多年冻土地区热棒降温效应试验探究

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1、多年冻土地区热棒降温效应试验探究摘要：根据热棒特性和冻土地区气候特征，选用真实热棒,分析热棒的工作机理，研发热棒调控式路基降温效应实验设备，设计实验过程和操作步骤，为以后冻土地区热棒的进一步研究提供了可行的室内模拟试验方法。经过实验得出热棒的参数数据，经过处理计算得到了热棒在试验温度下的温度差和换热效率，并对热棒性能进行了评价分析。关键词：多年冻土热棒热棒调控式路基降温效应温度差换热效率1热棒降温效应试验目的热棒在国内已应用于青藏铁路、青藏公路等路基建设中，也已开始进行批量生产，各生产厂家均建立了自己的生产标准，但使用单位除青藏铁路公司于2003年9月9日发布过《青藏

2、铁路公司热棒技术规格和验收标准（暂行稿）》外，国内至今尚无类似标准。而有关文献重点一般都在热棒的设计和施工上，考虑到热棒使用效果的文献很少，且无热棒降温效应的表达，仅凭工程效果不能完全反映热棒降温效应，商家提供的热棒也无降温效应评定参考标准，更无热棒换热效率和启动温差的参数。同时，从2003年修筑的热棒路基使用效果看，部分热棒路基已在2008年就发生了纵向裂缝病害。纵向裂缝病害在热棒路基中发生率约20%,高于高填土路基的10%o部分热棒路基还出现了大波浪变形、不均匀沉陷等热棒路基病害。在病害发生路段，尚无法判断热棒是否工作，其工作效应也没有判定标准和评定参数，这将增大

3、热棒路基病害发生的不稳定性，不利于热棒路基病害的预防和治理。针对上述状况，有必要通过试验对热棒进行降温效应研究，用启动温差和换热效率两个参数作为热棒效果评价的关键，针对热棒的换热效率和启动温差进行科学的试验和测试。2试验装置选择及设计为了评价热棒降温效应，确定换热效率和启动温差两个参数，进行了实验装置的研发。为了使试验得到的参数真实有效，设计出一套试验装置模拟热棒室外工作情况：选择环境箱模拟冻土地区外界环境，应用煤油模拟冻土底层环境，用制冷压缩机制造低温效果，用电加热补偿温度控制器控制温度，采用红外测温仪和温度传感器测量环境箱和煤油的温度，试验装置如下：图1试验装置设

4、计图环境箱通过隔热管道与外部的制冷及温度控制系统相连，冷气通过进风口进入环境箱制造低温环境，其温度由制冷压缩机和电加热补偿温度控制器控制，保证环境箱内温度处于稳定的低温状态。热棒下段的蒸发段置于油杯中，由于油杯较长，故在油杯右侧布设5个温度传感器，用5个温度传感器测试的温度平均值作为油温的代表值，油杯与外界空气采用导热系数很小的隔热材料做绝热处理，油杯中温度的变化只为热棒作用引起。3实验数据采集为了测算出热棒的换热效率和启动温差，需通过上述设计装置进行五组模拟试验测试，将环境箱温度分别控制在-5°C、-10°C、-15°C、-20°C.-25°C,得出相应试验数据，通

5、过数据分析得出热棒降温效应评价标准故。实验数据采集步骤：步骤1：准备阶段。检查热棒试验装置各部件工作性能、各组装部分衔接状况、隔热材料隔热性能、电源电路连接。往油杯中加注llOKg煤油，填满油杯。步骤2：降温阶段。接通电源电路，设置环境箱温度，开启风机和制冷压缩机及温度控制器（试验采用环境箱温度恒温控制）。步骤3：采集阶段。利用温度采集系统分别连续测试环境箱的温度和油杯的油温，每10分钟各测试一次。当环境箱温度、油杯中的温度变化小于0.5°C/小时，结束该组试验。4数据记录与整理根据采集到的温度箱及油杯中油的温度数据，按照环境箱温度-5°C、-10°C、-15°C、-

6、20°C、-25°C分别绘制五组数据表格，将每组实验的数据分别按照累计时间、环境温度、平均油温、实测油温、温度差、降温速率、制冷效率七项内容计算填入表格，由累计时间、环境温度、平均油温、实测油温四项内容计算得出温度差、降温速率和制冷效率。5实验结果分析5.2换热效率与温度差的关系根据采集到的温度箱及油杯中油的温度数据，利用油温的时变关系计算油杯中油的降温速率，利用油的降温速率就可算出热棒的换热效率。降温速率接近零时的空气温度和油温的差值即为热棒的启动温差。热棒换热效率计算公式如下：式中：AT为温度差，T1为环境箱温度，T2为平均油温,V为降温速率，W为换热效率，c为煤

7、油比热容，m为实验煤油质量。由于试验过程中温度梯度是变化的，温差和换热效率也是变化的。可绘制温差和换热效率关系曲线。根据预测，五组温度数据曲线应基本相似，各组数据最终算得启动温差和换热效率应大致相同，但实际测得数据有波动，各组曲线也有差异，部分数据产生偏离点，同一个温度差对应的换热效率也有所差异。经过研究，认为产生偏差和波动的原因是由于风速的作用，不同的温度下风机产生的风速不一样，导致热能的传导产生影响，故将对装置的风速进行进一步研究，使热棒的降温效应能得到综合考虑。6热棒降温效果分析根据换热效率与温度差对应关系，可知每组数据的换热效率与相应温度差近