青藏铁路冻土重力热管传热特性的研究
热管在青藏高原多年冻土区高速公路应用中的适用性评价
热管在青藏高原多年冻土区高速公路应用中的适用性评价孔森;温智;吴青柏;王大雁【摘要】为了研究多年冻土区高速公路热管路基的制冷效果及适用范围,建立热管路基水热计算模型,分析不同条件下的热管路基冻土人为上限深度和热稳定状态,并将路基高度、年平均气温、气温年较差3个因素形成组合进行热管的适用范围分析.研究结果表明:对于气温年较差为12℃的冻土区,高度为4 m的热管路基适用于年平均气温低于-5.5℃的区域,高度为3 m的热管路基适用于年平均气温低于-5.8℃的区域;对于青藏高原大部分地区,在15 a的运营期限内,高速公路热管路基具有一定的局限性,其服役期限内不能保持路基稳定性;但对于风火山地区,采用高度为3 m 的热管路基可以保证工程稳定性.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(050)006【总页数】8页(P1384-1391)【关键词】热管;冷却效果;路基高度;年平均气温;气温年较差【作者】孔森;温智;吴青柏;王大雁【作者单位】中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州,730000;中国科学院大学地球科学学院,北京,100049;中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州,730000;中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州,730000;中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州,730000【正文语种】中文【中图分类】U416.1+68为了推动国家“一带一路”倡议的顺利实施，促进北方寒区经济社会发展，国家规划在“十三五”期间启动建设青藏高速公路等一大批多年冻土区高速公路工程。
高速公路在运输能力、运行速度和运营安全方面有巨大的优势，在推进西部大开发战略的实施、促进寒区经济发展以及保障国防安全等方面有不可替代的作用，然而，高速公路因其运行速度高对路面平整度和不均匀变形有严格的要求。
青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律
青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律
青藏铁路沿线多年冻土区地表温度是影响青藏铁路沿线结构安全性能的重要要素之一。
为了研究多年冻土区地表温度变化规律，本文利用2005—2016年期间梅里雪山地段、西
宁地段及兰州地段的温度记录数据，通过分析地温的变化规律，探讨冻土区地温变化特征，为青藏铁路沿线地段地温变化特征的科学研究和工程应用提供科学依据。
首先，从整体上看，从2005年5—7月到2016年7—9月，青藏铁路沿线冻土区平均
地温呈现明显递增趋势，平均地温增加了0.2-0.3℃，其中从2005年6月到2016年6月，梅里雪山地段地温增长最大，达到1.9℃。
从季节变化规律来看，三个地段冻土区地温均表现出明显的季节变化规律。
以梅里雪
山地段为例，表明该地段地温由5月底开始升温，随着8月初的到来，地温开始出现较大
变化，9月末达到最高值，在10月份开始逐渐减少，冬季会出现较为明显的递减现象，随后，5月份又重新回到升温平稳期。
西宁地段和兰州地段地温变化趋势也比较明显，总体
来说就是先升后降，出现平稳期的变化趋势。
从小时变化规律来看，梅里雪山地段、西宁地段及兰州地段多年冻土区地温开始有较
为明显的上升变化趋势于8时左右，地温出现最大值于16时左右，最小值于凌晨四 five
后左右，多时间段的地温变化总体表现为明显的升高趋势。
综上所述，梅里雪山地段、西宁地段及兰州地段多年冻土区地表温度每年呈现出稳定
变化的趋势，总体上有较大温度变化，而在每天24小时内，凌晨4 five左右为最低，8
时至16 点表现出较明显的升温趋势，该研究有助于青藏铁路沿线多年冻土层厚度及层次
的科学研究，以及冻土区内的地温地表面的观测与热量传递效应的研究。
新型重力热管换热器传热性能的实验研究
新型重力热管换热器传热性能的实验研究曹小林;曹双俊;曾伟;王芳芳;李江;池东【摘要】基于常规重力热管换热器难以安装翅片结构以强化管外换热,提出一种新型结构形式的重力热管换热器,该热管由一些并排的矩形通道而不是通常的圆管组成.并建立实验测试平台,进行一系列对比实验,重点分析加热功率、工质充液率、倾角及冷凝段风速对其运行热阻的影响.研究结果表明:加热功率对热管的运行性能有重要影响;当工质充液率约为20％时,热管换热器具有最小运行热阻;在最佳充液率为20％和加热功率为360 W时,运行热阻随倾角的增加有减小趋势,但当加热功率较大时,倾角对热管换热器的运行热阻影响不大；随着冷凝端风速的增加,热管换热器的运行热阻不断减小.%Based on the fact that normal gravity-assisted heat pipes are difficult to be enhanced with fins, an innovative gravity-assisted heat pipe was developed, which is made of several rectangular channels in parallel instead of normal round channels. A test apparatus was set up, with which the influences of heating input power, filling ratio, inclination angle and air velocity at condenser section on the heat transfer performance were investigated by contrast tests. The results show that heating input power has an important effect on heat transfer characteristics. The minimum heat transfer resistance is gotten at the filling ratio of about 20%. When filling ratio is 20%, the thermal resistance decreases slightly with the increase of the inclination angle when the input power is 360 W, but the inclination angle has little effect on thermal resistance for higher heat input power. The thermal resistance decreases gradually as the air velocity with the increase of condenser section.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)006【总页数】5页(P2419-2423)【关键词】传热;换热器;热管;热阻【作者】曹小林;曹双俊;曾伟;王芳芳;李江;池东【作者单位】中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,流程工业节能湖南省重点实验室,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TK172与普通热管相比，重力热管不仅结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、工作可靠。
低温热管的应用性能研究
低温热管的应用性能研究伍琳;徐莹【摘要】为了保证青藏铁路的安全运行,在设计施工阶段就要解决维持青藏铁路沿线冻土层的温度恒定的问题.应用热管技术中的低温热管具有高效性、经济性、环保性等特点,经过分析青藏地区的气象资料并进行相关计算,发现热管传热总温差很小,平均10℃左右,且随大气温度的变化而变化.进一步通过理论计算,发现热管传热的总热阻很大,应尽量降低热管本身的热阻和凝结段空气的传热热阻.通过理论计算和试验验证,以氨为工质的冻土热管完全可以适应小温差下的传热环境,它可以将较低的大气温度直接“拉近”到埋入土壤内部的蒸发器表面,实现高效的储冷传热.低温热管不仅可以应用于公路铁路沿线,还可以运用在冻土地区的桥梁、涵洞、输油和输气管线等市政管线,应用前景广阔.【期刊名称】《应用科技》【年(卷),期】2011(038)007【总页数】4页(P52-55)【关键词】低温热管;传热温差;传热热阻;青藏铁路【作者】伍琳;徐莹【作者单位】航天科工哈尔滨风华有限公司技术中心设计一室,黑龙江哈尔滨150010;哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】TK172.4青藏铁路有部分路段需要通过冻土层.要使铁路运输安全运行，在线路施工过程中设计者必须寻找一种使铁路所在冻土层温度稳定的方法，避免因为冻土层的转变(如冻胀和融沉)引起线路基础的变形毁坏，防止意外的发生［1-2］.经过多年的试验研究与理论分析，应用热管技术的低温热管以其高效性、经济性、环保性等特征从众多方案中脱颖而出.1 冻土热棒的应用冻土是指0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤.一般可分为短时冻土、季节冻土和多年冻土.地球上冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%.冻土热棒是应用于冻土地带在冻土层和大气之间传热的热管，因其传热环境比较特殊，根植于冻土之中，因而不妨称之为冻土热棒.冻土热棒属于低温热棒的一种，它的工作环境在－40℃ ～40℃，多数为钢/氨热棒.冻土热棒的应用方式是将相对较长的蒸发段置于冻土层中，而凝结段则暴露在大气中.在寒季，当大气温度低于冻土温度时，冻土中的热量通过热棒释放给大气，同样的大气中的冷量通过热棒被冻土所吸收.利用这一独特的在冻土与大气之间的传热过程，可以使热棒周围的冻土温度稳定在一定的范围内，不至于由于大气温度的变化使得冻土温度发生较大的温度变化，从而强固建筑物的基础，防止冻土地带建筑物基础病害的发生［3-4］.20世纪七八十年代冻土热棒技术开始被应用在美国阿拉斯加输油管线上，在数百公里的管线中共采用了约12万只热棒，对管线的保护作用效果显著.我国有广阔的冻土地带，因而多年来冻土热棒的研制和应用备受关注［5-6］.在青藏铁路路基设计中，针对冻土冻胀和融沉的特性对建筑基础的影响，冻土热棒储冷的方法被提出来保护铁路路基的稳定.2 冻土热棒的传热问题分析冻土热棒工作在永久冻土和大气之间，如图1所示.因而其传热特点与冻土和大气这两大自然环境紧紧地联系在一起.图1 永久冻土中的热棒1)传热温差小.大气温度的变化影响着热棒的工作状态和传热温差的大小，即随时间变化冻土热棒的传热温差就是冻土(热源)和大气(冷源)之间的温差.根据相关资料［7］，青藏铁路经过的风火山地区的冻土温度为－2℃.根据1995年的气象资料绘制出的一年中的气温变化曲线如图2所示.由图2可知，最低的大气温度为－22.5℃，最高气温为+5℃.当大气温度低于冻土温度(－2℃)时，热棒处于工作状态并将土壤中的热量传给大气.图2 大气温度随时间的变化曲线事实上，随着热棒周围土壤温度的不断降低，在寒季的末期，热棒周围的土壤温度已低于原冻土温度－2℃的水平;因此，在大气温度达到－2℃以前，热棒已停止工作.所以实际的热棒工作期(即寒季的长短)将少于图中所示的215 d，在200 d左右.由此可以确定，热棒的最大传热温差为18.5℃，而在一个寒季的平均传热温差只有12℃左右;因此，冻土热棒的传热条件是极其苛刻的，它要求在很小的温差条件下的传热环境.2)冻土热棒常年工作在一个非稳态的环境中，尤其是冻土层，在寒季热棒周围的土层是一个非稳态的储冷过程，即使到了暖季，冻土的温度也不会停止变化，它在寒季储存的冷量会逐渐向远处的土层耗散;因而，对冻土温度场的研究不应限于一个寒季而应在一个年度内持续观测研究.3)冻土层的冻土温度由土壤的成分决定，大气的温度变化由气候决定，由于上述传热特点，为了增强冻土热棒的传热效果，从热棒的设计到制造都需要精细研究和分析，同时需要大量的实验来解决具体问题.3 冻土热棒的热阻分析假定冻土远处的温度为TS，大气温度为Ta，单支棒的传热量为Q，则从冻土至大气的传热过程的热阻可以表示为［8］式中:R为总传热热阻，℃/W;Ts为土远处温度，℃;Ta为大气温度，℃;Toe为热棒外表面温度，℃;Toc为热棒内表面温度，℃;RS为冻土侧热阻，℃/W;RHP为热棒本身热阻，℃/W;Ra为空气侧热阻，℃/W.式(1)中热棒本身热阻由热棒本身的一系列热阻组成［9］式中:Do为冻土侧热棒壁面温度，℃;Di为冻土侧热棒内壁温度，℃;he为热棒内蒸发段热阻，℃/W;hc为热棒内凝结段热阻，℃/W;Le为热棒外蒸发段长度，m;Lc为热棒外凝结段长度，m.冻土侧热阻Rs可表示为［10-11］式中:λS为冻土的导热系数;为蒸发段外表面处的冻土温度梯度.式中ha为以光管外表面积为基准的翅片管的空气侧换热系数.通过一组实际数据来计算热棒本身热阻和传热的总热阻.青藏铁路所应用热棒的几何参数:热棒外径Do=89 mm，热棒内径Di=79 mm，热棒外蒸发段长度Le=5 m，热棒外凝结段长度Lc=2 m.运行参数:热量 Q=300 W(一般在 200～400 W)，大气温度Ta=－18°C，冻土温度Ts= －2°C，管内介质氨的运行温度按Tv=－10°C取值.按照式(1)～(4)计算，得到的结果为热棒本身热阻:传热总热阻热棒本身热阻在总热阻中所占的比例约为1.0%，以热棒有效长度L=(L+L)计算的相effec当导热系数λeff为Cu导热系数的2 800倍.钢/氨热棒这一导热特性在一系列的等温性试验中得到了证实，在热管上不同位置布置测点14个，在不同的环境温度条件下测试，结果如图3、4所示.测试的热棒规格:Φ 89 mm×6 mm，总长度L=7 m，冷凝段伸到室外，蒸发段置于室内，测试是在不同季节室外进行的.测试结果表明，冻土热棒具有优异的传热特性的原因在于传热量Q较小，以及较高的管内压力.即使在－20℃下，钢/氨热棒工作时仍能保持接近0.2 MPa的内部蒸汽压力.这可使得管内任何不冷凝气体的影响被“压缩”到可以忽略不计的程度.而且，在制造过程中管内工质一直处于正压状态，不冷凝气体不易进入.图3 2～4℃热棒的等温性测试图4 －2～2℃热棒的等温性测试根据理论分析和试验结果表明，以氨为工质的冻土热棒完全可以适应小温差下的传热环境，它可以将较低的大气温度直接“拉近”到埋入土壤内部的蒸发器表面，实现高效的储冷传热.表1 实验测试数据表℃测井编号温度1点 2点 3点 4点 5点A112.4 9.0 8.3 4.9 －0.5 A2 10.6 9.6 8.1 4.6 － 0.4 A3 9.0 7.3 6.0 3.1 － 0.8 A4 7.7 1.2 3.5 1.5 － 1.7 A5 1.4 － 0.9 － 1.4 － 1.4 － 1.8 AB1 8.3 5.4 3.9 1.7 － 1.3 AB2 7.8 6.9 5.6 3.0 － 0.6 AB3 6.3 4.9 3.5 1.6 － 1.5 AB4 1.8 － 0.1 － 0.6 － 1.1 － 1.6 BC1 6.2 4.1 3.3 1.6 － 1.3 BC2 7.7 6.8 5.6 4.8 3.8 BC3 1.9 0.2 － 0.4 － 0.5 － 0.5 C1 7.4 7.2 6.3 5.8 5.6 C28.4 9.5 9.5 9.2 8.3 C3 10.8 11.0 10.9 10.5 10.04 冻土热棒的实验测试为了更好地了解冻土热棒对冻土病害的缓解，在实验室内做了如下的模拟性实验，如图5所示.图中1、2、3号分别为3支冻土热棒，其中1、2为外直径Φ 89 mm、长度为8 m的等径热棒;3号为外直径Φ133 mm/Φ 89 mm、长度为12 m的变径热棒.A0、B0、C0分别为3支热棒的外部翅片段(冷凝段)测试点，其他分布于热棒周围土壤下的A1～A5，AB1～AB4，BC1～BC3，C1～C3等为不同位置测井中的测试点，经过几个周期的测试，部分数据如下:(热棒编号:1、2、3;A0，B0，C0各点距顶端200 mm;其他所有测点之间的距离均为1 m.)图5 试验现场布置图经过长时间的测试，实验测试结果表明热棒对于其所在土壤周围的温度有一定的影响.由于土壤的热惰性，储温效果逐年显著.5 结论综上所述，得到以下结论:1)冻土热棒传热总温差很小，平均10℃左右，且随大气温度的变化而变化;2)冻土热棒传热的总热阻很大，应尽量降低热棒本身的热阻和凝结段空气的传热热阻;3)以氨为工质的冻土热棒完全可以适应小温差下的传热环境，它可以将较低的大气温度直接“拉近”到埋入土壤内部的蒸发器表面，实现高效的储冷传热;4)“热棒”还可用于冻土地区的公路、桥梁、涵洞、输油和输气管线、房屋建筑、山体热融滑坡防治、输变电铁塔基础稳固、机场跑道及道路融雪以及低温地热利用等工程中，应用前景广阔.参考文献:［1］HE Zhihong，LIU Jifu，NIU Huaijun.Field test and numerical simulation for heat pipes used in permafrost ground［C］//The 13th IHPC.Shanghai，China，2004:21-25.［2］张鲁新.青藏铁路高原冻土区低温变化规律及其对路基稳定性影响［J］.中国铁道科学，2000，21(1):56-60.［3］池田义雄.实用热管技术［M］.商改宋，李鹏龄，译.北京:化学工业出版社，1998:62-98.［4］马同泽.热管［M］.北京:科学出版社，1993:158-163.［5］庄骏.热管与热管换热器［M］.上海:上海交通大学出版社，1989:132-156. ［6］庄骏，张红.热管技术及其工程应用［M］.北京:化学工业出版社，2004:78-124.［7］青藏公路整治工程科研设计文献汇编［S］.北京:交通部第一公路勘察设计院，1996.［8］埃克特，德雷克.传热与传质分析［M］.北京:科学出版社，1983:79-108. ［9］刘纪福.热棒导热性能分析［C］//东北热棒协会年会论文集.哈尔滨，中国，1992:84-102.［10］刘纪福.热棒换热器［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1999:76-103. ［11］方彬.热管的热用分析［J］.节能技术，1987(1):28-30.。
低温热管的应用性能研究
（１ ｅｈＣ ｎｅ，Ｃ ｉａＡ ｒｓａｅＳｉｎｅ＆ Ｉｄｓ ｙＣ ｒ ａｂｎＦ ｎｈ ａＣ ， ｔ，Ｈ ｒｉ １０ １ ，Ｃ ｉ ； ．Ｓｂ ｏ ｏ ｉｉ ．Ｔ ｃ ｅ ｔ ｒ ｈｎ ｅｏｐｃ ｃ ｃ ｅ ｎ ｕｔ ｏ Ｈ ｒｉ ｅｇｕ Ｏ． Ｌｄ ａｂ ５０ ０ ｈｎ ２ ｃｏｌ ｆ ｖ ｒ ｐ ｎ ａ Ｃ ｌ Ｅ ｇｎｅｉｇ Ｈａ ｉ Ｉｓｔｔ ｏ ｅｈ ｏｏｙ Ｈ ｒｉ ５ ００ ｈｎ ） ｎ ｉ ｒ ， ｒ ｎ ｎｔｕｅ ｆ ｃｎｌ ， ａｂｎ１０ ９ ，Ｃ ｉａ ｅ ｎ ｂ ｉ Ｔ ｇ
关键词 ： 低温热管 ； 传热温差 ； 传热热 阻 ； 青藏铁路
中图分类号 ：Ｋ１２４ Ｔ ７ ． 文献标识码 ： Ａ
Ａｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｐ ｒ ｏ ｍ ａ ｃ ｆｃ ｙ ｇ ｎ ｃ ｈ ａ ｉ ｅ ｐ ｉ ｔｏ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ｒ ｏ ｅ ｉ ｅ ｔ ｐ ｐ ｓ ｃ
（ ｒｏｅ ｉ ｈａ ｐｐ ） ｗ ｎ ｌ ｅ ｎ ａ ｕａ ｄｔｅｃ ｍ ｔ ｏｉ ａ ｉｇａ ａ ｄＴｂ ｔ ｅｉｎ ｎ ｕ ｄ ｃｙｇｎｃ ｅｔ ｉｅ ， ｅａ ａ ｚｄａｄｃ ｃ ｌ ｅ ｌ ａｏ ｇｃ ｄｔ ｉ Ｑ ｎｈ ｉ ｎ ｉｅ ｒｇ ｓ ｄｆ ｎ ｙ ｌ ｔ ｈ ｉ ｌ ａ ｌ ａｎ ｏ ａ ｏ
ｔ ｈ ｉ ｈ ｅ ｃｅ ｃ ｏ ｔ ｅ ｈ ｇ － ｆ ｉ ｎ ｙ，ｅ ｏ ｏ ｃ ｎ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔ ｌ ｅ ｅｉ ｉｌｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓ ｏ ｈ ｏ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｅ ｈ ａ ｉ ｉ ｃ ｎ ｍｉａ ａ ｄ ｅ ｖｒ ｎ ｎ ａ ｙ ｂ ｎ ｆｃ ａ ｈ ｒ ｃ ｅ ｔｃ ｆｔ ｅ ｌｗ ｅ ｅ ａｕｒ ｅ ｔ ｐｐｅ ｌ ｌ ｉ
ｔ ａ ｈ ｖ ｒ ｌｔ ｍｐ ｒｔ ｒ ｉｆｒ ｎ ｅ ｉ ｈ ｅ ｔｔａ ｓｅ ｆｔ ｅ ｈ ａ ｉ ｅ ｗａ ｍａ ｌ ｂ ｕ Ｏ￣ ｉ ｖ ｒ ｇ ｈ ｔｔ ｅ ｏ ｅ ａ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｄ ｆｅ ｅ ｃ ｎ ｔ ｅ ｈ ａ ｒ ｎ ｆｒｏ ｈ ｅ ｔｐ ｐ ｓ ｓ ｌ，ａ ｏ ｔＩ Ｃ ｎ ａ ｅ ａ ｅ，ｂ — ｌ ｅ
青藏铁路中的传热原理
青藏铁路是中国铁路总公司一项重要的工程，也是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路。
它的建设不仅是中国铁路建设史上的一个里程碑，也是人类工程技术和自然环境相互作用的典范。
在青藏铁路的建设过程中，传热原理起着重要的作用。
一、青藏铁路概述青藏铁路东起青海西宁，西至西藏拉萨，全长1956公里，穿越高原、峡谷、沙漠、草原等多种地形。
由于青藏高原海拔高、气温低、氧气稀薄，建设青藏铁路面临着极端的自然环境挑战。
二、传热原理在青藏铁路建设中的应用保温隔热在青藏铁路的建设中，保温隔热是关键技术之一。
由于青藏高原气温低，为了确保铁路设备的正常运行，必须采取有效的保温措施。
在铁路线路、桥梁、隧道等结构物中，采用保温材料和隔热技术，减少热量传递，提高结构的保温性能。
热传导热传导是传热的基本方式之一。
在青藏铁路的建设中，通过选择合适的材料和结构设计，减少热传导，提高铁路线路的耐寒性能。
例如，在铁路线路的铺设中，采用耐寒性能好的材料，如冻土层下的混凝土等，以减少热量传递。
热对流热对流是指气体或液体因温度差异而产生的流动现象。
在青藏铁路的建设中，通过合理设计通风系统，利用自然风力进行通风换热，减少热量对流传递。
例如，在铁路隧道的通风设计中，利用自然风力进行通风换热，确保隧道内的温度适宜。
热辐射热辐射是指物体因温度差异而向外界辐射能量的现象。
在青藏铁路的建设中，通过采取有效的隔热措施，减少太阳辐射对铁路线路的影响。
例如，在铁路线路的铺设中，采用反射率高的材料和涂层，减少太阳辐射的吸收和传递。
三、传热原理在青藏铁路运营中的重要性确保列车正常运行青藏铁路穿越高寒地区，气温极低。
为了确保列车正常运行，必须采取有效的保温措施。
通过采用先进的保温技术和材料，减少热量传递，提高列车的耐寒性能。
同时，合理设计列车内部结构和通风系统，确保列车内部温度适宜。
延长设备使用寿命青藏铁路的运营环境恶劣，设备容易受到低温、风沙等自然因素的影响。
通过采取有效的传热措施，减少设备内部温度变化幅度，降低设备故障率，延长设备使用寿命。
浅谈青藏铁路多年冻土区热管施工技术 陈德志
浅谈青藏铁路多年冻土区热管施工技术陈德志摘要：既有青藏铁路32公里长的路基采用了热管技术措施，取得了基底地温降低、冻土上限上升的良好效果，确保了多年冻土地段路基的稳定。
关键词：青藏铁路；多年冻土区；热管；技术措施1.工程概况青藏铁路格尔木至拉萨段扩能改造工程清水桥车站，属楚玛尔河高平原区，含冰量冻土，局部为含土冰层，为保护多年冻土需采取有效的保护多年冻土技术措施。
k1016+270~k1017+416段路基两侧护道中心、护道坡脚各设一排热管加强冻土保护，热管沿线路纵向间距2.8m。
2.工程地质冻土是指温度≤0℃并含有冰的各类土壤。
冻结状态持续多年（3年以上）不融化的冻土，称多年冻土。
冻土由固体矿颗粒、粘塑性冰包裹体、液相水（未冻水和强结合水）和气态包裹体（水汽和空气）组成。
冻土的稳定性不仅取决于冻土本身的性质，也取决于外部的温度和环境。
3.热管工作原理青藏铁路冻土路基工程中广泛应用的低温热管，其中本工程中采用Φ89mm热管。
热管工作原理是利用管内介质的气液两相转换，依靠冷凝器和蒸发器之间的温差，通过对流循环来实现热量传导的系统。
当大气温度低于冻土低温时，热管自动开始工作，当大气温度高于冻土地温，热管自动停止工作，不会将大气中的热量带入地基，收到了基底低温降低、冻土上限上升的良好效果。
Φ89mm热管是密闭真空腔体注入液氨构成，以液氨做工作介质的重力热管。
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，在两段中间布置绝热段，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，热源热量源源不断地流向冷源。
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，蒸发器中液体工作介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管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，液体工作介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。
青藏铁路冻土工程技术
青藏铁路冻土工程技术摘要论世界上最大、最高的高原，当然是青藏高原。
它有着独一无二的地理位置和复杂的自然、地质条件，青藏高原被人们称为“世界屋脊”。
青藏铁路的格拉段穿过永冻土地区约547km，岛上的另一部分，深季节冻土区土壤和冻土沼泽湿地和湿地坡，穿过线海拔高度超过4000m，面积大约为960km，在唐古拉山地区，最高海拔5072m，为世界的轨道。
格尔木到拉萨，青藏铁路部分的总长度约100km，毫无疑问，冻土是青藏高原冻土解决最大的问题之一。
关键词多年冻土；工程技术；青藏铁路1冻土问题冻土是一种对温度极为敏感的土体介质。
冻土，是指温度在0℃以下，并含含有丰富的地下冰和各种岩土和土壤。
冻土面临着两个大工程问题：冻胀和融沉。
冻土在冻结的状态下体积膨胀，到了夏季，冻土融化体积缩小。
冻土的冻结和融化交替出现，就会造成路基不稳定，影响正常通车。
而冻土又有着很强的流变性，它的长期强度远低于瞬时强度。
这些特性造成了当冻土区开始工程并建造建筑筑物时，路基、桥涵、隧道等都会受到这两大工程问题的困扰。
2多年冻土路基工程的主要技术措施2.1 通风管路基工程通风路基防止热融的原理是利用的通风而产生的对流作用，将填土产生的热量或外界引发的各种热量尽快散失，以便降低对基底的热干扰，防止基底因热融而下沉。
青藏铁路多年冻土区路基用UPVC管和钢筋混凝土管通风管道，由于通风管道的温度调节，减少左右两侧的不均匀沉降的路基土体，消除了因为路基土体的不均匀沉降引起的张力裂缝；而且，UPVC通风管和钢筋混凝土排气管具有一定的拉伸强度和剪切强度同加筋路堤一样都在路基土体上发挥了作用，使水路基水体起到了水平钢筋、消除沿软弱面所产生的裂缝。
在青藏高原北麓河试验站的通风路堤试验表明，通风管可以有效地降低路堤填土的温度。
经试验观测后，自动温控风门安装后，降温效率有所提高。
2.2 使用热棒青藏铁路沿线的冻土路基旁有一些直径约为十五厘米，高两米左右的铁棒，它被成为天然制冷机。
重力热管基于VOF_模型的传热特性研究
ｔ ｍｉｘ － ｔ ｓａｔ
ｈ ｆｇ .
ｔ ｓａｔ
(９)
(１０)
其中:ｔ ｍｉｘ 为混和温度ꎬ℃ ꎻｔ ｓａｔ 为饱和温度ꎬ℃ ꎻＳ ｍ
连续性方程
∂ρ
＋ ▽( ρｕ) ＝ ０.
∂ｔ
(７)
相变发生的位置为冷凝段且温度为 ｔ ｍｉｘ <
Ｓ ｍ ＝ βρ ｖ φ ｖ
２ ３ 控制方程
(６)
能量转移源项为
液膜的变化情况ꎬ明显反映出随着蒸汽量及蒸汽
产生速度的增加ꎬ液膜逐渐增厚ꎬ削弱了冷凝段
的换热.
图 ３ 蒸发段不同时刻液相和气相分布
Ｆｉｇ. ３ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅｓ ａｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｍｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎ
好地呈现出来. 当加热功率为 ６０ Ｗ 时ꎬ换热系数达到最大值ꎻ当加热功率继续增加到 ８０ Ｗ 时ꎬ换
热系数逐渐下降. 当充液率在 ０ ２０ ~ ０ ２４ 范围时ꎬ随着充液率的增加ꎬ等效对流换热系数也增加ꎻ
当充液率在 ０ ２４ ~ ０ ３２ 时ꎬ等效对流换热系数逐渐降低ꎻ充液率为 ０ ２４ 时ꎬ等效对流换热系数最
壁面的液体受热导致密度变小ꎬ与液池中心温度
泡数量增多ꎬ气泡在向液池表面运动的过程中体
２ ６ 边界条件
ｈｅ ＝
热性能.
间的扰动增加. 此时ꎬ液池为核态沸腾ꎬ换热系数
最高. 液膜处的壁面过热度加大ꎬ壁面上有大量
气泡生成ꎬ彼此干扰ꎬ液膜向下流动时将汽化核
心扫离. 通过液膜导热ꎬ气泡体积增大ꎬ上升至液
膜表面破裂ꎬ形成很薄的液膜层. 随着气泡的溢
图 ３ 为蒸发段不同时刻液相和气相分布ꎬ可
青藏高原多年冻土区通风管路基传热规律研究
Ｐ ｒ ｆｏｔＲ ｇｏ ｓｏ ｎ ｈ ｉ— ｉｅ ｌｔａ ｅｍａｒ ｓ ｅ ｉｎ ｆＱｉｇ ａ —Ｔ ｂ ｔ ａｅｕ Ｐ
ＪＡＮ Ｆ Ｉ Ｇ ｕ—Ｑ ａ ｇ Ｙ Ｇ ｏ ｇ—ｐ ｎ ｉｎ ， ＡＮ Ｙ ｎ ｅｇ
（ ｏ ｈ ｅｔ ｅｅｒｈＩｓ ｔｔ Ｃ ． Ｌｄ ｆ ｈｎ ａｌａ ｎ ｉｅｒ ｇＣ ｒｏａ ｏ ，ａ ｚｏ ，Ｇ ｎｕ７ ０ ０ ， ｈｎ ） Ｎ ｒ ｗ ｓ Ｒ ｓａｃ ｎｔｕｅ ｏ ， ｔ．ｏ Ｃ ｉａＲ ｉ ｙＥ ｇｎｅ ｎ ｏｐｒｔ ｎ Ｌ ｎｈ ｕ ａ ｓ ３０ ０ Ｃ ｉａ ｔ ｉ ｗ ｉ ｉ
中 图 分 类 号 ： ２６ ４ ２ Ｕ １． １ 文献标识码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈ ｅ ｔ Ｔｒ ｎ ｆ ｒ Ｌａ ｏ ｎ ｉ ｔｏ ｐ ｌ ｅ Ｅｍ ｂ ｎ ｍ ｅ ｔ ｉ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｅ Ｈ ａ ａ ｓ ｅ ｗ ｆ Ｖｅ ｔｌ ｉ ｎ Ｐｉ ｅ ｉ ａ ｎ ａ ｋ ｎ ｎ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｐ ｒ ｏ ｅ ：Ｔ ｅｖ ｎ ｉ ｔ ｎ ｐ ｐ ｌ ｅｅ ａ ｋ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｉ ａ ｎ ｗ ｔｐ ｍｂ ｎ ｍｅ ｔ ｔ ｃｕ ｅ ｔ ｓ ｒ ｃ ： ｓ ａ ｃ ｕ ｐ ｓ ｓ ｈ ｅ ｔ ａｉ ｉ ｅ ｉ ｍｂ ｎ ｍｅ ｔ ｇ ｎ ｅ ｉ ｅ ｙ ｅ ｅ ａ ｋ ｎ ｒ ｔ ｒ ，ｉ ｌ ｏ ｎ ｅ ｎ ｓ ｓｕ
ｐ ｒ ｆ ｏｔ ｅｉ ｓｏ ｉｇａ — ｉｅ ｐａ ａ ． ｅｍａ ｓ ｒｇｏ ｆ ｎ ｈ ｉ Ｔｂ ｔ ｌｔ ｕ ｒ ｎ Ｑ ｅ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｒ ｓ ｌ ： ｈ ａ ｅ ，ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｙ ｔ ｍａ ｉ ａ ａｙ ｉ ａ ｄ ｒ ｓ ａ ｃ ｓ ａ ｃ ｅｕ ｔ Ｔ ｅｐ ｐ ｒ ａｅ ｎｔｅｓ ｓ ｓ ｅ ｔ ｎ ｌ ｓｓ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ，ａ ｖ ｎ ｅ ｅ ｔ ｒ ｎ ｆ ｒｔ ｅ ｒ ｆｖ ｎ ｉ ｔ ｎ ｃ ｄ ａ ｃ ｓｈ ａ ａ ｓ ｏ ｏ ｅ ｔ ａ ｉ ｔ ｅ ｈ ｙ ｌ ｏ
热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究
第27卷 第6期 岩 土 工 程 学 报 Vol.27 No.6 2005年 6月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering June, 2005 热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究Thermosyphon technology and its application in permafrost杨永平1,2，魏庆朝2，周顺华1，张鲁新2(1. 同济大学 道路与铁道工程教育部重点实验室，上海 200331; 2. 北京交通大学 土建学院，北京 100044)摘 要：热管技术是国外寒区工程中广泛使用的一项主动冷却地基土体的技术，青藏铁路修建之前，国内很少对此技术进行研究。
本文针对应用于青藏铁路多年冻土工程中的热管类型，通过国内外的研究资料，综述了与青藏铁路热管应用效果相关的理论研究与工程实践成果。
由于青藏铁路沿线独有的气候和冻土条件，文中的理论与实践方法与参数虽然不能简单照搬应用于青藏铁路的设计，但是可以对青藏铁路多年冻土区热管的设计与应用起到借鉴的作用。
关键词：青藏铁路；热管；多年冻土；综述中图分类号：U 416文献标识码：A文章编号：2005–4548(2005)06–0698–09作者简介：杨永平（1976– ），男，博士，2004年12月于北京交通大学土木建筑工程学院获博士学位，现为同济大学博士后，从事高速铁路特殊土质路基结构分析及数值分析研究。
YANG Yong-ping1,2，WEI Qing-chao2，ZHOU Shun-hua1，ZHANG Lu-xin2(1. Key Laboratory of Road Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200331, China; 2. Civil Engineering School, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)Abstract: Thremosyphon is a widely used technology applied to the engineering projects in permafrost regions at home and abroad. Before the construction of the Qinghai-Tibet railway, there was little study on this technology. This study is based on the type of the thermosyphon used in the Qinghai-Tibet railway. For the weather and permafrost conditions of Qinghai-Tibet plautea are different from the conditions of foreign countries, it is not proper to directly apply their theory and productions to the design of thermosyphon embankments in Qinghai-Tibet railway. This paper will be useful for the design and application of the thermosyphon used in permafrost regions of Qinghai-Tibet railway.Key words: Qinghai-Tibet railway；thermosyphon；permafrost；comprehensive study0 引 言两相闭式热虹吸管（Two-phase closed thermosyphon）又称重力热管，简称热虹吸管。
《重力热管传热特性的数值模拟与实验研究及热管式空预器优化设计》范文
《重力热管传热特性的数值模拟与实验研究及热管式空预器优化设计》篇一一、引言随着能源需求与环境保护的日益关注，热管技术作为一种高效的传热元件，其应用越来越广泛。
重力热管因其独特的传热特性，在能源、化工、航空、航天等领域发挥着重要作用。
本文旨在通过数值模拟与实验研究的方法，探讨重力热管的传热特性，并基于此对热管式空预器进行优化设计。
二、重力热管传热特性的数值模拟首先，建立重力热管的物理模型和数学模型。
在数值模拟过程中，考虑到重力热管的物理特性和传热机理，利用计算流体动力学（CFD）软件进行仿真分析。
通过设定合理的边界条件和初始条件，模拟重力热管在不同工况下的传热过程。
数值模拟结果显示，重力热管的传热过程受到多种因素的影响，包括工作介质、加热功率、结构参数等。
在不同工况下，重力热管的传热效率有所差异。
通过对模拟结果的分析，可以得出重力热管的传热特性和规律。
三、重力热管传热特性的实验研究为了验证数值模拟结果的准确性，进行了一系列实验研究。
实验中，采用不同工作介质、加热功率和结构参数的热管进行测试，记录了实验过程中的温度、压力等数据。
通过对比实验数据和数值模拟结果，验证了所建立数学模型的正确性。
实验结果表明，重力热管的传热特性与数值模拟结果基本一致。
同时，实验还发现了一些新的现象和问题，为后续的优化设计提供了依据。
四、热管式空预器优化设计基于重力热管传热特性的研究结果，对热管式空预器进行优化设计。
首先，根据实际需求和工况条件，确定空预器的结构参数和工作介质。
其次，通过优化设计，提高空预器的传热效率和稳定性。
最后，利用数值模拟和实验方法对优化后的空预器进行验证和分析。
优化设计后的热管式空预器在传热效率、稳定性和使用寿命等方面均有显著提高。
同时，优化设计还考虑了空预器的成本和制造工艺等因素，确保了其在实际应用中的可行性和经济性。
五、结论本文通过数值模拟与实验研究的方法，深入探讨了重力热管的传热特性。
在此基础上，对热管式空预器进行了优化设计。
青藏高原多年冻土区通风管路基温度特性分析
发量远 大 于 降水 量 ，降水 集 中在 ６ ９月 ，气 温 日 —
差 较大 而年差 较小 ，且年 平均气 温较低 ，太 阳辐射 比同纬 度其他 地 区强ｌ （ ２ 约为 同纬度 四ＪＩ 地 的 ４ ｌ 盆 倍） ，高原地 面获 得 的净 辐 射却 偏 低 ；气 流 活 动强
烈ｌ ，高原 近 地 层 大 气 中存 在 着 强 大 的温 度 递 减 ３ ］ 率 ，伴 随着强 对流 活动 ，使地 面感热 向 中、高层输 送 ，为 多年冻 土提供 了生 存条件 。图 Ｉ 为青 藏高原
清水河 地 区气 温 随时间变 化 曲线 。
１２ 多年冻 土特点 。
这是一种 积极 主动降 温措施 。 通 风管路 基 “ 力系统 ” 中热量 的传递包 含 了 热 所 有 的热传输 方式 。在通风 管 内 ，空气 对流 既有 自
然 对流 ，也有 强迫对 流 ，空 气流 动不仅 要考虑 层流
青 藏 高原 多 年 冻 土 区通 风 管 路 基 温 度 特 性 分 析
杨 永 鹏 ，蒋 富 强
（ 中铁 西北科学研究 院 冻土研究室 ，甘肃 兰州 ７０ ０ ） ３ ００ 摘 要 ：结合青藏铁路清水河试验段试验 ，研究通 风管路基 的温度特性 ，根 据通风管路基 基底 １ｍ 范围 内
第３ 卷 ， ４ １ 第 期 ２ ０ｌ０年 ７月
文 章 编 号 ：ｌＯ ６ ２ （０ ０ ４０ ０—５ Ｏ ｌ４ ３ ２ １ ）０ ０ ７０
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＲＡＩ ＡＹ ＣＩ ＩＷ Ｓ ＥＮＣＥ
Ｖｏ ． １ ＮＯ ４ １３ ．
Ｊ ｌ ，２ １ ｕｙ ０ ０
和边坡位置及冻土上限位置热量周转和通风管 内外温度 ，分析通风 管路基对保 护多年冻 土的有效性 。研 究结果 表明 ：青藏高原严寒 的气候为通风管的适用性 提供 了环境条件 ；在路 基 中埋 人通风管 ，不但增 加 了路基 与空气 的接触面 ，而且通过 高原 气的强对流活动 ，消耗 路基体 中存在 的热 量 ，有效阻止路 基表 面吸收的辐射 热量下 传 ，起到了保 护下伏多年冻土维持冻结状 态 的作用 ；通风 管路基 作为青 藏高原 多年冻 土 区的一种新结 构形式 ， 为青藏铁 路的建设和安 全运营提供了技术支撑。 关键词 ：通风管 ；路慕 ；温度 特性 ；多年冻土 ；青藏铁路
热管在解决高原冻土问题中的应用
广东石油化工学院机电工程学院热能与动力工程专业传热学小论文题目：热管在解决高原冻土问题中的应用班级：热动10-1学号：25姓名：梁嘉诚成绩：热管在解决高原冻土问题中的应用摘要：我国是冻土大国,多年冻土面积约占国土总面积的2214%。
冻土由于其低温、易变、温度敏感等的特殊工程地质性质，修建其上的道路容易产生路基下沉、路面开裂、凹陷、冻胀翻浆等病害，严重影响着多年冻土区道路的稳定性和安全通行。
热管在解决高原冻土问题中的应用的研究在我国开始不久。
关键词：热管、冻土、高原热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。
一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。
热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。
管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。
热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。
这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。
热管在很多方面都有应用，热管在解决高原冻土的问题的应用是其中一个。
首先我们先来认识一下什么是冻土。
冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。
因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。
正由于这些特征，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。
我国在解决高原冻土最好的例子就是青藏高原铁路了，青藏铁路冻土路基工程中广泛应用的低温热管。
多年冻土区天然地面耦合热管的数值传热分析及优化
第27卷,第6期 中国铁道科学Vo l 27No 62006年11月 CH INA RAILWAY SCIEN CENovember,2006文章编号:1001 4632(2006)06 0001 06多年冻土区天然地面耦合热管的数值传热分析及优化王金良,廖胜明(中南大学制冷空调研究所,湖南长沙 410075)摘 要: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。
关键词:热管;数值传热分析;优化设计;多年冻土 中图分类号:U 213 14 文献标识码:A收稿日期:2005 10 28基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2004G042)作者简介:王金良(1980 ),男,湖北黄冈人,硕士研究生。
应用热管(热棒)解决寒区工程的融沉冻胀问题在文献[1 5]中均有论述。
冻土耦合热管问题的一个显著特点是冻土和热管蒸发段具有耦合边界条件。
考虑到热管内部热阻相对于冷凝段和空气换热热阻及土体热阻要小很多[6,7],本文通过忽略热管内部热阻,得到了耦合边界处的等价第3类边界条件,并利用实际地温气温条件建立了相变传热模型,利用该相变传热模型对冻土区天然地面耦合热管进行了优化,同时利用现场实验值验证了该模型的工程可靠性。
1 物理模型多年冻土地面安装热管后即成为冻土和热管的耦合传热问题,其相互耦合性主要表现在热管蒸发段和冻土交界面处的耦合边界条件,热管和冻土耦合示意图如图1所示。
重力热管在地温条件下传热特性实验研究
重力热管在地温条件下传热特性实验研究华帅1,赵树兴1,沈洋2,许康鹿1(1.天津城建大学天津300384;2.杭州城乡建设设计院股份有限公司杭州310000)摘要：对浅层地温条件下以甲醇为工质的重力热管,在不同工作温度、不同充液率下的传热特性进行了初步实验研究;给出了实验用重力热管传热量、壁面温度分布和启动时间随工作温度、充液率的变化规律,为重力热管的实际工程应用提供一定参考.关键词：地埋重力热管;传热特性;浅层地温;充液率中图分类号：TK172.4文献标志码：A文章编号：2095-719X (2019)04-0275-04Experimental Study of Heat Transfer Characteristics of Gravity Heat Pipes UnderGround TemperatureHUA Shuai 1,ZHAO Shuxing 1,SHEN Yang 2,XU Kanglu 1(1.Tianjin Chengjian University ,Tianjin 300384,China ;2.Hangzhou Urban and Rural Construction Design Institute Limited by Share Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China )Abstract ：In this paper ,the heat transfer characteristics of gravity heat pipe with methanol as working medium in shallowground temperature at different operating temperatures and liquid filling rates are studied.The variations of heat transfer capacity ,wall temperature distribution and start-up time with operating temperature and liquid filling rate of gravity heat pipe are shown ,these will provide some references for the practical application of gravity heat pipes.Key words ：gravity heat pipe ;heat transfer characteristics ;shallow ground temperature ;liquid filling rate收稿日期：2018-09-10;修订日期:2018-10-08作者简介：华帅(1990—),男,河南平顶山人,天津城建大学硕士生.通讯作者：赵树兴(1962———),男,教授,硕士,从事建筑节能与可再生能源应用新技术研究.E-mail :zhaoshuxing@DOI :10.19479/j.2095-719x.1904275重力热管是一种具有极高导热性能的传热元件,它依靠重力作用通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量.与其他类型热管相比,由于没有吸液芯,结构简单,易于加工且兼具高效导热性、均温性、热二极管性等优点被广泛应用于航天设备热控制、电子电路冷却和余热回收等方面[1-2].目前有关重力热管的传热研究,工作温度范围多集中在100℃以上的高温和-20℃以下的低温[3-5],对于浅层地温条件下的重力热管研究较少.田亚护等[6]利用三维有限元分析法对浅层地温条件下的重力热管横向和纵向温度场分布开展了数值模拟研究,并对其温度场变化趋势进行了预测;郑广瑞等[7]以氨为工质,对重力热管的内壁面温度分布及周围土壤温度分布进行了数值模拟计算和实验验证.可见关于浅层地温条件下的重力热管传热研究多与温度分布规律的数值模拟和实验验证相关.本文旨在通过实验研究的方法在浅层地温条件下,对以甲醇为工质的重力热管的传热量、壁面温度分布和启动时间进行初步实验研究.1实验系统本文设计并搭建了模拟浅层地温条件下的重力热管实验系统,该系统由实验用重力热管、加热系统、冷却系统、温度测量和数据采集系统[8]四个部分组成,可以测定浅层地温条件下重力热管的传热特性.系统基本组成详见图1.1.1实验用重力热管目前,实际工程应用中浅层地温条件下的常见重力热管管径范围60~160mm ,长度范围4~13m.本实验用重力热管采用5∶1等比缩小,材质为黄铜,管内工质为甲醇,长度800mm ,外径32mm ,内径27mm ,蒸发段、绝热段和冷凝段长度分别为550、150和100mm.热管外包裹有绝热保温棉,可减少传热过程中的热量耗散.天津城建大学学报Journal o f Tianjin Chengjian University第25卷第4期2019年8月Vol.25No.4Aug.2019天津城建大学学报第25卷第4期图1地埋重力热管实验系统原理1.2加热系统由一个“220V 、50HZ ”可调电源和一条电加热带组成,连接温度传感器,可实现温度调节范围0~100℃;可调精度1K ,功率100W/m ;加热段采用电阻丝均匀缠绕在重力热管的蒸发段实现加热;输入功率可按照缠绕电热带的长度进行换算.1.3冷却系统热管的冷凝段采用水冷方式冷却,整个冷却系统由恒温水箱、循环水泵、流量计、水浴套筒和管路组成.恒温水箱可提供-5~100℃的温度调节范围,最大制冷量1500W ;并对管道及容器均以绝热海绵包裹,尽可能避免水循环沿途过程中的热量损失.1.4温度测量和数据采集系统该系统由K 型镍铬-镍硅热电偶、MX100style S3数据采集仪和计算机终端组成.该套设备使用方便快捷,具有多个数据通道,同时处理多组采集信号,可调整测试频率、时间间隔.温度测量范围-50~400℃,测量精度0.1K ,且在实验开始前进行校正,热电偶测点按要求等间距布置在热管的外壁面,如图2所示.2实验研究与分析围绕实验用重力热管,通过可调电源电加热方式模拟浅层土壤环境温度(温度范围10~20℃),配置相应的冷、热源,动力设备和数据采集装置,完成实验用重力热管传热特性的测试与分析.2.1传热量测试与分析实验在加热温度为10~20℃的范围内进行热管传热量的测试,取测温间隔为2℃,以充液量的不同分3组(充液率为20%、40%、60%),每组测6个温度值(加热温度为10,12,14,16,18,20℃)的数据.通过恒温水箱控制冷却水温度恒定在5℃,调节加压水泵和阀门开度,使循环水流量稳定在200L/h.由于热管实际传热量等于冷却水冷却吸收的热量,本实验采取供回水温差来确定热管实际传热量,具体公式如下P =P C =MC P (t o -t i )=ρV C P (T O -T i)(1)式中:P 为热管实际传热量功率,W ;P C 为冷却水冷却功率,W ;M 为冷却水流量,kg/h ;C P 为冷却水的定压比热,J/(kg ·℃);T O 、T i 分别为冷却水进、出口温度,℃;V 为冷却水体积流量,m 3/s ;ρ水为水的密度,kg/m 3.由公式(1)整理计算得到各工况下热管传热量变化曲线如图3所示.从实验结果可以看出,虽然每一组管内充液量不同,但传热量始终是随着加热温度的升高而逐渐加大的.这是由于随着管壁加热温度增加,蒸发段热流密度逐步增加,管内液池沸腾的更为剧烈,工质蒸汽在热压驱动作用下向上部的冷凝段更快地移动,从而交换更多的热量.同理得到各充液率下热管传热量变化曲线,如图4所示.从图中可以看到,随着管内充液量的增加,热管的传热量先增大后减小.这是由于蒸发段主要以沸腾换热为主,加热温度一定,当管内工质充液率较小时,蒸发段液池受热大量沸腾、蒸发,其蒸发量大于冷凝液回流量,导致底部液池降低,沸腾减弱,传输热量减小.当管内充液率较大时,如60%充液率的热管底部液池较深,液池工质蒸发过慢,冷凝液体未能充分吸热蒸发就返回液池形成冷池,池内核态沸腾大幅降低,热1363228242016128201018161412加热温度/℃20%40%60%图3各工况下热管传热量图2重力热管温度测点分布23456789101112131415161—水泵;2—恒温水箱;3—温度球阀;4—真空泵;5—注射器6—手动调节阀;7—三通阀;8—水浴套筒;9—真空压力表10—数据采集仪;11—计算机终端;12—玻璃转子流量计13—温度球阀;14—绝热保温棉;15—电热带;16—可调电源550(蒸发段)150(绝热段)100(冷凝段)012345276··2019年8月2016128513测点位置10℃15℃20℃24(a )20%充液率下的测试18151296513测点位置2410℃15℃20℃(b )40%充液率下的测试15129513测点位置2410℃15℃20℃(c )60%充液率下的测试管传热量反而减小.进一步整理数据得到在不同加热温度及充液率条件下的热管每米换热量,如表1所示.从表中可以看到:在10~20℃加热温度下,每米传热量最大值出现在充液率40%工况下(29~54W );热管每米传热量随着加热温度的提高而逐步增大;在充液率40%工况下每提高1℃,每米传热量大约提高2.5W.2.2壁面温度测试与分析基于本实验搭建的实验台,在重力热管绝热段与冷凝段布置5个测点,按照GB/T 14812—93重力热管传热性能试验标准[9],当测点温度变化在5min 内小于1K 时,可认为热管达到稳定状态.数据采集仪每10s采集一次数据,稳定时不同充液率下测点的温度分布如图5所示.由图5可以看出,在10,15,20℃加热温度下,绝热段与冷凝段各测点的温度变化较小,温差基本均小于3℃,变化趋势平缓.当加热温度升高,重力热管冷凝段的壁面温差相对增大,这是由于此时管内液池部分的核态沸腾更为剧烈,部分贴壁流动的液态甲醇在到达液池之前被高速上升气流卷回上端,出现内壁面局部干涸现象,导致壁面温度升高.此外,根据El-Genk M 等[10]的研究,当热流密度增大至一定值时,流态转变为核态沸腾,液池出现大量气泡,热管蒸发段换热系数也会显著增大,所以在较高加热温度下,整个蒸发段内都可以处于沸腾状态,热管绝热段与冷凝段的温差反而减小.2.3启动时间测试与分析热管的启动时间是热管性能的重要技术参数,它表明热管能否快速稳定地进入工作状态,充液量过高或者过低都可能影响热管的正常启动,对于实际工程具有重要意义.本实验以甲醇为工质,模拟浅层地温条件下的重力热管在不同加热温度和不同充液量影响下的启动特性,同时对蒸发段、冷凝段壁面温度变化过程进行了分析.实验中在热管充液率一定条件下(20%),设置加热段的加热温度分别为10,15,20℃,测试热管的启动时间,即热管首次达到上下波动温度幅值平均值的时间点,测试结果如图6所示;在加热温度一定的条件3630241812602040充液率/%10℃12℃14℃16℃18℃20℃图4各充液率下热管传热量表1各工况条件下热管单位长度传热量温度/℃充液率/%2040601025.1228.7214.351228.7232.3114.351432.3135.8917.951635.8943.0817.951839.4950.2621.542046.6653.8521.54图5各充液率下重力热管各测点温度分布华帅等:重力热管在地温条件下传热特性实验研究277··天津城建大学学报第25卷第4期下(15℃),充液率分别为20%,40%,60%时进行热管的启动性能测试,测试结果如图7所示.由图6实验结果看出,加热温度越高,重力热管启动时间越短.热管启动在10,15,20℃加热温度下分别需要480,420,300s ,20℃与10℃下热管启动时间相差可达60%.这是由于加热温度越高,通过壁面向管内甲醇液体传递的热量越大,管内液池沸腾更为剧烈,可让重力热管在更短的时间内启动.另外,重力热管冷凝段壁面温度分布的曲线随着时间的推移出现了一定幅度的上下波动,这是由于电加热设备电流不够稳定导致的,对实验结果影响不大.如图7所示,表明重力热管在充液率20%,40%,60%情况下均能正常启动.在充液率分别为20%,40%,60%的工况下,实验测试的重力热管启动时间分别为480,440,450s ,说明充液率对启动时间影响不大(最长与最短启动时间相差不到10%);同时启动时间并非随着充液率的增加而单调增加,而是在一定范围内会出现一个最佳值,本实验充液率为40%的工况下,热管启动时间最短.3结论本文在浅层地温条件下,对以甲醇为工质的重力热管在不同工作温度、不同充液率下的传热量及壁面温度分布和启动时间进行了初步实验研究,得出如下结论.(1)实验用重力热管的传热量受充液率的影响较大.在浅层地温条件下(10~20℃),热管的传热量随着管内充液量的增加先增大后减小,充液率达到40%时传热量出现最大值(29~54W );热管每米传热量随着加热温度的提高而逐步增大,在充液率40%工况下的每米传热量每升高1℃大约可提高2.5W.(2)冷凝段与绝热段壁面温差受加热温度影响不大.在10,15,20℃加热温度下,各测点温度变化较小且温差均小于3℃;加热温度升高,热管冷凝段与绝热段的壁面温差会相对增大,当热流密度增大至一定值时,温差反而减小.(3)在充液率20%,40%,60%下,重力热管均能正常启动.不同充液率影响的启动时间相差不大,最长与最短启动时间相差不到10%;而加热温度对热管的启动性能影响显著,且加热温度越高启动时间越短,20℃与10℃下热管启动时间相差可达60%.参考文献：[1]徐伟,陈思嘉,何燕,等.热管技术在余热回收中的应用研究进展[J].广东化工,2007,53(2):40-42.[2]李德富,刘小旭,邓婉,等.热管技术在航天器热控制中的应用[J].航天器环境工程,2016,33(6):625-633.[3]ROONAK D ,ABDELLAH S.An experimental study of a heatpipe evacuated tube solar dryer with heat recovery system [J].Renewable Energy ,2016,96(5):872-880.[4]龙志强,张鹏.混合工质低温热管传热性能[J].化工学报,2012,63(S1):69-74.[5]曲伟,王焕光.高温及超高温热管的相容性和传热性能[J].化工学报,2011,62(S1):77-81.[6]田亚护,刘建坤,沈宇鹏.青藏铁路多年冻土区热棒路基的冷却效果三维有限元分析[J].岩土工程学报,2013,35(S2):113-119.[7]郑广瑞,杨峻.低温热管地热利用实验及数值模拟[J].可再生能源,2011,29(3):104-107.[8]沈洋.大长径比地埋重力热管传热特性研究[D].天津:天津城建大学,2016.[9]重力热管传热性能试验方法:GB/T 14812—1993[S].[10]El-GENK M ,SABER H.Flooding limit in closed ,two-phaseflow thermosyphons [J].Heat &Mass Transfer ,1997,40(9):2147-2164.2520151051200400时间/s200100080060010152020151012000400时间/s200100080060020%40%60%图6加热温度与启动时间关系曲线图7充液率与启动时间关系曲线278··。
青藏铁路多年冻土工程的研究与实践
三、青藏铁路多年冻土工程的实践探索
2、多年冻土工程的监测与维护为了确保青藏铁路多年冻土工程的稳定性和安 全性，采用了先进的监测技术，如遥感技术、自动化监测技术等，对多年冻土的 融化和变形进行实时监测。同时，在工程运营期间，加强维护管理，定期进行检 查和维修，确保工程的长期稳定运行。
三、青藏铁路多年冻土工程的实践探索
三、青藏铁路多年冻土工程的实 践探索
三、青藏铁路多年冻土工程的实践探索
1、多年冻土工程的设计与施工在青藏铁路多年冻土工程中，设计与施工是确 保工程成功的关键环节。依据实验研究法和数值分析法所取得的研究成果，设计 人员制定了科学合理的设计方案。在施工过程中，采用了各种先进技术和工艺， 如高温热棒技术、地基加固技术、保温保湿技术等，以确保工程的施工质量。
二、青藏铁路多年冻土工程的研究方法
1、实验研究法实验研究法是通过对多种工况下的多年冻土进行实验，研究其 物理、化学及力学等性质的变化规律，为工程设计和施工提供基础数据和理论支 持。在青藏铁路多年冻土工程中，实验研究法得到了广泛应用，为解决多种复杂 工程问题提供了重要依据。
二、青藏铁路多年冻土工程的研究方法
2、数值分析法数值分析法是通过建立数学模型，对多年冻土工程的稳定性、 安全性及环境影响等方面进行数值模拟分析，以优化工程设计、预测工程效果。 在青藏铁路多年冻土工程中，数值分析法起到了至关重要的作用，为工程的方案 制定、施工指导和运营维护提供了重要依据。
二、青藏铁路多年冻土工程的研究方法
3、现场调查法现场调查法是在工程施工及运营过程中，对多年冻土进行实地 勘查、检测和分析，以获取第一手资料，评估工程的实际效果。在青藏铁路多年 冻土工程中，现场调查法是不可或缺的研究手段，为工程的动态监测、安全预警 及维护管理提供了重要支持。
青藏铁路冻土工程有关问题的探讨
青藏铁路冻土工程有关问题的探讨李成【摘要】冻土是一种特殊的土体,有着不同于普通土的许多特点.多年冻土的季节融化层每年都要发生季节性的冻融过程,并伴随着发生各种不良冻土地质现象,产生一系列的工程问题.融沉、冻胀和不良冻土地质是多年冻土区筑路工程最主要的问题.对青藏线多年冻土区各类路基工程措施进行了讨论和介绍,并强调全球范围内气温升高将改变青藏高原多年冻土的环境.为了应对高温冻土和全球变暖的严峻挑战,必须改变以往沿用的消极被动保护冻土的方法,而采用积极主动保护冻土的工程措施,即冷却地基的方法,应研究开发新的地温调控原理和技术,采用新的路基结构形式,以确保路基工程的长期稳定.【期刊名称】《铁道勘察》【年(卷),期】2007(033)003【总页数】4页(P84-87)【关键词】铁路工程;青藏线;多年冻土;工程措施【作者】李成【作者单位】铁道第一勘察设计院,陕西西安,710043【正文语种】中文【中图分类】U21 概述青藏铁路格尔木至拉萨段全长约1 100 km，昆仑山北坡西大滩至唐古拉山南麓安多河谷地段，要穿越550 km的多年冻土。
全线线路海拔高程大于4 000 m地段约965 km。
在唐古拉山越岭地段，铁路最高海拔为5 072 m。
青藏高原的多年冻土大多属于高温冻土，极易受到工程的影响而产生融化下沉。
在青藏高原多年冻土区修筑工程会遇到一系列特殊的工程地质问题，如热融滑塌、热融湖塘、冻胀丘、冰锥、冻土沼泽湿地、厚层地下冰，以及活动层冰融过程的融沉、冻胀等。
青藏高原其独特的地理位置，变化多样的地貌特征，严峻的自然条件和复杂的地质环境，使得冻土工程问题成为青藏铁路工程建设中的一大难题。
1.1 青藏线多年冻土分布特征青藏线多年冻土北起昆仑山北麓西大滩，南至安多县城附近，中间有融区分布。
多年冻土呈南宽北窄分布。
根据多年冻土的含冰量及其融沉性、冻胀性，将多年冻土分为少冰、多冰、富冰、饱冰冻土和含土冰层。
依据多年冻土平均地温，将沿线多年冻土划分为高温极不稳定区、高温不稳定区、低温基本稳定区、低温稳定区四个区域。
导热冠军——热管
导热冠军——热管
刘坤
【期刊名称】《青苹果：高中版》
【年(卷),期】2007(000)004
【摘要】<正>青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路,沿线高寒缺氧,冻土广布,工程十分艰巨。
为保证路基的稳固度,青藏铁路冻土段采用了一种"热管"来进行地基冷却,效果奇特而且特别安全。
【总页数】5页(P31-35)
【作者】刘坤
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】G634.7
【相关文献】
1.新型的导热原件—热管：兼议热管重沸器的设计要点 [J], 黄乙林
2.超导热管与常规热管异同的探讨 [J], 李海利
3.导热冠军——热管(上) [J], 韩吉辰;
4.导热冠军——热管(下) [J], 韩吉辰;
5.热管导热板当量导热系数研究 [J], 战栋栋;钱吉裕
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