一種超長柔性熱管的制作方法

本實用新型涉及超長柔性熱管，屬于地熱利用和低溫熱管應用技術領域。

技術背景

冬季，特別是寒冷地區，氣溫長時間處于零度以下，降雪后道路易形成積雪或結冰，路面濕滑，嚴重妨礙正常的交通運行，特別是坡道、交叉路口、機場、橋梁等路面的積雪結冰，給人們的出行帶來極大的安全隱患。

傳統的融雪除冰方法有清除法和融化法兩種。清除法是采用人工或機械設備對積雪和結冰進行清除，人工除雪效率極低，大型除雪設備的運行成本高昂，作業中不可避免地會導致交通中斷，同時，機械較難徹底清除路面結冰。融化法包括化學融化和熱融法兩種。其中，化學融化是在雪后的路面噴灑融雪劑(NaCl、CaCl₂、MgCl₂、KCH₃COO)等，利用鹽水混合降低冰雪的熔點使積雪融化，該方法成本低、效果較好，但會給土壤造成嚴重的污染，加快混凝土內部鋼結構的腐蝕。此外，上述幾種方法均需在降雪后進行，顯然不適用于軍用機場跑道、醫院緊急入口等需要全天候不間斷運行的特殊道路。

熱融法采用加熱的方式融雪化冰，可全天候滿足道路的融雪要求，目前主要有電纜/碳纖維加熱、導電混凝土加熱和循環熱流體加熱等。北京中企卓創科技發展有限公司在公開號為CN104863036A的專利中提出采用碳纖維或電纜加熱機場路面融雪化冰，該類方法直接將電能轉換為熱能，能耗較大，經濟性差。哈爾濱理大晟源科技開發有限公司的張榮海在公開號為CN103669163A的專利中提出利用地下換熱器和循環泵取地熱，通過熱流體循環加熱路面達到融雪化冰的目的；重慶交通大學趙寧雨等在公開號為CN104594156A的專利中提出以地熱為熱源，采用熱泵加熱流體，再通過管道循環加熱道路的方法來融雪化冰。上述兩種方法均采用地熱循環加熱流體的方式來融雪，能耗較低，但循環泵、熱泵等設備的使用，增加了系統的復雜性，運行可靠性降低。

基于熱管的地熱融雪除冰系統，不存在環境污染的問題，且無需任何外加能源動力即可自行運行，是公認的最具發展前景和可持續性的技術。在公開號為CN104404854A、CN201933383U、CN201047050Y等專利中，發明人提出了幾種采用熱管取地熱融雪化冰的方法。然而，土壤恒溫層一般在地表20m以下，取地熱所用熱管通常需具備超長結構(40m以上)，管內蒸汽向上流動與冷凝液向下回流的沿程阻力隨之增大，不利于工質蒸發-冷凝循環過程。其次，該類熱管工質的充液量大，蒸發段液池液位較高，液池底部的液體靜壓力會極大地提高工質的局部飽和溫度(即相變溫度)，降低熱管的啟動性能，抑制蒸發段的高效蒸發傳熱，進而影響熱管的整體傳熱性能。

下面以總長90m的氨熱管為例，計算分析液體靜壓力對超長熱管工質液池底部飽和溫度的影響。設該熱管布置于恒溫層為15℃左右的土壤地區，工質氨靜置時蒸發段液池高30m，假定其正常運行時工作溫度接近15℃，即液池液面處飽和溫度為15℃。已知溫度15℃條件下，液氨密度ρ_L為616.7kg/m³，飽和蒸汽密度ρ_V為6.44kg/m³，飽和蒸汽壓P_s為7.26×10⁵Pa，表面張力σ_l為0.0225N/m，汽化潛熱h_fg為1.208×10⁶J/kg，則液池底部液體靜壓力為：

P_L＝ρ_Lgh＝616.7×9.81×30＝1.815×10⁵Pa

總壓力為：

該壓力下氨對應的飽和溫度為21.9℃。

氨工質該條件下形成沸騰所需過熱度約為：

故該熱管蒸發段底部產生沸騰所需加熱溫度高達：

T_b＝T_s+△T＝21.9+0.1＝22℃

顯然，在溫度為15℃的土壤恒溫層中該熱管蒸發段下部分將難以形成穩定的沸騰工況。

此外，取地熱熱管的超長結構還會帶來成本高、運輸和安裝不便等諸多問題，土壤對金屬管殼的腐蝕還會大大縮短其使用壽命。而現有專利中均未提及解決上述難題的措施和實施方案，因此，目前基于熱管的地熱融雪方法較難進行大面積的推廣應用。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為解決現有融雪除冰技術存在的成本、效率、污染、安裝、運輸等問題而提出了一種超長柔性熱管，利用超長柔性熱管汲取地熱，自發主動全天候地進行道路、橋梁、飛機跑道等區域的融雪化冰。其次，本發明還可以拓展應用于寒冷地區大棚蔬菜種植、室內取暖等地熱直接利用場合，或結合到地源熱泵系統中。

本實用新型的技術方案為：一種超長柔性熱管1，其特征在于整體管殼由超長柔性管材2制成，結構自上往下分為冷凝段(放熱端)6、絕熱段7和蒸發段(取熱端)8三部分；其中蒸發段8內襯吸液芯3，且每隔一段距離焊裝一個儲液器4，而冷凝段6和絕熱段7均未裝吸液芯3和儲液器4；熱管內充裝傳熱工質5。

優選超長柔性熱管1的外徑為10～40mm，總長為40～150m；絕熱段7長度為10～20m；冷凝段6與蒸發段8長度比為1/2～1/10；內襯吸液芯3的厚度為1～2mm；優選蒸發段8每隔1～2m焊裝一個儲液器4。

優選超長柔性管材2為柔性復合材質，可盤卷成直徑1～3m的圈；優選超長柔性管材2由外層導熱高分子材料9與內層金屬薄膜11經熱熔膠10粘結而成；其中所述的導熱高分子材料9的熱導率為1.0～1.5W/(m·K)，一般以塑料或橡膠為基體，填充或交聯導熱填料制成；所述的內層金屬薄膜11為鋁、銅或鋼，其延展性較好，優選內層金屬薄膜11的厚度0.1～0.3mm。

優選熱管內充裝傳熱工質5為二元不互溶工質對；優選工質對為氨與異丁烷、氨與正丁烷、甲醇與正丁烷或水與異丁烷；兩者的質量比為1/4～4/1。利用不互溶雙液共存系統沸點恒低于任一純組分沸點的特性，強化熱管的啟動性能，促進工質的蒸發-冷凝相變循環。

優選熱管內充裝傳熱工質5的體積為蒸發段8內部空間的40％～80％。

優選上述的儲液器4的材質與超長柔性管材2相同，上部為錐形變徑接頭，下部是內徑較大管殼，其內部套裝與超長柔性管材2等徑的接管，形成袋狀貯液池，所述儲液器4同樣內襯吸液芯3。優選上部錐形變徑接頭長為20～40mm，下部為內徑較大管殼，其外徑為30～50mm，長為40～60mm，其內部套裝與超長柔性管材2等徑的接管，形成袋狀貯液池；等徑接管總長為50～80mm，貯液池高為30～50mm，結構見圖3。

所述超長柔性熱管可采用直線、環路或枝狀等多種結構形式。

本實用新型還提供了利用上述的超長柔性熱管的地熱融雪除冰方法，其具體步驟為：將超長柔性熱管蒸發段8和絕熱段7豎直埋在路基12下方的鉆孔13中，鉆孔13中填滿回填材料14，冷凝段6彎折后以1％～5％的斜率布置在路基12中；冬季，在溫差作用下，熱管內部傳熱工質5自發進行蒸發-上升-冷凝-回流的循環，汲取地熱加熱路基，使路面溫度保持在零度以上，從而融雪除冰。

優選上述地熱融雪除冰方法中，鉆孔13內回填材料14分兩層，下部回填材料具有導熱特性，熱導率在1.8～2.3W/(m·K)，為原漿、膨潤土、細沙、水泥或上述材料的配比混合物，采用壓力灌漿法回填，使其向周圍土壤滲透，增大鉆孔13的熱影響區，提高取熱性能；而鉆孔13近地面區域，即絕熱段7區域，采用具有絕熱特性的材料回填，如原漿或膨潤土與無機保溫填料(膨脹珍珠巖、硅酸鈣、發泡水泥、巖棉或礦棉)的配比混合物，熱導率在0.1～0.3W/(m·K)，以減少取熱過程的熱量損失，提高系統整體效率。此外，回填材料14務必夯實，避免地表水通過鉆孔13向下滲透污染地下水。

所述超長柔性熱管1，利用蒸發段8內襯吸液芯3的毛細抽力均布工質，配合加裝的儲液器4可防止工質5在熱管底部形成較高的液池，避免液體靜壓力帶來的不良影響；其次，冷凝段6和絕熱段7內不加裝吸液芯，可降低冷凝熱阻和冷凝液的回流阻力。

所述超長柔性熱管1，具有較高的撓度，可盤卷成直徑1～3m的圈，便于運輸和安裝布置；外層導熱高分子材料9良好的力學性能確保了熱管管殼的耐壓性，內層金屬薄膜11可提高熱管的氣密性和相容性，防止內部工質5的泄漏和腐蝕管材；此外，外層高分子材料9固有的耐腐蝕特性，使熱管能夠應對復雜環境下的土壤腐蝕，極大增加熱管的運行周期。

本實用新型的工作原理如下：

冬季道路積雪結冰，路面溫度較低，但土壤深處(一般大于10m)恒溫層溫度較高(接近當地年平均氣溫)，在溫差推動下，超長柔性熱管1內部工質5自發穩定地將通過相變流動循環將地熱傳輸至路面。熱量傳輸路徑如下：首先地熱通過熱傳導作用從土壤傳遞給鉆孔13內的回填材料14，再由熱管蒸發段8管材傳導至其內部工質5，均布在吸液芯3中的工質8通過表面蒸發或核態沸騰將顯熱轉化為潛熱，然后工質蒸汽在壓差作用下向上流動，將潛熱攜帶至路基12中的冷凝段6通過冷凝過程釋放，釋放的熱量經管材和路基12的傳導作用到達路面，最后冷凝液在重力作用下回流至蒸發段8重新吸熱，完成相變流動循環。依托上述循環熱管可自發地汲取地熱加熱路基，使冬季路面溫度保持在零度以上，從而融雪除冰。

對于在具體結構、材質、布置形式、應用場合等進行適當改動，但基本原理與本發明一致的，也落在本發明的保護范圍之內。例如，熱管布置形式稍作改變(圖8-10)，熱管結構改為環路(圖10)、枝狀(圖11)等，應用場合改為大棚蔬菜種植、室內取暖、地熱熱泵系統等。

有益效果：

超長柔性熱管1管殼可直接通過擠壓成型，工藝成熟、耐腐蝕性好、可靠性高；超長柔性熱管1蒸發段儲液器4與吸液芯3的配合使用，避免了液池液體靜壓力帶來的不良影響；超長柔性熱管1充裝二元不相溶工質對，可降低工質的飽和溫度，增強其啟動性能，促進相變流動循環；超長柔性熱管1具有撓度，可盤卷成圈，運輸方便，同時安裝布置靈活；基于本發明構建的地熱融雪除冰系統運行周期內無需消耗能源動力，無需維護，可全天候自發運行。

附圖說明

圖1為本實用新型所述超長柔性熱管的結構示意圖。

圖2為圖1所述超長柔性熱管冷凝段與絕熱段的豎直截面示意圖。

圖2’為圖1所述超長柔性熱管蒸發段的豎直截面示意圖。

圖3為儲液器的豎直截面示意圖。

圖4為實施例2所述超長柔性熱管冷凝段呈放射狀布置的地熱融雪除冰方法的立體布置圖。

圖5為圖4所述地熱融雪除冰方法的俯視圖。

圖6為圖4所述地熱融雪除冰方法的鉆孔豎直截面示意圖。

圖7為圖4所述地熱融雪除冰方法的鉆孔水平截面示意圖。

圖8為實施例3所述超長柔性熱管冷凝段平行布置的地熱融雪除冰方法的立體布置圖。

圖9為圖8所述地熱融雪除冰方法的俯視圖。

圖10為實施例4環路超長柔性熱管的地熱融雪除冰方法立體布置圖。

圖11為實施例5枝狀超長柔性熱管的結構示意圖。

其中：1-超長柔性熱管，2-超長柔性管材，3-吸液芯，4-儲液器，5-工質，6-冷凝段，7-絕熱段，8-蒸發段，9-外層導熱高分子材料，10-熱熔膠，11-內層金屬薄膜，12-路基，13-鉆孔，14-回填材料，15-卡箍。

具體實施方式

下面結合附圖和實施方式對本實用新型作進一步說明，但并不因此限制此發明的適用范圍。

實施例1

本發明所述的一種超長柔性熱管結構如圖1所示，應用于機場跑道進行冬季的融雪除冰。超長柔性熱管1整體管殼由超長柔性管材2制成，結構自上往下分為冷凝段(放熱端)6、絕熱段7和蒸發段(取熱端)8三部分；蒸發段8內襯吸液芯3，同時，蒸發段每隔一段距離焊裝一個儲液器4，而冷凝段6和絕熱段7均未安裝吸液芯3和儲液器4；熱管內充裝傳熱工質5。所述超長柔性熱管1的蒸發段8和絕熱段7豎直埋在路基12下方的鉆孔13中，鉆孔13內填滿回填材料14，冷凝段6彎折后以一定斜率布置在路基12中。

冬季，在溫差作用下，熱管內部傳熱工質5自發進行蒸發-上升-冷凝-回流的循環，汲取地熱加熱路基，使路面溫度保持在零度以上，從而融雪除冰。

實施例2

如實施例1所述的一種超長柔性熱管及其地熱融雪除冰方法，采用圖4～圖5所示的冷凝段6為放射狀的布置形式，超長柔性熱管1總長55m，蒸發段8長40m，絕熱段7為10m，冷凝段6為5m，外徑25mm，內徑21mm。超長柔性管材2以PPR為基體，石墨烯為導熱填料制得，熱導率1.5W/(m·K)，厚度為2mm，內襯0.1mm鋁膜；蒸發段8內襯碳纖維吸液芯，厚度1mm；儲液器4每隔2m加裝一個，材質與超長柔性管材2相同，上部為錐形變徑接頭，長20mm，下部為Φ40×2mm管殼，長60mm，其內部套裝超長柔性管材2的等徑接管，形成袋狀貯液池，等徑接管總長50mm，貯液池高40mm，結構見圖3，儲液器4內襯吸液芯3；內部工質采用氨與異丁烷工質對(質量比4:1)，工質體積占蒸發段8內部空間的40％；鉆孔13深50m，直徑150mm，間距4.5m，鉆孔13下部采用水泥、膨潤土和細沙的配比混合物回填，質量比1:2:2，熱導率2.3W/(m·K)，而鉆孔13近地表區域采用膨潤土與發泡水泥的混合物填充，質量比1:1，熱導率0.3W/(m·K)，并且鉆孔13口以混凝土封死；每個鉆孔13內布置三根熱管，通過卡箍15固定，見圖5；熱管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率為2％，見圖6。

在空氣溫度為-8℃，6級風條件下，單根熱管傳輸功率約0.5kW，地表溫度保持在0.5℃以上。

實施例3

如實施例1所述的一種超長柔性熱管及其地熱融雪除冰方法，采用圖8～圖9所示的并列布置形式，超長柔性熱管1總長70m，蒸發段8長40m，絕熱段7為10m，冷凝段6為20m，外徑32mm，內徑28mm。超長柔性管材2以ABS為基體，氧化鋁為導熱填料制得，熱導率1.0W/(m·K)，厚度為2mm，內襯0.2mm鋁膜；蒸發段8內襯不銹鋼金屬絲網吸液芯，厚度2mm；儲液器4每隔1m加裝一個，材質與超長柔性管材2相同，上部為錐形變徑接頭，長40mm，下部為Φ50×2mm管殼，長60mm，其內部套裝超長柔性管材2的等徑接管，形成袋狀貯液池，等徑接管總長80mm，貯液池高50mm，結構見圖3，儲液器4內襯吸液芯3；內部工質采用氨與正丁烷工質對(質量比1:4)，工質體積占蒸發段8內部空間的80％；鉆孔13深50m，直徑180mm，間距6m，鉆孔13下部采用水泥、膨潤土和細沙的配比混合物回填，質量比1:2:1，熱導率1.8W/(m·K)，而鉆孔13近地表區域采用采用水泥與膨脹珍珠巖的混合物填充，質量比1.5:1，熱導率0.1W/(m·K)，并且鉆孔13口以混凝土封死；每個鉆孔13內布置三根熱管，通過卡箍15固定，見圖7；熱管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率為0.5％。

在空氣溫度為-8℃，6級風條件下，單根熱管傳輸功率約1.5kW，地表溫度保持在1.5℃以上。

實施例4

如實施例1所述的一種超長柔性熱管及其地熱融雪除冰方法，采用圖10所示的環路超長柔性熱管結構，超長柔性熱管1總長150m，蒸發段8長90m，絕熱段7為20m，冷凝段6為40m，外徑25mm，內徑21mm。超長柔性管材2以PB為基體，碳化硅為導熱填料制得，熱導率1.1W/(m·K)，厚度為2mm，內襯0.1mm鋼膜；蒸發段8內襯碳纖維吸液芯，厚度1mm；儲液器4每隔2m加裝一個，材質與超長柔性管材2相同，上部為錐形變徑接頭，長30mm，下部為Φ40×2mm管殼，長40mm，其內部套裝超長柔性管材2的等徑接管，形成袋狀貯液池，等徑接管總長50mm，貯液池高30mm，結構見圖3，儲液器4內襯吸液芯3；內部工質采用水與異丁烷工質對(質量比1:1)，工質體積占蒸發段8內部空間的60％；鉆孔13深55m，直徑150mm，間距5m，鉆孔13下部采用水泥、原漿和細沙的配比混合物回填，質量比1:1:1，熱導率2.0W/(m·K)，而鉆孔13近地表區域采用膨潤土與發泡水泥的混合物填充，質量比1:1，熱導率0.3W/(m·K)，并且鉆孔13口以混凝土封死；熱管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率為1％。

在空氣溫度為-8℃，6級風條件下，單根熱管傳輸功率約2.5kW，地表溫度保持在2℃以上。

實施例5

如實施例1所述的一種超長柔性熱管及其地熱融雪除冰方法，采用圖11所示的枝狀超長柔性熱管結構，超長柔性熱管1總長70m，蒸發段8長40m，絕熱段7為10m，冷凝段6四根枝管分別為5m，外徑32mm，內徑21mm。超長柔性管材2以硅橡膠為基體，氮化硼為導熱填料制得，熱導率1.2W/(m·K)，厚度為2mm，內襯0.1mm鋁膜；蒸發段8內襯不銹鋼金屬絲網吸液芯，厚度2mm；儲液器4每隔2m加裝一個，材質與超長柔性管材2相同，上部為錐形變徑接頭，長20mm，下部為Φ50×2mm管殼，長50mm，其內部套裝超長柔性管材2的等徑接管，形成袋狀貯液池，等徑接管總長60mm，貯液池高35mm，結構見圖3，儲液器4內襯吸液芯3；內部工質采用氨與異丁烷工質對(質量比4:1)，工質體積占蒸發段8內部空間的60％；鉆孔13深50m，直徑100mm，間距4.5m，鉆孔13下部采用水泥、膨潤土和細沙的配比混合物回填，質量比1:2:1，熱導率1.8W/(m·K)，而鉆孔13近地表區域采用采用水泥與膨脹珍珠巖的混合物填充，質量比3:2，熱導率0.1W/(m·K)，并且鉆孔13口以混凝土封死；熱管冷凝段6埋在路基中，距地表面5cm，斜率為2％。

在空氣溫度為-8℃，6級風條件下，單根熱管傳輸功率約1.5kW，地表溫度保持在1℃以上。