一種智能高效調控路基對流換熱的結構制造技術

本實用新型專利技術涉及一種智能高效調控路基對流換熱的結構，該結構包括鋪設在填土路堤內的通風管。所述通風管的一端或兩端管壁之上固定有軸心桿，該軸心桿上套接有轉軸套管且同時設有智能邏輯控制器和空氣溫度傳感器；所述轉軸套管上固定有風門；所述通風管上水平鋪設保溫材料，該通風管內的底部設有溫度傳感器；所述填土路堤內設有路基土體地溫傳感器；所述智能邏輯控制器分別與所述空氣溫度傳感器、所述溫度傳感器、所述路基土體地溫傳感器及所述風門相連。本實用新型專利技術充分利用自然冷能，降溫效能顯著、作用深度大且路基整體穩定性強。

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及凍土工程
，尤其涉及一種智能高效調控路基對流換熱的結構。
技術介紹
在我國青藏高原、東北等多年凍土區，通過長期的演化、發展和變化，形成了厚達幾米、甚至十幾米、各具形態的厚層地下冰。隨著氣候環境的變化、人類工程活動的影響，導致了凍土和地下冰的退化和融化，從而導致各種工程災害的產生，對各種重大工程建筑穩定性產生重要影響。通過采用保護凍土工程措施主動冷卻凍土基礎，是保證凍土工程長期安全運營、穩定的關鍵途徑。而在這些措施中，有效調控凍土工程的對流換熱過程，是保護凍土基礎工程措施的一個重要類型。該類措施通過有效促進冬季或夜晚低溫環境條件下基礎與外界環境的換熱過程，有效抑制暖季或白天高溫環境條件下基礎的換熱過程，由此達到冷能在路基內部的不斷存儲、凍土地溫的不斷降低、基礎穩定性不斷增強的目的。面對國家“十三五”戰略規劃的出臺，青藏高速公路即將開始修筑，但是，高速公路與普通公路相比，普通公路與鐵路相比凍土問題都更為突出。已有研究表明（俞祁浩 等. 我國多年凍土區高速公路修筑關鍵問題研究. 中國科學（技術科學），2014，44（4）: 425 ~ 432），由于黑色路面的強烈吸熱、瀝青路面隔水和阻止水分蒸發散熱的影響，使得相同條件下公路路基的吸熱強度是鐵路的3 倍多，且路基吸熱的主要途徑，主要集中在路堤的中心部位，并難以向周圍凍土散熱。而高速公路比普通公路寬度更大, 更加劇了該種現象的出現。當公路路基寬度增加約1 倍時，路堤底面的吸熱強度增加約0.6 倍，路基吸熱進一步聚集在路基的中心部位，由此產生更加明顯的“聚熱效應”，并導致凍土更加快速的退化。面對更高的技術標準、更寬的公路路面，高速公路與凍土之間的熱作用更加顯著，在多年凍土區修筑高速公路將會面對更為突出的凍土問題和修筑技術難題。由于傳熱途徑、強度等方面的根本改變，通過青藏鐵路等獲得的成功經驗、先進技術難以在青藏高速公路建設中直接應用。作為重要工程措施之一的自動溫控通風路基，雖然在調控凍土路基地溫場方面的發揮重要作用，但仍存在較為突出問題，對降溫效能、工程病害的防控構成重要不利影響，亟待改進。問題之一，風門無法根據季節變化、根據路基內部地溫與外界環境溫度之間的差異，智能進行風門的控制。現有自動溫控通風路基技術，如：路基的自動溫控通風裝置（申請號03218742.4），用于路基中通風管隔熱傳冷控制開關（申請號200520004195.3），路基的荷載式液壓自動溫控通風裝置（申請號03218744.0）等，都是對基于外界環境0℃條件或季節自然變化，進行風門的完全開啟或完全關閉的簡單控制。因此，在秋季來臨、自然環境的降溫過程中，雖然經過整個暖季的吸熱，路堤內部的溫度遠高于環境溫度，但是由于環境溫度仍高于0℃，風門仍處于關閉狀態，路基無法進行換熱及降溫，并在路基傳熱過程中，繼續導致路基以及下部凍土溫度的升高；在春季以后、自然環境的升溫過程中，雖然經過冬季約-10℃~-20℃的降溫過程，路堤內部的溫度已遠低于環境溫度，但是由于環境仍低于0℃，風門仍處于開啟狀態，路基仍與外界進行對流換熱、導致路基升溫，使得路基內部蓄積的寶貴冷能白白流失。問題之二，無法進行短時間的、通風管內熱量的消散控制。在暖季由于風門的長期關閉，路堤不斷吸熱導致路堤整體的不斷升溫，雖然保溫材料可以有效阻止熱量的傳遞，但難以完全隔絕傳熱過程，通風管及以下地溫也處于緩慢升溫過程。由于青藏高原等多年凍土區，環境溫度的劇烈變化，經常會發生路堤內部溫度高于環境溫度情況，特別是在夜間，如果此時能夠適度開啟風門，及時散出通風管內部的熱量，會在很大程度削弱路基內部熱量的積累，有利于消減上部土體傳熱過程的不利影響。
技術實現思路
本技術所要解決的技術問題是提供一種充分利用自然冷能、降溫效能顯著、作用深度大、路基整體穩定性強的智能高效調控路基對流換熱的結構。為解決上述問題，本技術所述的一種智能高效調控路基對流換熱的結構，其特征在于：該結構包括鋪設在填土路堤內的通風管；所述通風管的一端或兩端管壁之上固定有軸心桿，該軸心桿上套接有轉軸套管且同時設有智能邏輯控制器和空氣溫度傳感器；所述轉軸套管上固定有風門；所述通風管上水平鋪設保溫材料，該通風管內的底部設有溫度傳感器；所述填土路堤內設有路基土體地溫傳感器；所述智能邏輯控制器分別與所述空氣溫度傳感器、所述溫度傳感器、所述路基土體地溫傳感器及所述風門相連。所述智能邏輯控制器通過機械鏈桿與所述風門相連。所述路基土體地溫傳感器位于所述通風管底面以下0m ~ 2m深度范圍的路基土體內。所述溫度傳感器位于所述通風管內底部距離所述通風管管口0.5m ~ 10m處。本技術與現有技術相比具有以下優點：1、有效延長降溫時間，大幅提升降溫效能。首先，通過實測資料分析發現，環境溫度約從每年的9月初開始快速下降，并于9月底、或10月初開始低于0℃。而在此過程中，路基內部的地溫就始終高于環境溫度。因此，本技術從每年的9月初，就開始路基的降溫和換熱過程，相對現有技術而言其降溫時間可以提前并延長約一個月。其次，通過模擬計算發現，正是由于風門的及時開啟，每年的9月以后，隨著環境溫度的持續降低、換熱過程的持續進行，通風管與路基填土之間、下部凍土體內，始終保持一個較為穩定地溫梯度、保持路基較穩定放熱熱流，使得路基溫度場整體、平穩和持續降低，有效避免了現有技術降溫過程的短時間、大溫差條件下，地溫梯度分布不均、降溫效能有限的問題。第三，在環境溫度高于路基內部溫度的條件下，風門可以及時關閉，使得冬季蓄積的冷能最大程度蓄積到路基內部的凍土中，最大程度達到該種措施所能達到的最佳工程效果。2、大幅增加降溫幅度、路基影響深度。由于土顆粒對水吸附作用，使得其表層存在一層在負溫條件下始終沒有凍結的未凍水，而未凍水的含量隨著凍土溫度的降低，冰的導熱系數約是水的4.5倍。因此，隨著凍土溫度的降低導熱系數呈現不斷增加的趨勢。正是由于凍土該種特性的存在，以及上述凍結時間的大幅延長、地溫梯度的始終保持，使得凍土路基冬季降溫過程的整體換熱能力得到有效提升，其作用范圍和影響深度隨之大幅增加，從而有效避免了現有技術降溫時間短、僅在表層溫差大條件下淺層降溫顯著，而深層凍土降溫有限的問題。3、開啟分級調控新型路基換熱方式。由于暖季路堤的長期聚熱，經常會發生路堤內部溫度高于環境溫度的情況。本技術充分利用多年凍土區氣候變化劇烈的特點，利用短暫的劇烈降溫的情況，以及夜間溫度通常低于路堤溫度的特點，通過適度開啟風門、適度進行路堤本體的散熱，而不過多影響下部凍土的溫度變化，從而到達削弱暖季傳熱過程影響、提高年際整體降溫效能的目的，由此改變現有技術只能機械、被動、靠消耗底部凍土冷能抵御暖季傳熱過程影響的局面。同時在冷季、或暖季個別短暫低溫環境下，通過全部開啟風門，加大路基整體的對流換熱，可以充分進行冷能蓄積、或補充。4、成倍提高工程降溫效能。正是由于本技術降溫時間的有效延長、路基換熱過程的穩定進行，路基影響深度的大幅增加，以及抑制路基升溫過程等綜合效能的發揮使得本技術的工程降溫效能大幅增加。研究表明，與現有技術相比，本技術在凍土上限提升幅度、凍土地溫降低程度、影響深度等關鍵技術指標方面，本技術的綜合降本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種智能高效調控路基對流換熱的結構，其特征在于：該結構包括鋪設在填土路堤（1）內的通風管（3）；所述通風管（3）的一端或兩端管壁之上固定有軸心桿（5），該軸心桿（5）上套接有轉軸套管（6）且同時設有智能邏輯控制器（7）和空氣溫度傳感器（8）；所述轉軸套管（6）上固定有風門（4）；所述通風管（3）上水平鋪設保溫材料（2），該通風管（3）內的底部設有溫度傳感器（9）；所述填土路堤（1）內設有路基土體地溫傳感器（10）；所述智能邏輯控制器（7）分別與所述空氣溫度傳感器（8）、所述溫度傳感器（9）、所述路基土體地溫傳感器（10）及所述風門（4）相連。

【技術特征摘要】
1.一種智能高效調控路基對流換熱的結構，其特征在于：該結構包括鋪設在填土路堤（1）內的通風管（3）；所述通風管（3）的一端或兩端管壁之上固定有軸心桿（5），該軸心桿（5）上套接有轉軸套管（6）且同時設有智能邏輯控制器（7）和空氣溫度傳感器（8）；所述轉軸套管（6）上固定有風門（4）；所述通風管（3）上水平鋪設保溫材料（2），該通風管（3）內的底部設有溫度傳感器（9）；所述填土路堤（1）內設有路基土體地溫傳感器（10）；所述智能邏輯控制器（7）分別與所述空氣溫度傳感器（8）、所述溫度傳感器（9）、所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：俞祁浩，
申請(專利權)人：俞祁浩，
類型：新型
國別省市：甘肅;62