【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于冻土区路基工况检测，尤其涉及一种适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法、系统及设备。
技术介绍
1、冻土区道路常面临着许多病害，常见的病害包括路基冻胀、融沉、路面开裂和滑塌等，其病害的主要成因是冻土的季节性冻融循环、周期性的温度变化以及气候变暖引起的冻土退化，在冬季前，融雪或降雨增加了土壤中的水分，冬季时，土壤中的水分冻结膨胀，引发路基冻胀，而到夏季融化后，土壤体积缩小，又会导致路基沉降和路面开裂，此外，融化后的冻土层结构松散，尤其在坡地，易引发路基滑塌，进一步加重道路破坏。
2、热管由于其结构简单、制造便于批量生产、安全可靠性高，传热性能良好，被广泛应用于冻土区的铁路、公路、机场、输油管线、水利等工程中，其中在多年冻土区，热管被用来冷却地基，防止地基冻融变形，保证冻土地基的稳定；在季节性冻土地区，热管被用来防止冻土的形成及冻融循环对路基的影响，确保路基在严寒条件下保持稳定，避免冻胀造成的损害。
3、冻土区热管路基在长期运行中，热管内工质与管壁会发生电化学反应，生成不凝性气体。这些气体在热管的工作温度下无法液化—蒸发，而是占据部分冷凝空间，增加工质蒸汽的流动阻力，进而削弱热管的传热能力，随着不凝性气体含量的增多，热管的换热能力将逐渐下降，使得热管的功效无法充分发挥，对冻土区热管路基的稳定性和长期使用构成不利影响，迫切需要提出一种适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法、系统及设备，预测热管工作寿命，保证路基的长期稳定性，针对这一问题，可以利用热管内不凝性气体在冷凝段上部的积累的特点，提出一种冻土区
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法、系统及设备，该方法基于不凝性气体导致冷凝段局部冷凝系数下降及壁面温度降低的现象，能够有效预测不凝性气体含量，避免因热管失效引发的路基变形、塌陷等灾害，保障冻土区路基的长期稳定运行和安全。
2、本专利技术技术方案如下：
3、第一方面，本专利技术提供了一种适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法,该方法包括如下步骤：
4、s1、热管冷凝段热通量监测点布置设计：在热管冷凝段起始点处的外管壁设置热通量监测点；
5、s2、热管工作状态判断：获取当前时刻热管冷凝段起始点处外管壁处热通量 qe，以 qe＞0w/m2作为热管处于工作状态的判断标准；
6、s3、热管冷凝段温度监测点布置设计：以5cm为间隔，在热管冷凝段上均匀布置温度监测点；
7、s4、热管内不凝性气体长度计算：从热管冷凝段顶端开始以两个温度监测点之间距离为单位，计算不凝性气体长度；
8、s5、收集存储热管内不凝性气体相关生成参数：计算热管内不凝性气体的总长度lncg，并记录当时的时间参数，然后接下来每个周期对热管重复执行s2、s3、s4，直至所收集数据超过20组，则执行s6；
9、s6、拟合热管内不凝性气体长度的计算经验公式：通过所收集存储的热管运行时间参数以及其对应的不凝性气体的累积量，拟合出热管内不凝性气体长度的计算经验公式；
10、s7、热管剩余工作寿命的预测：根据所述步骤s6中的冻土区热管内不凝性气体长度计算经验公式，结合热管运行时间计算热管剩余工作寿命，当热管失效时，提示工程维护工作人员根据设计要求重新充填工质或更换热管。
11、优选的，热管正常工作时在冷凝段释放热量，通过便携式热流计监测热管冷凝段热流密度，以判断热管工作状态。
12、优选的，不凝性气体的长度计算基于温度监测点之间的距离，逐步计算冷凝段中的不凝性气体长度。
13、优选的，在热管运行的多个时间节点上记录不凝性气体的生成情况，并结合时间与温度参数，建立经验公式，以此预测热管的工作寿命。
14、优选的，所述步骤s4中热管内不凝性气体长度计算，按照以下公式进行计算：
15、
16、
17、其中， l为不凝性气体长度，单位为m； n为从热管冷凝段顶端开始布设的温度监测点； pc为热管工质饱和蒸气压力，单位为pa，该值通过参照工质的饱和温度与压力曲线，并基于冷凝段起始点温度测点的平均温度查得； pc, i为冷凝段的工质分压力，单位为pa，根据冷凝段温度测点 i的温度，该值通过参照工质的饱和温度与压力曲线，并基于冷凝段温度测点 i的温度查得；δv为冷凝段两相邻温度监测点之间的空间；z为工质在热管内的压缩因子； a和 b为范德瓦尔斯常数; vm为工质摩尔体积；a为热管冷凝段的管内截面积，单位为m2； ti为冷凝段温度测点 i的温度，单位为k；r为理想气体常数。
18、优选的，所述步骤s6中热管内不凝性气体长度的计算经验公式，按照以下模型进行拟合：
19、
20、其中， k为热管不凝性气体长度的最大值； a是增长速率； to是时间偏移量； t为热管运行时间； to与 a通过所记录的所述热管的运行时间参数以及其对应的不凝性气体的长度采用拟合模型代入 g( t)获得。
21、优选的，所述步骤s6中的热管内不凝性气体长度的计算经验公式，采用以下方法来拟合热管内不凝性气体长度计算经验公式：
22、
23、
24、
25、其中，loss为损失函数；为模型预测的概率值； y i为实际标签（0或1）； θ j为使用梯度下降法最小化损失函数所更新参数。
26、优选的，所述经验公式模型具有通用性，可适用于冻土区不同类型和规格的热管设备。
27、第二方面，本专利技术提出了一种适用冻土区热管不凝性气体的预测系统，所述系统包括：
28、热通量监测装置，用于监测热管冷凝段外管壁的热通量；
29、温度监测装置，用于监测热管冷凝段温度；
30、数据处理模块，用于存储并处理获取的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，适用于冻土区热管路基中热管不凝性气体含量预测，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1中所述的适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，其特征在于，热管正常工作时在热管冷凝段释放热量，通过便携式热流计监测热管冷凝段热流密度，以判断热管工作状态。
3.根据权利要求1中所述的适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，其特征在于，不凝性气体的长度计算基于温度监测点之间的距离，逐步计算冷凝段中的不凝性气体长度。
4.根据权利要求1中所述的适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，其特征在于，在热管运行的多个时间节点上记录不凝性气体的生成情况，并结合时间与温度参数，建立经验公式，以此预测热管的工作寿命。
5.根据权利要求1中所述的适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，其特征在于，所述的热管内不凝性气体长度计算方法如下所示：
6.根据权利要求1中所述的适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，其特征在于，所述的热管内不凝性气体长度的计算经验公式，采用以下拟合模型：
7.根据权利要求1中
8.根据权利要求1中所述的冻土区热管不凝性气体的预测方法，其特征在于：所述经验公式模型具有通用性，可适用于冻土区不同类型和规格的热管设备。
9.一种适用冻土区热管不凝性气体的预测系统，其特征在于，所述系统包括：
10.一种适用冻土区热管不凝性气体的预测设备，所述设备包括：便携式热流计、温度检测仪、数据储存模块，计算模块，其特征在于，所述设备可执行如权利要求1-8任意一项所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，适用于冻土区热管路基中热管不凝性气体含量预测，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1中所述的适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，其特征在于，热管正常工作时在热管冷凝段释放热量，通过便携式热流计监测热管冷凝段热流密度，以判断热管工作状态。
3.根据权利要求1中所述的适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，其特征在于，不凝性气体的长度计算基于温度监测点之间的距离，逐步计算冷凝段中的不凝性气体长度。
4.根据权利要求1中所述的适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，其特征在于，在热管运行的多个时间节点上记录不凝性气体的生成情况，并结合时间与温度参数，建立经验公式，以此预测热管的工作寿命。
5.根据权利要求1中所述的适用于冻土区热管不凝性气体的预测方法，其特征在于，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：晏忠瑞，文艺宏，万旭升，裴万胜，金龙，孙田，路建国，赵韬，刘志良，秦兴盛，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：
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