空气动力循环加热装置及其路基

技术领域

本发明涉及季节冻土区工程建设技术领域，具体而言，涉及一种空气动力循环加热装置及其路基。

背景技术

青藏铁路西格段地处青藏高原东北部，铁路线路穿越青海湖北岸滨海平原、冲积平原、冰原台地，平均海拔3220m，年平均降水量376mm，降水分布不均，大部分集中在7-9月，年平均气温-0.6℃，最冷月1月平均气温为-20.6℃。青藏铁路西格段气候寒冷，气温冻结能力强，冻结深度较大，最大冻结深度可达1.8m，属于典型季节冻土区，因冻结、融化导致的路基冻胀、融沉等工程病害相对较严重。

近年来由于青藏高原降雨量的不断增加，造成地下水的富集和地下水位的提高，加之气候环境变化的加剧，导致该类地区冻融工程病害的进一步增加，对路基长期稳定性构成重要影响。虽然以往就季节冻土区工程作用下路基病害开展过一下研究，但研究主要针对公路工程或东北、西北等地区高速铁路工况条件下，路基微冻胀工程作用和影响等问题开展研究。而针对青藏铁路西格段高水位、粗填料、强冻融等特殊条件下的冻融工程病害发育特征、分布规律尚缺乏研究。在常规地区所使用的粗颗粒换填、化学注浆、防水帷幕等方法在该类地区应用中由于受到列车正常行驶、不能中断施工等工程条件限制，以及受到土体冻融强烈作用导致的处置部位开裂、路基下部整体封闭极为困难，都导致了这些方法难以满足实际工程需要。由于以往关于该类工程病害整治工程措施的研究较为薄弱，工程问题长期影响路基稳定和运行安全。

发明内容

本发明的目的包括提供一种空气动力循环加热装置及其路基，其能够利用太阳能资源，通过路基地温场平整加热、路基易冻胀部位重点调控，实现路基均衡、平整加热，有效避免季节冻土区路基冻胀、不均匀起伏等工程病害的产生。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种空气动力循环加热装置，空气动力循环加热装置包括：

集热箱，用于安装在路基外部；

太阳能吸热管，太阳能吸热管的一端插入集热箱、且与集热箱连通；

对流换热管，设置在集热箱和太阳能吸热管的内部，对流换热管的内部形成第一流道，对流换热管的外壁与集热箱和太阳能吸热管的外壁形成第二流道，第一流道与第二流道连通、且填充有空气；

对流动力元件，安装在第一流道内，对流动力元件用于推动空气在第一流道与第二流道内流动；

聚热管，包括相互连通的吸热段和放热段，吸热段插入集热箱中，放热段用于插入路基中，吸热段用于吸收集热箱的热量并传递至放热段，放热段用于加热路基。

这样，太阳能吸热管吸收太阳能、并将热量传递至集热箱，其中，集热箱和太阳能吸热管内部的对流换热管以及对流换热管内部的对流动力元件，能够加快太阳能吸热管与集热箱对流换热，提高对集热箱的加热效率。聚热管的吸热段吸收集热箱的热量并传递至放热段，由放热段加热路基，使路基始终处于净吸热，并且内部热量不断累积，实现路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基冻结、路基冻胀和工程病害产生的目的。

在可选的实施方式中，对流换热管包括：

主管道，设置在集热箱内、且沿集热箱的长度方向延伸；

支管道，支管道的一端与主管道连通，支管道的另一端伸入太阳能吸热管、且与太阳能吸热管连通。

这样，对流换热管能够延伸至每根太阳能吸热管中，将集热箱与每根太阳能吸热管连通，加快集热箱与每根太阳能吸热管对流换热的效率。

在可选的实施方式中，对流动力元件为风机，风机安装在主管道内。

这样，风机鼓动空气流动的效率最高，能够提高空气的流速。

在可选的实施方式中，多个太阳能吸热管连接在集热箱的相对两侧，位于同侧的多个太阳能吸热管间隔均匀布置。

这样，太阳能吸热管布置的数量较多，对集热箱的加热效率较高，而且整体布置规则，装置稳定性较好。

在可选的实施方式中，吸热段插入在集热箱的中上部位，太阳能吸热管插入在集热箱的中下部位。

这样，利用热空气密度小于冷空气的原理，太阳能吸热管中的热空气可以自动上升至吸热段，以加热吸热段，集热箱中上方的冷空气自动下降，并由太阳能吸热管加热成热空气，再次上升，如此循环，提高对吸热段的加热效率。

在可选的实施方式中，空气动力循环加热装置还包括：

太阳能供电器，与对流动力元件电连接，太阳能供电器用于利用太阳能发电、并供电给对流动力元件。

这样，对流动力元件可以直接利用太阳能供电，不需要再连接其它电源，使流动力元件可以独立运行。

在可选的实施方式中，空气动力循环加热装置还包括：

时间控制器，电连接在太阳能供电器与对流动力元件之间，时间控制器用于控制对流动力元件的工作时间。

这样，可以通过时间控制器控制对流动力元件的工作时间，在太阳能吸热管吸热效率较高时，可以通过时间控制器控制对流动力元件运行，以实现对聚热管高效传热，在夜晚或冬季的阴雨天气中，可以通过时间控制器控制对流动力元件暂停运行，延长装置的使用寿命。

第二方面，本发明提供一种空气动力循环加热路基，空气动力循环加热路基包括路基和前述实施方式任一项的空气动力循环加热装置，其中，集热箱和太阳能吸热管安装在路基的外部，聚热管的放热段插入路基的内部。

这样，路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基冻结、路基冻胀和工程病害产生的目的。

在可选的实施方式中，空气动力循环加热路基还包括保温材料层，保温材料层设置在路基的坡面。

这样，保温材料层能够阻止路基内部的热量散失，在昼夜变化过程中有效保证路基内部热量的留存。

在可选的实施方式中，路基的相对两侧均设置有空气动力循环加热装置，路基的一侧上间隔设置多个空气动力循环加热装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的空气动力循环加热路基的结构示意图；

图2为图1中空气动力循环加热装置的结构示意图；

图3为图2中结构的横剖示意图；

图4为图3中结构的右视示意图；

图5为集热箱和太阳能吸热管的透视示意图；

图6为对流动力元件的控制原理示意图；

图7为路基布设聚热管30天后的模拟计算结果地温场示意图。

图标：1-空气动力循环加热路基；2-路基；3-保温材料层；4-锚杆；5-空气动力循环加热装置；6-集热箱；7-太阳能吸热管；8-对流换热管；81-主管道；82-支管道；9-对流动力元件；10-太阳能供电器；11-时间控制器；12-聚热管；13-吸热段；14-放热段。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

本发明实施例正是针对路基冻胀中的关键科技问题而提出，从路基冻胀产生的“水、土、温”三个必不可少的要素中的“路基温度”着手，通过本发明实施例提供的装置达到控制温度、防控路基冻胀的目的。

请参考图1，本实施例提供了一种空气动力循环加热路基1，空气动力循环加热路基1包括路基2、保温材料层3和空气动力循环加热装置5。

保温材料层3设置在路基2的坡面，可以覆盖路基2的整个坡面，并通过锚杆4固定。在其它实施例中，还可以通过在保温材料层3的外表面覆盖薄层土层或其它材料，以压实固定保温材料层3。保温材料层3可以选用建筑岩棉保温材料或一体保温板。具体的，路基2的阳坡坡面和阴坡坡面都可以设置保温材料层3，能够阻止路基2内部的热量散失，在昼夜变化过程中有效保证路基2内部热量的留存。

具体的，请参考图1至图5，图4和图5中箭头表示空气流动的方向。空气动力循环加热装置5包括集热箱6、太阳能吸热管7、对流换热管8、对流动力元件9和聚热管12。其中，集热箱6可以设置在路基2的阳坡侧、靠近坡脚天然地表区域，也可以设置在路基2的阴坡侧、太阳冬季能够照射到的天然地表区域。

太阳能吸热管7的表面具有太阳能吸收涂层，该涂层为太阳能高效吸热材料，可为电镀涂层、电化学表面转化涂层。太阳能吸热管7的一端插入集热箱6、且与集热箱6连通，并形成密闭空间。本实施例中，多个太阳能吸热管7连接在集热箱6的相对两侧，位于同侧的多个太阳能吸热管7间隔均匀布置。这样，太阳能吸热管7布置的数量较多，对集热箱6的加热效率较高，而且整体布置规则，装置稳定性较好。

对流换热管8设置在集热箱6和太阳能吸热管7的内部，对流换热管8的内部形成第一流道，对流换热管8的外壁与集热箱6和太阳能吸热管7的外壁形成第二流道，第一流道与第二流道连通、且填充有空气。集热箱6和太阳能吸热管7利用空气传热，不仅传热效率高，而且对集热箱6和太阳能吸热管7的气密性要求不用太高，降低设计难度和生产成本，即使发生泄漏也不会明显降低装置的性能，提高装置的稳定性。

具体的，对流换热管8包括主管道81和支管道82，主管道81设置在集热箱6内、且沿集热箱6的长度方向延伸。支管道82的一端与主管道81连通，支管道82的另一端伸入太阳能吸热管7、且与太阳能吸热管7连通。这样，对流换热管8能够延伸至每根太阳能吸热管7中，将集热箱6与每根太阳能吸热管7连通，加快集热箱6与每根太阳能吸热管7对流换热的效率。

对流动力元件9为风机，风机安装在主管道81内。这样，风机鼓动空气流动的效率最高，能够提高空气的流速。

聚热管12属于异形热管的类型。聚热管12包括相互连通的吸热段13和放热段14，吸热段13插入集热箱6中，使集热箱6充分包裹加热段，集热箱6与吸热段13组成密闭容器。优选地，吸热段13插入在集热箱6的中上部位，太阳能吸热管7插入在集热箱6的中下部位。这样，利用热空气密度小于冷空气的原理，太阳能吸热管7中的热空气可以自动上升至吸热段13，以加热吸热段13，集热箱6中上方的冷空气自动下降，并由太阳能吸热管7加热成热空气，再次上升，如此循环，提高对吸热段13的加热效率。

放热段14从路基2的半坡与坡脚之间的范围插入路基2中，而且插入方向垂直于路基2的长度方向。聚热管12的长度可以根据现场实际条件确定。吸热段13用于吸收集热箱6的热量并传递至放热段14，放热段14用于加热路基2。其中，聚热管12的长度方向与水平面之间的夹角范围为：-30°～30°，本实施例中，优选聚热管12的放热段14相对于吸热段13向上翘起5°～10°，也就是说，如图1所示，放热段14沿x方向延伸、且沿y方向的上仰角为：5°～10°，使放热段14的高度位置基本位于路基2中心高度位置，在长度方面延伸至路基2宽度的全部或大部分区域。这样，在路基2中安装聚热管12方便，钻孔深度小和数量少，不会改变路基2原有的工程结构，保证了原有路基2的稳定，施工过程对列车正常行驶不构成影响，有效解决满足列车行驶条件下工程施工难题。而且，聚热管12内部由于吸液芯的布设，以及吸热段13相对放热段14存在一定的高度差，在重力、毛细力作用下很容易实现水平热管的功效，实现水平方向的热量的高效传递，由此实现整体装置的无动力高效传热。

请参考图6，空气动力循环加热装置5还包括太阳能供电器10和时间控制器11，其中，对流动力元件9、时间控制器11和太阳能供电器10依次电连接。太阳能供电器10用于利用太阳能发电、并供电给对流动力元件9。这样，对流动力元件9可以直接利用太阳能供电，不需要再连接其它电源，使流动力元件可以独立运行。时间控制器11用于控制对流动力元件9的工作时间。这样，可以通过时间控制器11控制对流动力元件9的工作时间，在太阳能吸热管7吸热效率较高时，可以通过时间控制器11控制对流动力元件9运行，以实现对聚热管12高效传热，在夜晚或冬季的阴雨天气中，可以通过时间控制器11控制对流动力元件9暂停运行，延长装置的使用寿命。

具体的，时间控制器11可以控制对流动力元件9在冬季11月份至次年的3月份中，设计每天早上10点至晚上6点为工作时间段，其它时间均为关闭状态。其次，对于聚热管12对路基2的加热过程，聚热管12由于自身特性，仅在吸热段13的温度高于放热段14的工况条件下开始工作，进行高效传热过程。对于冬季工作时间内的阴雨、下雪天气环境条件，聚热管12的吸热段13的温度低于放热段14的工况条件下，聚热管12仍处于停止工作状态，由此避免路基2内部温度的散出，整体达到高效聚热的效能。

本实施例提供的空气动力循环加热装置及其路基的工作原理：

太阳能吸热管吸收太阳能、并将热量传递至集热箱，其中，集热箱和太阳能吸热管内部的对流换热管以及对流换热管内部的对流动力元件，能够加快太阳能吸热管与集热箱对流换热，提高对集热箱的加热效率。聚热管的吸热段吸收集热箱的热量并传递至放热段，由放热段加热路基，使路基始终处于净吸热，并且内部热量不断累积，实现路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基冻结、路基冻胀和工程病害产生的目的。

本实施例提供的空气动力循环加热装置及其路基的有益效果包括：

1.结构设计合理，实现了高效利用太阳能对路基传热，有效防控路基冻胀破坏等工程问题产生；

2.传热效率较高，通过在对流换热管内安装对流动力元件，实现了管内空气由自然对流到强迫对流的转变，有效加快了管内空气流通速度，并提高了热量传输效率；

3.具有高可靠性、高安全性和高环保性，装置中摒弃了传统的液体工作介质，采用空气作为工作介质，由于空气不易泄露、对接口连接部件不存在腐蚀作用，因此装置成本低、可靠性高和安全性高。

为验证本发明实施例提供的空气动力循环加热装置及其路基的调控效能，结合青藏铁路西宁至格尔木试验工程现场地质情况，进行工程措施作用下的数值模拟仿真计算。

实例：在高度为2.0m、顶面宽度为7.5m的青藏铁路路基阴坡一侧坡面上，在0.5m高度位置水平地将聚热管的放热段插入路基的内部，放热段的长度为8m，聚热管沿路基长度方向的间距为2m。在加热系统设置中，加热功率参照现有1m

在该工况下，12月15日设置该聚热管，在当年冬季1月15日，在布设聚热管天后的模拟计算结果地温场如图7所示。图7为第30天路基经过一个晚上的散热过程，早晨8:30时刻、外界环境温度最低条件下路基地温剖面图。可以看出，(a)在地温量值特征方面，路基内大部分区域地温处于正温状态，路堤下部持力层、水分较高部位地温处于相对高温区域，最高温度可达18℃；(b)在地温场形态特性方面，地温等值线整体呈现水平、相互平行的形态特性，特别是0℃等温线分布平整，即冻结区域、正温区域相互平行，其中冻结区域在路基上部仅有少量、呈薄层线分布均匀、对称分布，能有效解决冻土工程难题，具体表现如下：

(1)改善了原有路基中心区域温度场温度状态，满足季节冻土区铁路路基温度场调控要求，通过图7可以看出，本具体实施方式实施后，路基中心区域、主要持力层的地温均处于正温状态，并在路基中心形成正温、高温土核，同时由于该部分土体水分含量较高、热容量大和聚集热量多，这些都提高了路基对外界环境温度降低的抗冻胀能力；

(2)温度场0℃地温等值线及其他等温线分布完全水平、平整，且冻结区域呈薄层线分布在路基顶部及靠近护坡处，大幅度提高路基稳定性，从图7可以看出，路基温度场分布平整，尤其是0℃等温线分布平整，在路基内整体呈上凸分布，在初春大气降水、冻融交替作用频繁阶段，有利于路基内水分的外排，这将显著消减路基的冻胀量；

(3)消除阴阳坡效应影响，基本消除路基纵向开裂工程病害，从图7可以看出，路面以下的路基温度场基本以路基中心呈对称分布，且路基内温度场等温线分布平整，加上冻结区仅分布在路基顶面及护坡下较薄条形的区域，这将进一步减弱部分冻结部位产生的少量的横向差异冻胀量，进一步消除路基发生纵向开裂的可能。

本实例仅是为了本发明所做的代表性分析，其结论在趋势上(具体数值上会有区别)基本代表本发明所能达到的效果。

此外，模拟计算表明，按照本实施例提供的结构进行季节冻土区铁路修筑，冻土路基在运营期间一直进行热能的存储，路基内冻结区将随运行时间而减小，因此该结构可以满足路基力学稳定性所需要求，并可维持路基长期稳定。

以上，仅为本发明的具体实施方式，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。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。