高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统及其方法

本发明属于热管技术领域及高寒地区隧道防冻的技术领域，具体涉及一种高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统及其方法。

背景技术：

目前，我国的铁路和公路等基础建设正朝着高海拔、气候条件恶劣的寒冷地区延伸。其中，川藏铁路作为保障国防安全、支撑西部社会经济发展的重大建设工程，其隧道占比高达70.2％，受自然条件影响，高寒地区隧道建设和运营面临着严峻的冻害威胁。冻害不仅对隧道结构造成严重破坏，同时会给交通运营造成重大安全隐患。据不完全统计，全球每年因隧道冻害造成的交通事故高达1万多起，造成的直接经济损失约为39.25亿元，人员伤亡约43267人。因此，发展可靠的隧道冻害防治技术迫在眉睫。

针对高寒地区隧道，除设计、施工、围岩含水量等因素外，持续0℃以下的低温条件是隧道冻害形成的主要原因。高寒地区最冷月平均温度在-30℃至-5℃之间，最低气温可达-52℃。目前来看，完善合理的保温系统是防治隧道冻害的必要措施。其中，隧道保温可分为被动保温和主动保温：被动保温技术即在隧道洞口段铺设保温层，其防冻效果受气温制约；主动保温技术则是利用电能或地源热泵技术等对隧道直接加热，面临能耗高的问题。研究表明，单一被动保温措施不能彻底解决隧道冻害问题，须采取被动保温与主动保温相结合的方法。因此，发展高效、节能、环保的隧道主动保温技术十分必要。

地球浅表层数百米内的土壤温度随深度呈递增趋势，山岭隧道围岩内储存着巨大的地热能，以我国川藏高原地区桑珠岭隧道为例，其隧道内部围岩温度可达46到63℃，与寒季洞口温度形成巨大温差，为利用地热能资源对隧道防冻的技术提供了先决条件。对于高寒地区隧道，隧道越长则洞中、洞口、洞外的温度差越大，寒季隧道呈现内部气温高，进出口处温度低的特点；而暖季则相反。当隧道埋深足够大，隧道中部围岩接近恒温，可以利用隧道洞中围岩的地热能给位于洞口的隧道衬砌和路面进行加热，既能解决高寒地区隧道冻害问题，又能达到节能环保的目的。

热管作为一种高导热元件，在无需额外供能的条件下利用工质的相变进行传热，能够达到高效传热的目的。目前，热管技术已在高寒地区得到广泛应用，例如冻土降温、公路融雪、路基防冻等。由于传统热管的结构受到空间、对象以及长度的制约，考虑到隧道本体结构特点，基于寒季隧道洞口衬砌与洞中围岩40～70℃的大温差，采用环路热管可以克服使用方位和长度限制的问题，达到远距离、高效、无外力驱动利用隧道内地热能的目的。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统及其方法，以解决单一被动保温措施不能彻底解决隧道冻害的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统及其方法，其包括平板型蒸发器和并联管排式冷凝器；平板型蒸发器的液体进口端通过液体管路与并联管排式冷凝器的液体出口端连通；平板型蒸发器的气体出口通过气体管路与并联管排式冷凝器的液体出口端连通；平板型蒸发器、并联管排式冷凝器、气体管路和液体管路构成的密闭环路管道内容置工质。

进一步地，平板型蒸发器埋设于隧道中部的围岩中。

进一步地，平板型蒸发器内部包括气体腔、补偿腔、气体槽道、毛细芯和支撑板；

补偿腔位于平板型蒸发器顶部壳体与毛细芯之间，且与液体进口端连通；所述毛细芯通过支撑板与顶部壳体相连接；气体槽道位于毛细芯下层与平板型蒸发器底部壳体之间；气体腔位于蒸发器气体出口一侧，且与气体出口端相连通。

进一步地，毛细芯为双孔径毛细芯结构。

进一步地，工质为低温制冷剂，低温制冷剂为氨、r11或r22。

进一步地，并联管排式冷凝器置于洞口隧道初次衬砌与二次衬砌之间，且位于平板型蒸发器上部。

进一步地，并联管排式冷凝器包括并联的多个垂直支管，每个垂直支管外均设置翅片。

进一步地，翅片的材质为铜或合金金属。

进一步地，气体管路和液体管路外均套上用于保温的真空管道。

一种高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统的防冻方法，包括以下步骤：

s1、液体工质通过液体管路进入补偿腔中；

s2、当置于隧道中部围岩结构中的平板型蒸发器吸收地热能后，毛细芯内的液体工质发生相变，其两侧产生的压力势驱动气体工质通过气体槽道进入气体腔，并离开平板型蒸发器；

s3、气体工质通过气体管路进入置于洞口隧道初次衬砌与二次衬砌之间的并联管排式冷凝器中，放热对隧道洞口加热，同时，气体工质放热冷凝成液体，并依靠重力势从上至下回流；

s4、液体工质通过液体管路再进入平板型蒸发器内部，并返回执行步骤s1。

本发明提供的高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统及其方法，具有以下有益效果：

本发明系统结构可拆卸替换，灵活性强，使用寿命长，整体传热效率高，且整个系统结构设计合理，便于实施，且无需外力驱动，有效地利用隧道内地热能，实现寒季高寒地区隧道洞口保温的目的，具有较强的实用性和推广性。

附图说明

图1为高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统的结构示意图。

图2为平板型蒸发器的主视图。

图3为平板型蒸发器的侧视图。

图4为并联管排式冷凝器的结构示意图。

其中，1、平板型蒸发器；2、并联管排式冷凝器；3、气体管路；4、液体管路；5、围岩；6、初次衬砌；7、二次衬砌；8、保温层；9、气体腔；10、补偿腔；11、气体槽道；12、毛细芯；13、支撑板；14、翅片；15、工质。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统，包括平板型蒸发器1和并联管排式冷凝器2，平板型蒸发器1、并联管排式冷凝器2之间分别与气体管路3和液体管路4相连接，形成一个完整的利用地热能的高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统。

具体为：平板型蒸发器1的液体进口端通过液体管路4与并联管排式冷凝器2的液体出口端连通；平板型蒸发器1的气体出口通过气体管路3与并联管排式冷凝器2的液体出口端连通。

且平板型蒸发器11、并联管排式冷凝器2、气体管路3和液体管路4构成的密闭环路管道内容置工质15。

平板型蒸发器1的结构为：

参考图2和图3，平板型蒸发器1埋设于隧道中部的围岩5中，平板型蒸发器1内部包括气体腔9、补偿腔10、气体槽道11、毛细芯12和支撑板13。

补偿腔10位于平板型蒸发器1顶部壳体与毛细芯12之间，且与液体进口端连通。

毛细芯12通过支撑板13与顶部壳体相连接，气体槽道11位于毛细芯12下层与平板型蒸发器1底部壳体之间，气体腔9位于蒸发器气体出口一侧，且与气体出口端相连通。

其中，毛细芯12为双孔径毛细芯12结构，如镍粉烧结而成的双孔径毛细芯12。

系统内部整体密闭，抽真空后加入工质15，工质15为低温制冷剂，低温制冷剂为氨、r11或r22。工质15在压力势与重力势共同作用下循环，可远距离、高效、无外力驱动利用隧道内地热能。

并联管排式冷凝器2结构为：

参考图1和图4，并联管排式冷凝器2置于洞口隧道初次衬砌6与二次衬砌7之间，且位于平板型蒸发器11上部。

并联管排式冷凝器2由多个垂直支管并联组成，各个支管外均带有翅片14。翅片14为高导热材料如铜或合金，可拆卸更换。

气体管路3和液体管路4外均设置保温结构，如在管道外再套上真空管道并抽真空以达到良好的保温性能。

根据本申请的一个实施例，本方案的高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统的工作原理为：

系统内部整体密闭，抽真空后加入工质15，内部工质15通过液体管路4进入补偿腔10中。

当置于隧道中部围岩5结构中的平板型蒸发器1吸收地热能后，毛细芯12内液体工质15发生相变，其两侧产生压力势驱动气体工质15通过气体槽道11进入气体腔9并离开平板型蒸发器1。

工质15通过气体管路3进入置于洞口隧道初次衬砌6与二次衬砌7之间的并联管排式冷凝器2中放热冷凝成液体，依靠重力势从上至下回流。

液体工质15通过液体管路4再进入平板型蒸发器11内部，从而实现持续的蒸发-冷凝-蒸发的能量传输过程，达到利用隧道内部地热能对洞口防冻保温的目的。

我国高寒地区隧道建设和运营面临着严峻的冻害威胁，冻害不仅对隧道结构造成严重破坏，同时会给交通运营造成重大安全隐患。在寒季时，隧道中部气温高、进出口处温度低，产生巨大温差。本发明可输运隧道中部地热能对隧道洞口进行保温，达到高效稳定的寒季隧道防冻效果，保障隧道运营安全。除此，本发明不仅可用于高寒地区隧道防冻，同时还在太阳能、工业余热利用、建筑节能等领域有很好的发展前景，是大型环路热管系统的突破。

根据本申请的一个实施例，一种高寒地区隧道大型重力辅助环路热管防冻系统的防冻方法，包括以下步骤：

s1、液体工质15通过液体管路4进入补偿腔10中；

s2、当置于隧道中部围岩5结构中的平板型蒸发器1吸收地热能后，毛细芯12内的液体工质15发生相变，其两侧产生的压力势驱动气体工质15通过气体槽道11进入气体腔9，并离开平板型蒸发器1；

s3、气体工质15通过气体管路3进入置于洞口隧道初次衬砌6与二次衬砌7之间的并联管排式冷凝器2中，放热对隧道洞口加热，同时，气体工质15放热冷凝成液体，并依靠重力势从上至下回流；

s4、液体工质15通过液体管路4再进入平板型蒸发器11内部，并返回执行步骤s1。

本发明系统结构可拆卸替换，灵活性强，使用寿命长，整体传热效率高，且整个系统结构设计合理，便于实施，且无需外力驱动，有效地利用隧道内地热能，实现寒季高寒地区隧道洞口保温的目的，具有较强的实用性和推广性。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。