一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法技术

本发明专利技术涉及超长柔性热管及其地热融雪除冰方法，由超长柔性管材(2)制成，结构自上往下分为冷凝段(6)、绝热段(7)和蒸发段(取热端)(8)三部分；蒸发段(8)内衬吸液芯(3)，且每隔一段距离焊装一个储液器(4)；热管内充装传热工质(5)。将超长柔性热管蒸发段(8)和绝热段(7)竖直埋在路基(12)下方的钻孔(13)中，钻孔(13)中填满回填材料(14)，冷凝段(6)弯折后布置在路基(12)中；在温差作用下，热管内部传热工质(5)自发进行蒸发‑上升‑冷凝‑回流的循环，汲取地热加热路基，使路面温度保持在零度以上，从而融雪除冰。基于本发明专利技术构建的地热融雪除冰系统运行周期内无需消耗能源动力，无需维护，可全天候自发运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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，专利技术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ρL为616.7kg/m3，饱和蒸汽密度ρV为6.44kg/m3，饱和蒸汽压Ps为7.26×105Pa，表面张力σl为0.0225N/m，汽化潜热hfg为1.208×106J/kg，则液池底部液体静压力为：PL＝ρLgh＝616.7×9.81×30＝1.815×105Pa总压力为：Pt＝PL+Ps＝(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：Tb＝Ts+△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。此外，取地热热管的超长结构还会带来成本高、运输和安装不便等诸多问题，土壤对金属管壳的腐蚀还会大大缩短其使用寿命。而现有专利中均未提及解决上
述难题的措施和实施方案，因此，目前基于热管的地热融雪方法较难进行大面积的推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有融雪除冰技术存在的成本、效率、污染、安装、运输等问题而提出了一种超长柔性热管，本专利技术的另一目的是提供一种基于上述超长柔性热管的地热融雪除冰方法，利用超长柔性热管汲取地热，自发主动全天候地进行道路、桥梁、飞机跑道等区域的融雪化冰。其次，本专利技术还可以拓展应用于寒冷地区大棚蔬菜种植、室内取暖等地热直接利用场合，或结合到地源热泵系统中。本专利技术的技术方案为：一种超长柔性热管1，其特征在于整体管壳由超长柔性管材2制成，结构自上往下分为冷凝段(放热端)6、绝热段7和蒸发段(取热端)8三部分；其中蒸发段8内衬吸液芯3，且每隔一段距离焊装一个储液器4，而冷凝段6和绝热段7均未装吸液芯3和储液器4；热管内充装传热工质5。优选超长柔性热管1的外径为10～40mm，总长为40～150m；绝热段7长度为10～20m；冷凝段6与蒸发段8长度比为1/2～1/10；内衬吸液芯3的厚度为1～2mm；优选蒸发段8每隔1～2m焊装一个储液器4。优选超长柔性管材2为柔性复合材质，可盘卷成直径1～3m的圈；优选超长柔性管材2由外层导热高分子材料9与内层金属薄膜11经热熔胶10粘结而成；其中所述的导热高分子材料9的热导率为1.0～1.5W/(m·K)，一般以塑料或橡胶为基体，填充或交联导热填料制成；所述的内层金属薄膜11为铝、铜或钢，其延展性较好，优选内层金属薄膜11的厚度0.1～0.3mm。优选热管内充装传热工质5为二元不互溶工质对；优选工质对为氨与异丁烷、氨与正丁烷、甲醇与正丁烷或水与异丁烷；两者的质量比为1/4～4/1。利用不互溶双液共存系统沸点恒低于任一纯组分沸点的特性，强化热管的启动性能，促进工质的蒸发-冷凝相变循环。优选热管内充装传热工质5的体积为蒸发段8内部空间的40％～80％。优选上述的储液器4的材质与超长柔性管材2相同，上部为锥形变径接头，
下部是内径较大管壳，其内部套装与超长柔性管材2等径的接管，形成袋状贮液池，所述储液器4同样内衬吸液芯3。优选上部锥形变径接头长为20～40mm，下部为内径较大管壳，其外径为30～50mm，长为40～60mm，其内部套装与超长柔性管材2等径的接管，形成袋状贮液池；等径接管总长为50～80mm，贮液池高为30～50mm，结构见图3。所述超长柔性热管可采用直线、环路或枝状等多种结构形式。本专利技术还提供了利用上述的超长柔性热管的地热融雪除冰方法，其具体步骤为：将超长柔性热管蒸发段8和绝热段7竖直埋在路基12下方的钻孔13中，钻孔13中填满回填材料14，冷凝段6弯折后以1％～5％的斜率布置在路基12中；冬季，在温差作用下，热管内部传热工质5自发进行蒸发-上升-冷凝-回流的循环，汲取地热加热路基，使路面温度保持在零度以上，从而融雪除冰。优选上述地热融雪除冰方法中，钻孔13内回填材料14分两层，下部回填材料具有导热特性，热导率在1.8～2.3W/(m·K)，为原浆、膨润土、细沙、水泥或上述材料的配比混合物，采用压力灌浆法回填，使其向周围土壤渗透，增大钻孔13的热影响区，提高取热性能；而钻孔13近地面区域，即绝热段7区域，采用具有绝热特性的材料回填，如原浆或膨润土与无机保温填料(膨胀珍珠岩、硅酸钙、发泡水泥、岩棉或矿棉)的配比混合物，热导率在0.1～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超长柔性热管(1)，其特征在于整体管壳由超长柔性管材(2)制成，结构自上往下分为冷凝段(6)、绝热段(7)和蒸发段(8)三部分；其中蒸发段(8)内衬吸液芯(3)，且每隔一段距离焊装一个储液器(4)；热管内充装传热工质(5)。

【技术特征摘要】
1.一种超长柔性热管(1)，其特征在于整体管壳由超长柔性管材(2)制成，结构自上往下分为冷凝段(6)、绝热段(7)和蒸发段(8)三部分；其中蒸发段(8)内衬吸液芯(3)，且每隔一段距离焊装一个储液器(4)；热管内充装传热工质(5)。2.根据权利要求1所述超长柔性热管，其特征在于其外径为10～40mm，总长为40～150m；绝热段(7)长度为10～20m；冷凝段(6)与蒸发段(8)长度比为1/2～1/10；内衬吸液芯(3)的厚度为1～2mm；蒸发段(8)每隔1～2m焊装一个储液器(4)。3.根据权利要求1所述超长柔性热管，其特征在于超长柔性管材(2)由外层导热高分子材料(9)与内层金属薄膜(11)经热熔胶(10)粘结而成；其中所述的导热高分子材料(9)的热导率为1.0～1.5W/(m·K)，以塑料或橡胶为基体，填充或交联导热填料制成；所述的内层金属薄膜(11)为铝、铜或钢；厚度0.1～0.3mm。4.根据权利要求1所述超长柔性热管，其特征在于热管内充装传热工质(5)为氨与异丁烷、氨与正丁烷、甲醇与正丁烷或水与异丁烷；质量比为1/4～4/1。5.根据权利要求1所述超长柔性热...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱跃钊，王啸远，范红途，朱韵卉，陈海军，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32