制冷与集热技术在寒区路基工程中的应用研究

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作者：

胡田飞

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摘要：

对于寒区路基工程,温度变化引起的各种热力学效应是影响路基稳定性的主要原因之一.冻土路基病害的本质原因在于热量的收支不平衡特征,即多年冻土在暖季的过度热输入和季节性冻土在冷季的过度热损失.目前,多年冻土路基"主动冷却"措施,包括块石路基,通风管,热管等,均存在冷却效率低和季节匹配性差的不足.季节性冻土路基冻胀防治措施主要着眼于土质改良,水分控制和被动保温,缺乏对传热量的主动调控.从传热学角度分析,寒区路基热学稳定性维护的最有效途径在于严格控制热量收支平衡,实时控制多年冻土在暖季的热输入和季节性冻土在冬季的热损失,两者分别属于制冷和供热问题.制冷与供热技术在人居环境调节和工业应用领域,已形成完整成熟的学科体系.制冷和供热技术均需要能量补偿来驱动不可逆传热过程.中国冻土地区的太阳能,风能,地热能等可再生能源分布条件良好,各类新能源利用技术日趋成熟,基于新能源驱动的制冷技术与供热技术在寒区路基工程中具有巨大的应用潜力. 本文主要以国家自然科学基金重点项目"面向多年冻土地区高速铁路建设的温控热桩技术及其环境影响"(41731281)为依托,基于制冷与集热技术原理及方法,对常规蒸气压缩式制冷技术,热驱动制冷技术,以及太阳能集热技术和地源热泵技术等集热技术的特征和发展水平等内容进行了比较.在此基础上,结合新能源利用技术,提出了四种面向寒区路基工程的主动热学调控方法与装置,包括面向多年冻土区路基工程的制冷措施:压缩式制冷管和吸附式制冷管;面向季节性冻土区路基工程的供热措施:太阳能集热管和地源热泵管.以上述四种措施为对象,通过技术调研,可行性分析,装置设计与制作,模型与现场试验等方法,对其热学性能,技术适用性等内容进行了研究,以期建立一套寒区路基热学稳定性主动调控技术体系.本文取得的主要研究成果包括: (1)阐明了现有寒区路基热稳定性维护措施季节匹配性差和热学效率低的本质原因在于,均局限于自然温差驱动下的传热过程.结合建筑环境与能源应用工程等学科领域的理论与方法,提出分别将制冷技术和集热技术引入到多年冻土区和季节性冻土区路基工程,通过附加逆向于自然传热方向的热输出和热输入过程,来严格控制路基在病害易发季节的热量收支平衡状态和温度变化. (2)通过一系列冻融循环试验,三轴压缩试验及物理性质测定试验,分析冻融循环作用下干密度变化和水分重分布对土体力学性质变化的耦合作用机制,揭示冻融循环强化和劣化等多样化效应的内在机理.进而提出,寒区路基稳定性维护应着眼于更为主动和有效的热学调控. (3)通过制冷技术和集热技术的对比,结合我国寒区丰富的新能源分布条件和新能源利用技术,归纳路基热稳定性调控措施的特殊要求和设计原则,比选出压缩式制冷技术,热驱动吸附式制冷技术,太阳能集热技术和地源热泵技术在寒区具有较好的适用性,且均可由可再生自然能源驱动运行. (4)提出两种面向多年冻土区路基工程的制冷装置,包括压缩式制冷管和太阳能光热吸附式制冷管,对其结构型式,装置部件及选型,加工制作步骤,智能化控温功能等方面内容进行设计.分别制作样机,并建立制冷性能试验系统,通过对不同试验条件下装置制冷温度和试验箱土体温度监测数据的分析,确定两种装置的制冷温度,制冷量,制冷功率,制冷系数,有效冻结半径等性能指标的量值范围,并分析其影响因素及实用性. (5)提出两种面向季节性冻土区路基工程的集热装置,包括太阳能集热管和地源热泵管,设计装置的基本部件和整体结构型式.分别制作样机,并建立供热性能试验系统,基于试验监测结果,确定最高集热温度,平均供热温度,集热量,集热效率及有效供热半径等性能指标的量值范围及其影响因素. (6)基于热储量变化和稳态传热理论,综合确定多年冻土区路基在暖季的冷负荷和季节性冻土区路基在冬季的热负荷.根据上述四种装置的性能试验结果,讨论其热学功率与路基负荷的匹配性,提出相应的应用方案.

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关键词：

多年冻土区 铁路路基 热学稳定性 主动调控

学位级别：

博士

学位年度：

2018