一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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、KCH 3COO)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。
[0004] 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栗取地热，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，采用热栗加热流体，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，但循环栗、热栗等设备的使 用，增加了系统的复杂性，运行可靠性降低。
[0005] 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。
[0006] 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°C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°C，即液池液面处饱和温度为15°C。已知温度15 °C条件下，液氨密度P L为616 · 7kg/m3，饱和蒸汽密度pv为6 · 44kg/m3，饱和蒸汽压Ps为7 · 26 X 105Pa，表面张力〇1为0 · 〇225N/m，汽化潜热hfAl · 208 X 106J/kg，则液池底部液体静压力为：
[0007] PL = pLgh = 616.7X9.81X30 = 1.815X 105Pa
[0008] 总压力为··
[0009] Pt = PL+Ps = (7).26+1.815X 105 = 9.075X 105Pa
[0010] 该压力下氨对应的饱和温度为21.9°C。
[0011] 氨工质该条件下形成沸腾所需过热度约为：
[0012]
[0013]故该热管蒸发段底部产生沸腾所需加热温度高达：
[0014] Tb = Ts+AT = 21.9+0.1 = 22〇C
[0015] 显然，在温度为15°C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。
[0016] 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。
【发明内容】
[0017] 本发明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，本发明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，本发明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，或结合到地源热栗系统中。
[0018] 本发明的技术方案为: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。
[0019] 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。
[0020] 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〇
[0021] 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。
[0022]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%。
[0023] 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，液池高为30~50mm，结构见图3。
[0024] 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。
[0025] 本发明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。
[0026] 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~ 0.3W/(m · K)，以减少取热过程的热量损失，提高系统整体效率。此外，回填材料14务必夯 实，避免地表水通过钻孔13向下渗透污染地下水。
[0027] 所述超长柔性热管1，利用蒸发段8内衬吸液芯3的毛细抽力均布工质，配合加装的 储液器4可防止工质5在热管底部形成较高的液池，避免液体静压力带来的不良影响;其次， 冷凝段6和绝热段7内不加装吸液芯，可降低冷凝热阻和冷凝液的回流阻力。
[0028]所述超长柔性热管1，具有较高的挠度，可盘卷成直径1~3m的圈，便于运输和安装 布置;外层导热高分子材料9良好的力学性能确保了热管管壳的耐压性，内层金属薄膜11可 提高热管的气密性和相容性，防止内部工质5的泄漏和腐蚀管材;此外，外层高分子材料9固 有的耐腐蚀特性，使热管能够应对复杂环境下的土壤腐蚀，极大增加热管的运行周期。 [0029] 本发明的工作原理如下：
[0030]冬季道路积雪结冰，路面温度较低，但土壤深处（一般大于l〇m)恒温层温度较高 (接近当地年平均气温），在温差推动下，超长柔性热管1内部工质5自发稳定地将通过相变 流动循环将地热传输至路面。热量传输路径如下：首先地热通过热传导作用从土壤传递给 钻孔13内的回填材料14,再由热管蒸发段8管材传导至其内部工质5,均布在吸液芯3中的工 质8通过表面蒸发或核态沸腾将显热转化为潜热，然后工质蒸汽在压差作用下向上流动，将 潜热携带至路基12中的冷凝段6通过冷凝过程释放，释放的热量经管材和路基12的传导作 用到达路面，最后冷凝液在重力作用下回流至蒸发段8重新吸热，完成相变流动循环。依托 上述循环热管可自发地汲取地热加热路基，使冬季路面温度保持在零度以上，从而融雪除 冰。
[0031]对于在具体结构、材质、布置形式、应用场合等进行适当改动，但基本原理与本发 明一致的，也落在本发明的保护范围之内。例如，热管布置形式稍作改变（图8-10)，热管结 构改为环路（图10)、枝状（图11)等，应用场合改为大棚蔬菜种植、室内取暖、地热热栗系统 等。
[0032] 有益效果：
[0033] 超长柔性热管1管壳可直接通过挤压成型，工艺成熟、耐腐蚀性好、可靠性高;超长 柔性热管1蒸发段储液器4与吸液芯3的配合使用，避免了液池液体静压力带来的不良影响； 超长柔性热管1充装二元不相溶工质对，可降低工质的饱和温度，增强其启动性能，促进相 变流动循环;超长柔性热管1具有挠度，可盘卷成圈，运输方便，同时安装布置灵活;基于本 发明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。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明所述超长柔性热管的结构示意图。
[0035] 图2为图1所述超长柔性热管冷凝段与绝热段的竖直截面示意图。
[0036] 图2'为图1所述超长柔性热管蒸发段的竖直截面示意图。
[0037]图3为储液器的竖直截面示意图。
[0038] 图4为实施例2所述超长柔性热管冷凝段呈放射状布置的地热融雪除冰方法的立 体布置图。
[0039] 图5为图4所述地热融雪除冰方法的俯视图。
[0040] 图6为图4所述地热融雪除冰方法的钻孔竖直截面示意图。
[0041 ]图7为图4所述地热融雪除冰方法的钻孔水平截面示意图。
[0042] 图8为实施例3所述超长柔性热管冷凝段平行布置的地热融雪除冰方法的立体布 置图。
[0043] 图9为图8所述地热融雪除冰方法的俯视图。
[0044] 图10为实施例4环路超长柔性热管的地热融雪除冰方法立体布置图。
[0045] 图11为实施例5枝状超长柔性热管的结构示意图。
[0046]其中：1-超长柔性热管，2-超长柔性管材，3-吸液芯，4-储液器，5-工质，6-冷凝段， 7-绝热段，8-蒸发段，9-外层导热高分子材料，10-热熔胶，11-内层金属薄膜，12-路基，13-钻孔，14-回填材料，15-卡箍。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明，但并不因此限制此发明的适用 范围。
[0048] 实施例1
[0049] 本发明所述的一种超长柔性热管结构如图1所示，应用于机场跑道进行冬季的融 雪除冰。超长柔性热管1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;蒸发段8内衬吸液芯3,同时，蒸发段每隔一段距 离焊装一个储液器4，而冷凝段6和绝热段7均未安装吸液芯3和储液器4;热管内充装传热工 质5。所述超长柔性热管1的蒸发段8和绝热段7竖直埋在路基12下方的钻孔13中，钻孔13内 填满回填材料14,冷凝段6弯折后以一定斜率布置在路基12中。
[0050] 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。
[0051 ] 实施例2
[0052] 如实施例1所述的一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法，采用图4~图5所示 的冷凝段6为放射状的布置形式，超长柔性热管1总长55m，蒸发段8长40m，绝热段7为10m，冷 凝段6为5m，外径25mm，内径21mm。超长柔性管材2以PPR为基体，石墨稀为导热填料制得，热 导率1.5W/(m · K)，厚度为2mm，内衬0.1mm铝膜;蒸发段8内衬碳纤维吸液芯，厚度1mm;储液 器4每隔2m加装一个，材质与超长柔性管材2相同，上部为锥形变径接头，长20mm，下部为Φ 40 X 2mm管壳，长60mm，其内部套装超长柔性管材2的等径接管，形成袋状贮液池，等径接管 总长50mm，贮液池高40mm，结构见图3，储液器4内衬吸液芯3;内部工质采用氨与异丁烷工质 对(质量比4:1 )，工质体积占蒸发段8内部空间的40 % ;钻孔13深50m，直径150mm，间距4.5m， 钻孔13下部采用水泥、膨润土和细沙的配比混合物回填，质量比1:2: 2,热导率2.3W/(m· K)，而钻孔13近地表区域采用膨润土与发泡水泥的混合物填充，质量比1:1，热导率0.3W/ (πι·Κ)，并且钻孔13 口以混凝土封死;每个钻孔13内布置三根热管，通过卡箍15固定，见图 5;热管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率为2%，见图6。
[0053] 在空气温度为-8 °C，6级风条件下，单根热管传输功率约0.5kW，地表温度保持在 0.5°C以上。
[0054] 实施例3
[0055] 如实施例1所述的一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法，采用图8~图9所示 的并列布置形式，超长柔性热管1总长70m，蒸发段8长40m，绝热段7为10m，冷凝段6为20m，外 径32mm，内径28mm。超长柔性管材2以ABS为基体，氧化铝为导热填料制得，热导率1 · 0W/(m · K)，厚度为2mm，内衬0.2mm铝膜;蒸发段8内衬不锈钢金属丝网吸液芯，厚度2mm;储液器4每 隔lm加装一个，材质与超长柔性管材2相同，上部为锥形变径接头，长40mm，下部为Φ 50 X 2mm管壳，长60mm，其内部套装超长柔性管材2的等径接管，形成袋状贮液池，等径接管总长 80mm，液池高50mm，结构见图3，储液器4内衬吸液芯3;内部工质采用氨与正丁烧工质对 (质量比1:4)，工质体积占蒸发段8内部空间的80 % ;钻孔13深50m，直径180mm，间距6m，钻孔 13下部采用水泥、膨润土和细沙的配比混合物回填，质量比1: 2:1，热导率1.8W/(m · K)，而 钻孔13近地表区域采用采用水泥与膨胀珍珠岩的混合物填充，质量比1.5:1，热导率0.1W/ (πι·Κ)，并且钻孔13 口以混凝土封死;每个钻孔13内布置三根热管，通过卡箍15固定，见图 7;热管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率为0.5 %。
[0056] 在空气温度为-8 °C，6级风条件下，单根热管传输功率约1.5kW，地表温度保持在 1.5°C以上。
[0057] 实施例4
[0058]如实施例1所述的一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法，采用图10所示的环 路超长柔性热管结构，超长柔性热管1总长150m，蒸发段8长90m，绝热段7为20m，冷凝段6为 4 0 m，外径2 5 m m，内径21 mm。超长柔性管材2以P B为基体，碳化硅为导热填料制得，热导率 1 · lW/(m · K)，厚度为2mm，内衬0· 1mm钢膜;蒸发段8内衬碳纤维吸液芯，厚度1mm;储液器4每 隔2m加装一个，材质与超长柔性管材2相同，上部为锥形变径接头，长30mm，下部为Φ40Χ 2mm管壳，长40mm，其内部套装超长柔性管材2的等径接管，形成袋状贮液池，等径接管总长 50mm，贮液池高30mm，结构见图3,储液器4内衬吸液芯3;内部工质采用水与异丁烷工质对 (质量比1:1 )，工质体积占蒸发段8内部空间的60 % ;钻孔13深55m，直径150mm，间距5m，钻孔 13下部采用水泥、原浆和细沙的配比混合物回填，质量比1:1:1，热导率2.0W/(m · K)，而钻 孔13近地表区域采用膨润土与发泡水泥的混合物填充，质量比1:1，热导率0.3W/(m · Κ)，并 且钻孔13 口以混凝土封死;热管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率为1 %。
[0059] 在空气温度为-8°C，6级风条件下，单根热管传输功率约2.5kW，地表温度保持在2 °C以上。
[0060] 实施例5
[0061] 如实施例1所述的一种超长柔性热管及其地热融雪除冰方法，采用图11所示的枝 状超长柔性热管结构，超长柔性热管1总长70m，蒸发段8长40m，绝热段7为10m，冷凝段6四根 枝管分别为5m，外径32臟，内径21mm。超长柔性管材2以硅橡胶为基体，氮化硼为导热填料制 得，热导率1.2W/(m· K)，厚度为2mm，内衬0.1mm铝膜;蒸发段8内衬不锈钢金属丝网吸液芯， 厚度2mm;储液器4每隔2m加装一个，材质与超长柔性管材2相同，上部为锥形变径接头，长 20mm，下部为Φ 50 X 2mm管壳，长50mm，其内部套装超长柔性管材2的等径接管，形成袋状贮 液池，等径接管总长60mm，贮液池高35mm，结构见图3，储液器4内衬吸液芯3;内部工质采用 氨与异丁烷工质对(质量比4:1)，工质体积占蒸发段8内部空间的60%;钻孔13深50m，直径 100mm，间距4.5m，钻孔13下部采用水泥、膨润土和细沙的配比混合物回填，质量比1:2:1，热 导率1.8W/(m · K)，而钻孔13近地表区域采用采用水泥与膨胀珍珠岩的混合物填充，质量比 3:2，热导率0. lW/(m · K)，并且钻孔13口以混凝土封死;热管冷凝段6埋在路基中，距地表面 5cm，斜率为2 %。
[0062] 在空气温度为-8°C，6级风条件下，单根热管传输功率约1.5kW，地表温度保持在1 °C以上。
【主权项】
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)为错、铜或钢;厚度〇. 1~〇.3mm。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所述超长柔性热管，其特征在于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%。6. 根据权利要求1所述超长柔性热管，其特征在于所述储液器(4)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，储液器(4)内衬吸液芯(3)。7. -种基于如权利要求1所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。8. 根据权利要求7所述的地热融雪除冰方法，其特征在于钻孔（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);采用压力灌浆法回填;钻 孔(13)近地面区域，即绝热段(7)区域，采用热导率在0.1~0.3W/(m*K)的具有绝热特性的 材料回填。
【文档编号】E01C11/26GK105937861SQ201610389338
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】朱跃钊, 王啸远, 范红途, 朱韵卉, 陈海军
【申请人】南京工业大学