一种季冻区路基冻胀防控的单体分离式供热管及其控制方法与流程

本发明涉及路基工程领域，尤其涉及防治季节性冻土区路基冻胀病害的领域，特别是一种可以利用太阳能补充深度地热能，保证地热能可以稳定向最大冻深层输送的供热装置。

背景技术：

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，我国的冻土面积广大，占到国土面积的53.5％，其中约75％的交通线路位于季节性冻土和短时冻土区。由于冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征，这导致了在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉，冻土的这一性质严重影响了铁路的行车安全、大大提高了铁路维护成本、阻碍了季冻区经济发展建设。因此，有效解决路基冻胀病害具有重要社会与经济意义。

土质、水分、温度是路基冻胀的三要素，完全控制其中任何一个因素就可避免路基冻胀病害的发生，目前防治措施主要集中在土质和水分上，如换填粗粒土、设置排水口等，但实测结果表明上述措施依旧无法从根本上解决路基冻胀病害。

温度控制上，主要局限于被动防护，如铺设保温板路基、填筑保温护道，但由于冬季路基相对大气处于高温状态，路基依旧会不断向大气中散发热量，进而会因热损过量而降温冻胀。

目前虽有利用地源热泵，主动向路基冻深层输送热量，调节路基热量收支平衡，避免路基降温冻胀的装置，但实际使用过程中，吸热段因快速吸收周围地热能，附近地层的地热能补给速度不足，会使吸热段形成负温区，进而吸热段可能发生冻胀，影响路基平顺程度，且此种装置在地热能不充足的地区无法起到良好的工作效果，有较大局限性。而我国季冻区主要位于高纬度地区，这些地区的太阳能十分充足。

因此，基于我国地热能与太阳能的地理分布情况，使用一种可利用太阳能补充地热能的分离式控温装置，来解决我国季冻区的路基冻胀病害问题有着广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对目前季冻区路基冻胀治理措施仅靠单一地热能或单一太阳能效果不佳的问题，提供了一种可以利用太阳能补偿地热能，并将地热能稳定输送至路基最大冻深层，从而在保证地热能充足稳定的前提下实现防治路基冻胀病害的一种季冻区路基冻胀防控的单体分离式供热管。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种季冻区路基冻胀防控的单体分离式供热管，其关键技术在于：包括设置于地面上的压缩机，通过导线和压缩机连接的调控器，与压缩机出口连通且设置于路基冻深层的第一管体和与压缩机入口连通且设置于深部地热能层的第二管体，第一管体的出口和第二管体的入口通过串联在一起的干燥过滤器和毛细管连通，均通过导线和调控器连接的分别设置于路基冻深层和深部地热能层的第一温度传感器和第二温度传感器；

所述调控器通过导线连接有太阳能控制器，所述太阳能控制器通过导线分别连接有太阳能电池板、蓄电池和逆变器，所述逆变器通过导线与设置于深部地热能层中的金属热补偿丝连接。

进一步的，所述第一管体与第二管体分别为盘绕在第一内支撑管上和第二内支撑管上的铜管。

进一步的，所述第一内支撑管和第二内支撑管均为pe材料制成具有一定壁厚的空心长管。

进一步的，所述压缩机出口与第一管体入口以及第二管体出口与干燥过滤器入口之间的铜管外面包裹有保温棉。

进一步的，所述第二内支撑管上端安装有螺旋叶片。

进一步的，于地面上设置有装配架，所述压缩机、所述调控器、所述干燥过滤器及所述毛细管均安装在装配架上。

进一步的，于地面上设置有将所述装配架容纳于其内的保护外壳。

进一步的，所述保护外壳侧壁上钻设有若干散热孔。

进一步的，于地面上设置有太阳能安装架，所述太阳能电池板、所述太阳能控制器、所述蓄电池及所述逆变器均安装在太阳能安装架上。

本发明提供的季冻区路基冻胀防控的单体分离式供热管的控制方法具体为：于所述太阳能安装架上安装有太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池和逆变器，所述太阳能控制器的电源输入端通过导线连接有太阳能电池板，太阳能控制器的电源输出端通过导线分别连接有蓄电池和逆变器，于所述装配架上安装有压缩机和调控器，调控器的电源输入端通过导线与太阳能控制器相连，调控器的电源输出端通过导线与压缩机的电源相连，于所述路基冻深层处设有第一温度传感器，于所述深部地热能层处设有第二温度传感器和金属热补偿丝，所述第一温度传感器与第二温度传感器分别通过导线与所述调控器连接，所述金属热补偿丝通过导线与逆变器连接；

调控器可以预设高低温阈值，第一温度传感器监测到路基中温度低于预设阈值时，将这一信号反馈给调控器，调控器使压缩机启动，第二管体中低温低压的液态制冷剂被吸入压缩机内，经压缩机对制冷剂机械做功，提升热能品质后变为高温高压的气态制冷剂进入第一管体，进入第一管体的制冷剂遇冷液化放热，热量传递给周围地层，液化放热后的制冷剂经干燥过滤器的过滤干燥，进入毛细管中，由于毛细管管径突然减小，经过毛细管后压强降低，汽化所需温度降低，流入第二管体后吸热汽化，后再次被压缩机吸入形成循环，以此不断将深部地热能层的热量输送至路基冻深层中，当第一温度传感器监测温度高于预设阈值时，调控器使压缩机停止工作，以此将路基冻深层的温度控制在合理范围内；

当第二温度传感器监测到温度低于预设阈值时，太阳能电池板所产生的电流，经太阳能控制器调控与逆变器逆变升压后，流入金属热补偿丝中，产生焦耳热传递给周围地层，以此将太阳能转化为热能，补偿地热能损失，当第二温度传感器监测到温度高于预设阈值时，会将信息反馈给调控器，调控器控制太阳能控制器，将太阳能电池板所产生的电能储存于蓄电池中，当光照不充足时，蓄电池中的电能可以供金属热补偿丝发热，以此最大程度保障地热能充足稳定。

本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：1、本发明不仅在路基冻深层设置有第一温度传感器，而且在深部地热能层设置有第二温度传感器和金属热补偿丝，调控器在监测路基冻深层温度的同时也监测深部地热能层的温度变化，当第二温度传感器监测到深部地热能层的温度不足时，调控器控制金属热补偿丝产生焦耳热补充地热，解决了地热能补给速度不足的问题；

2、本发明利用太阳能直接在深部地热能层产生焦耳热，产生的热量散失到周围地层，正好用于补偿深部地热能层的热能损失，因此不存在热量损失，实现了利用太阳能补充地热能的功能；

3、本发明设置了蓄电池装置，当光照充足时，蓄电池储存电能，当光照不足时，蓄电池中的电能可以供金属热补偿丝发热，最大程度地保障地热能充足稳定。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，

图2是第二管体剖面图，

图3是制冷剂循环换热原理示意图；

其中：1-路基冻深层，2-深部地热能层，3-压缩机，301-压缩机出口，302-压缩机入口，4-干燥过滤器，5-毛细管，6-调控器，7-装配架，8-保护外壳，9-散热孔，10-导线，11-第一温度传感器，12-保温棉，13-第一内支撑管，14-第一管体，15-第二内支撑管，16-螺旋叶片，17-第二管体，18-太阳能电池板，19-太阳能控制器，20-蓄电池，21-逆变器，22-太阳能安装架，23-金属热补偿丝，24-第二温度传感器，25-制冷剂。

其中工序ⅰ：表示第二管体内的低温气态制冷剂吸入压缩机；

其中工序ⅱ：表示经压缩机压缩变成高温高压气体输入第一管体；

其中工序ⅲ：表示经第一管体放热后变成低温气体输出；

其中工序ⅳ：表示经过干燥过滤器后去除杂质和水分；

其中工序ⅴ：表示经毛细管节流降压后，汽化所需温度降低，进入第二管体后可以吸热汽化。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一种季冻区路基冻胀防控的单体分离式供热管及其控制方法：

本实施例公开了一种季冻区路基冻胀防控的单体分离式供热管，如图1所示包括固定安装在地面上的装配架7和太阳能安装架22，装配架7上分别安装有压缩机3、干燥过滤器4、毛细管5和调控器6，太阳能安装架22上分别安装有太阳能电池板18、太阳能控制器19、蓄电池20和逆变器21。为了保护压缩机3、干燥过滤器4和毛细管5，本发明安装了将装配架7容纳于其内的保护外壳8，且为了便于压缩机3热量的散失，在保护外壳8侧壁上钻设有若干散热孔9。

本发明中的路基冻深层1为在冬季受大气低温环境的影响沿竖直方向土壤发生冻结的地层，深部地热能层2为地表以下数米地层温度基本不会受到地域、季节等因素影响的地层，本发明利用地热能和太阳能相结合输送至路基冻深层来防治冬季路基冻胀。首先为了实现深部地热能层2向路基冻深层1的热量传递，本发明分别在路基冻深层1和深部地热能层2中设置第一管体14和第二管体17，且第一管体14和第二管体17均为铜管，第一管体14入口与压缩机出口301连接，第二管体17出口与压缩机入口302连接，第一管体14的出口和第二管体17的入口通过串联在一起的干燥过滤器4和毛细管5连接组成循环回路。为了解决深部地热能层2中可能由于换热过快导致地热能不足的情况，本发明在深部地热能层2中设置了金属热补偿丝23，并在地面安装设置了太阳能控制器19，太阳能控制器19通过导线分别连接有太阳能电池板18、蓄电池20和逆变器21，逆变器21通过导线连接金属热补偿丝23。

本发明在路基冻深层1和深部地热能层2分别设置有第一温度传感器11和第二温度传感器24，第一温度传感器11和第二温度传感器24均通过导线连接到装配架7上的调控器6，调控器6还通过导线与太阳能控制器19连接，调控器6可以预设高低阀值，调控器6收集第一温度传感器11反馈温度来控制压缩机3的工作或停止，调控器6收集第二温度传感器24反馈的温度来控制金属热补偿丝23的工作或停止。

本发明为了防止第一管体14和第二管体17受土壤的压力产生变形，分别设置了第一内支撑管13和第二内支撑管15，并将第一管体14和第二管体17分别盘绕在第一内支撑管13和第二内支撑管15上，为了进一步提高第二内支撑管15的结构稳定性，在第二内支撑管15的上端安装有螺旋叶片。本发明为了减少对大气中的热量损失，在压缩机出口301与第一管体14的入口以及第二管体17的出口与干燥过滤器4的入口之间的铜管外面包裹有保温棉12。

本实施例还公开了一种季冻区路基冻胀防控的单体分离式供热管的控制方法，其具体设计为在装配架7上安装有调控器6，调控器6通过导线分别连接太阳能控制器19、设置于路基冻深层1的第一温度传感器11和设置于深部地热能层2的第二温度传感器24，调控器6可以预设高低阀值，第一温度传感器11监测到路基中温度低于预设阈值时，将这一信号反馈给调控器6，调控器6控制压缩机3启动，当第一温度传感器11监测温度高于预设阈值时，调控器6使压缩机3停止工作。同时当第二温度传感器24监测到温度低于预设阈值时，调控器控制太阳能电池板18所产生的电流，经太阳能控制器19调控与逆变器21逆变升压后，流入金属热补偿丝23中，产生焦耳热，当第二温度传感器24监测到温度高于预设阈值时，会将信息反馈给调控器6，调控器6控制太阳能控制器19，将太阳能电池板18所产生的电能储存于蓄电池20中。当第二温度传感器24监测到温度低于预设阈值且光照不充足时，调控器6控制蓄电池20中的电能供给金属热补偿丝23。

本发明具体的控制方法和工作过程如下：

首先，预设第一温度传感器11和第二温度传感器24对调控器6的高低阀值，在冬季时由于路基和大气之间温度差的存在，路基发生热量损失，温度不断降低，设置于路基冻深层1的第一温度传感器11监测到路基中温度低于预设阈值时，将这一信号反馈给调控器6，调控器6控制压缩机3启动，

第二管体17中低温低压的液态制冷剂25被吸入压缩机3内，经压缩机3对制冷剂25机械做功，提升热能品质后变为高温高压的气态制冷剂25进入第一管体14，进入第一管体的制冷剂25遇冷液化放热，热量传递给周围地层，液化放热后的制冷剂25经干燥过滤器4的过滤干燥，进入毛细管5中，由于毛细管管径突然减小，制冷剂25通过毛细管5后，压强减小，汽化所需温度降低，变为气液共存状态，后流入第二管体17后吸热汽化，然后再次被压缩机3吸入形成循环，以此不断将深度地热能层2的热量输送路基冻深层1中，当第一温度传感器11监测温度高于预设阈值时，调控器6使压缩机3停止工作，以此将路基冻深层1的温度控制在合理范围内。

同时当第二温度传感器24监测到温度低于预设阈值时，调控器控制太阳能电池板18所产生的电流，经太阳能控制器19调控与逆变器21逆变升压后，流入金属热补偿丝23中，产生焦耳热传递给周围地层，以此将太阳能转化为热能，补偿地热能损失。当第二温度传感器24监测到温度高于预设阈值时，会将信息反馈给调控器6，调控器6控制太阳能控制器19，将太阳能电池板18所产生的电能储存于蓄电池20中。当第二温度传感器24监测到温度低于预设阈值且光照不充足时，调控器6控制蓄电池20中的电能供给金属热补偿丝23发热，以此最长时间最大程度地保障地热能充足稳定地供给路基。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。