期进行片石气冷、片石及碎石护坡、热棒、通风管路堤等主动保护多年冻土路基结构的试验研究。 研究结论：片石气冷、片石及碎石护坡、热棒、通风管路堤通过改变路基的结构和填料，调节辐射、对流、传导所传输的能量，增加多年冻土地基的冷储量，改善多年冻土地基的热状况，防止多年冻土地基融沉，是保护多年冻土的有效工程措施，适用于多年冻土区路基工程。青藏铁路格拉段多年冻土区路基长380．30km，其中片石气冷、碎石护坡、路基设置热棒的长度分别为117．69km、127．00km、32．0km。青藏铁路主动保护多年冻土路基结构试验工程至少已经过6个冻融循环，未发现路基融沉病害；2006年7月后，多年冻土区列车以100km／h速度的平稳运行，证明了经主动保护的多年冻土路基结构稳定可靠。     

应用热管技术提高多年冻土地区路基稳定性的数值分析

热管技术是青藏铁路多年冻土地区路基中最常使用的措施之一。本文采用理论计算和数值模拟的方法对应用热管技术解决冻土铁路路基下沉问题的热影响进行了分析。分析结果显示采用热管技术对冻土路基问题是一种很好的解决方案