[发明专利]一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法

说明书

技术领域

本发明涉及超长柔性热管及其地热融雪除冰方法，属于地热利用和低温热管应用技术领域。

技术背景

冬季，特别是寒冷地区，气温长时间处于零度以下，降雪后道路易形成积雪或结冰，路面湿滑，严重妨碍正常的交通运行，特别是坡道、交叉路口、机场、桥梁等路面的积雪结冰，给人们的出行带来极大的安全隐患。

传统的融雪除冰方法有清除法和融化法两种。清除法是采用人工或机械设备对积雪和结冰进行清除，人工除雪效率极低，大型除雪设备的运行成本高昂，作业中不可避免地会导致交通中断，同时，机械较难彻底清除路面结冰。融化法包括化学融化和热融法两种。其中，化学融化是在雪后的路面喷洒融雪剂(NaCl、CaCl₂、MgCl₂、KCH₃COO)等，利用盐水混合降低冰雪的熔点使积雪融化，该方法成本低、效果较好，但会给土壤造成严重的污染，加快混凝土内部钢结构的腐蚀。此外，上述几种方法均需在降雪后进行，显然不适用于军用机场跑道、医院紧急入口等需要全天候不间断运行的特殊道路。

热融法采用加热的方式融雪化冰，可全天候满足道路的融雪要求，目前主要有电缆/碳纤维加热、导电混凝土加热和循环热流体加热等。北京中企卓创科技发展有限公司在公开号为CN104863036A的专利中提出采用碳纤维或电缆加热机场路面融雪化冰，该类方法直接将电能转换为热能，能耗较大，经济性差。哈尔滨理大晟源科技开发有限公司的张荣海在公开号为CN103669163A的专利中提出利用地下换热器和循环泵取地热，通过热流体循环加热路面达到融雪化冰的目的；重庆交通大学赵宁雨等在公开号为CN104594156A的专利中提出以地热为热源，采用热泵加热流体，再通过管道循环加热道路的方法来融雪化冰。上述两种方法均采用地热循环加热流体的方式来融雪，能耗较低，但循环泵、热泵等设备的使用，增加了系统的复杂性，运行可靠性降低。

基于热管的地热融雪除冰系统，不存在环境污染的问题，且无需任何外加能源动力即可自行运行，是公认的最具发展前景和可持续性的技术。在公开号为CN104404854A、CN201933383U、CN201047050Y等专利中，发明人提出了几种采用热管取地热融雪化冰的方法。然而，土壤恒温层一般在地表20m以下，取地热所用热管通常需具备超长结构(40m以上)，管内蒸汽向上流动与冷凝液向下回流的沿程阻力随之增大，不利于工质蒸发-冷凝循环过程。其次，该类热管工质的充液量大，蒸发段液池液位较高，液池底部的液体静压力会极大地提高工质的局部饱和温度(即相变温度)，降低热管的启动性能，抑制蒸发段的高效蒸发传热，进而影响热管的整体传热性能。

下面以总长90m的氨热管为例，计算分析液体静压力对超长热管工质液池底部饱和温度的影响。设该热管布置于恒温层为15℃左右的土壤地区，工质氨静置时蒸发段液池高30m，假定其正常运行时工作温度接近15℃，即液池液面处饱和温度为15℃。已知温度15℃条件下，液氨密度ρ_L为616.7kg/m³，饱和蒸汽密度ρ_V为6.44kg/m³，饱和蒸汽压P_s为7.26×10⁵Pa，表面张力σ_l为0.0225N/m，汽化潜热h_fg为1.208×10⁶J/kg，则液池底部液体静压力为：

P_L＝ρ_Lgh＝616.7×9.81×30＝1.815×10⁵Pa

总压力为：

P_t＝P_L+P_s＝(7).26+1.815×10⁵＝9.075×10⁵Pa

该压力下氨对应的饱和温度为21.9℃。

氨工质该条件下形成沸腾所需过热度约为：

故该热管蒸发段底部产生沸腾所需加热温度高达：

T_b＝T_s+△T＝21.9+0.1＝22℃

显然，在温度为15℃的土壤恒温层中该热管蒸发段下部分将难以形成稳定的沸腾工况。