多年凍土區(qū)路基用壓縮式制冷裝置的開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)

胡田飛，劉建坤，辛文紹

多年凍土區(qū)路基用壓縮式制冷裝置的開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)

胡田飛1, 2，劉建坤3，辛文紹4

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；3. 中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；4. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

針對(duì)中國(guó)多年凍土區(qū)廣泛面臨的凍土退化和路基熱穩(wěn)定性問(wèn)題，基于壓縮式制冷技術(shù)，提出一種新型多年凍土保護(hù)裝置。首先，分析壓縮式制冷技術(shù)面向多年凍土區(qū)路基工程的適用性。然后，設(shè)計(jì)與制作一款路基專用制冷裝置—自動(dòng)化壓縮式制冷管，包括制冷單元和自動(dòng)化控制單元。制冷單元為壓縮機(jī)、節(jié)流器、蒸發(fā)器和冷凝器順次連接而成的閉合循環(huán)回路，自動(dòng)化控制單元為基于位式控制原理的微電腦控制器。裝置制冷性能試驗(yàn)表明，制冷溫度在正溫環(huán)境中也一直保持在0 ℃以下，且可以自動(dòng)地維持在?5，?10和?15 ℃等恒定范圍內(nèi)，制冷系數(shù)隨著制冷溫度的升高而增大。壓縮式制冷管具有季節(jié)匹配性好和自動(dòng)化程度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以為多年凍土區(qū)路基工程提供一種有效的凍土退化防治方法。

多年凍土退化；路基；制冷技術(shù)；結(jié)構(gòu)型式；部件選型；性能試驗(yàn)

在多年凍土區(qū)，交通線路工程面臨的主要障礙之一是凍土退化及其引起的路基熱穩(wěn)定性問(wèn)題。多年凍土保護(hù)措施主要包括增大路堤高度、鋪設(shè)保溫材料等被動(dòng)型凍土保護(hù)措施，以及塊石層、通風(fēng)管、熱管等主動(dòng)型保護(hù)措施[1]。但是，限于傳熱效率和季節(jié)匹配性方面的不足，目前多年凍土退化仍然無(wú)法得到嚴(yán)格控制[2?3]。隨著川藏鐵路、京藏高速公路等在多年凍土區(qū)的規(guī)劃與建設(shè)，勢(shì)必對(duì)凍土熱穩(wěn)定性提出更高要求，因此有必要發(fā)展更為有效和先進(jìn)的多年凍土保護(hù)方法。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在沒(méi)有外力做功的條件下，熱量不可能逆向地從低溫物體傳遞向高溫物體[4]?，F(xiàn)有多年凍土保護(hù)措施均沒(méi)有外界能量補(bǔ)償，因此其局限性在于，一方面，季節(jié)匹配性差，只能通過(guò)增大凍土在冷季的冷儲(chǔ)量來(lái)間接地抵御暖季熱侵蝕；另一方面，傳熱效率低，冷季傳熱量依賴于凍土與大氣的溫差水平[5]。既有措施的改進(jìn)方向?yàn)槿绾卧谂緦?shí)現(xiàn)對(duì)凍土的實(shí)時(shí)保護(hù)。制冷指通過(guò)人工方法使對(duì)象溫度維持在其周圍環(huán)境溫度以下的過(guò)程，熱量傳遞方向由低溫物體指向高溫環(huán)境[6]。因此，多年凍土保護(hù)實(shí)質(zhì)上屬于制冷技術(shù)范疇，即在暖季將低溫凍土的熱量傳遞向高溫大氣環(huán)境。制冷方法包括壓縮式、吸附式和半導(dǎo)體式等，主要面向建筑與工業(yè)領(lǐng)域，制冷設(shè)備與技術(shù)工藝多具有行業(yè)性特征[7]。限于學(xué)科差異和應(yīng)用局限性，制冷技術(shù)在多年凍土工程領(lǐng)域還未見(jiàn)應(yīng)用。近年來(lái)，隨著制冷裝備技術(shù)和新能源利用技術(shù)的進(jìn)步，制冷技術(shù)應(yīng)用于多年凍土工程的技術(shù)性和資源性條件已經(jīng)逐步成熟。但是，多年凍土退化具有分散性強(qiáng)、分布深度大等特點(diǎn)，面向路基工程時(shí)，制冷裝置應(yīng)滿足集成化、小型化、驅(qū)動(dòng)源分散供應(yīng)等特殊要求，因此需要進(jìn)行針對(duì)性的制冷裝置型式設(shè)計(jì)與功能優(yōu)化。在此，結(jié)合多年凍土保護(hù)要求，分析壓縮式制冷技術(shù)面向多年凍土區(qū)路基工程的適用性。通過(guò)設(shè)備選型和裝置型式設(shè)計(jì)，提出一款路基專用的多年凍土保護(hù)裝置，即自動(dòng)化壓縮式制冷管。最后，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證壓縮式制冷管工作溫度、自動(dòng)化功能等方面的實(shí)用性。

1 凍土退化與壓縮式制冷技術(shù)

1.1 多年凍土保護(hù)的制冷技術(shù)要求

多年凍土退化的特殊之處在于，一方面，多年凍土區(qū)地表的活動(dòng)層厚度一般在2 m以上，凍土層退化深度可達(dá)15 m，年平均升溫速度可達(dá)0.1 ℃/a，深度大、范圍廣；另一方面，凍土退化和路基熱害多呈段落式分布，分散性強(qiáng)。因此，面向多年凍土區(qū)路基工程時(shí)，制冷裝置應(yīng)具有離散式和大深度的冷量輸出方式。

根據(jù)熱儲(chǔ)量變化理論和凍土地層的熱物理性質(zhì)，普通單線鐵路路基下部退化多年凍土在暖季的平均冷負(fù)荷在10 W/延米范圍內(nèi)[8]。因此，多年凍土保護(hù)的冷量輸出要求在制冷領(lǐng)域?qū)儆谖⑿⌒椭评湎到y(tǒng)的功率范圍，單體集成式的小型制冷系統(tǒng)是路基工程的必要選擇。同時(shí)，制冷的實(shí)現(xiàn)必須具有外部能量補(bǔ)償，包括電能、機(jī)械能或熱能等。在中國(guó)多年凍土區(qū)，限于基礎(chǔ)設(shè)施條件，難以通過(guò)電網(wǎng)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)路基的長(zhǎng)距離制冷，因此解決驅(qū)動(dòng)源問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)多年凍土路基制冷的關(guān)鍵。

1.2 壓縮式制冷技術(shù)的適用性

在普通制冷技術(shù)領(lǐng)域，基于物質(zhì)相變的壓縮式制冷是最為成熟的制冷方式。面向多年凍土區(qū)路基工程時(shí)，壓縮式制冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：1) 制冷溫度范圍廣，從稍低于環(huán)境溫度至?150 ℃均可實(shí)現(xiàn)，通常在?40 ℃以上，可以有效保護(hù)多年凍土。2) 單機(jī)容量范圍廣，制冷量從幾十W到數(shù)千KW，有大、中、小各種容量，可以根據(jù)凍土退化冷負(fù)荷水平選擇相應(yīng)的設(shè)備容量。3) 技術(shù)成熟，部件結(jié)構(gòu)緊湊，蒸發(fā)器和冷凝器可以根據(jù)應(yīng)用工況自主制作為不同的尺寸和型式，能適應(yīng)凍土的大深度和分散性保護(hù)要求。4) 壓縮機(jī)節(jié)能性好，制冷系數(shù)可達(dá)5.0以上，系統(tǒng)耗電量低。

由于海拔高、緯度低，中國(guó)多年凍土主要分布區(qū)域青藏高原的太陽(yáng)輻射量最高達(dá)2 100 kW?h/(m2?a)以上，屬于太陽(yáng)能利用條件良好的I類地區(qū)。此外，青藏高原的風(fēng)能資源也非常豐富，有效風(fēng)能密度一般在150 W/m2以上[9]。目前，太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電成本日益降低，尤其在光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)步背景下，太陽(yáng)能光電利用已經(jīng)非常普及，成本低至約1.0元/kW?h，可以有效解決壓縮式制冷裝置的電源供應(yīng)問(wèn)題。因此，面向多年凍土區(qū)路基工程時(shí)，壓縮式制冷技術(shù)具有良好的應(yīng)用條件。

1.3 壓縮式制冷原理及制冷系數(shù)

壓縮式制冷部件主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流器和蒸發(fā)器4部分，如圖1所示[10]。制冷原理為通過(guò)壓縮機(jī)做功在系統(tǒng)內(nèi)部形成高、低壓環(huán)境，利用制冷劑相態(tài)變化過(guò)程發(fā)生的吸熱與放熱現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)制冷劑在壓縮機(jī)中抽吸、在冷凝器中放熱冷凝、在節(jié)流閥中降壓、在蒸發(fā)器中吸熱氣化的循環(huán)過(guò)程，來(lái)連續(xù)地輸出冷量。

圖1 壓縮制冷循環(huán)流程圖

壓縮式制冷循環(huán)過(guò)程如圖2所示[6]。過(guò)程1-2-3- 4-5-1分為：1) 壓縮過(guò)程，蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑為狀態(tài)1，進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行絕熱壓縮過(guò)程1-2，變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)2的過(guò)熱蒸氣；2) 冷凝過(guò)程，過(guò)熱蒸氣進(jìn)入冷凝器，進(jìn)行定壓放熱過(guò)程2-3-4，散發(fā)熱量并冷凝成為飽和狀態(tài)4的液體；3) 節(jié)流過(guò)程，飽和液體經(jīng)節(jié)流機(jī)構(gòu)做不可逆的絕熱節(jié)流4-5，部分液體閃發(fā)為蒸氣，形成氣液兩相混合狀態(tài)5的飽和濕蒸氣；4) 蒸發(fā)過(guò)程，飽和濕蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器，做定壓蒸發(fā)吸熱過(guò)程5-1，實(shí)現(xiàn)制冷并蒸發(fā)為蒸氣狀態(tài)1，然后回到壓縮機(jī)重新壓縮，從而完成一個(gè)制冷循環(huán)。

圖2 壓縮式制冷的壓力?比焓(lgp-h)流程圖

制冷系數(shù)是制冷裝置的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，指單位功耗獲得的制冷量[6]。制冷系數(shù)越大，表示能量利用效率越高。

在上述熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程中，單位質(zhì)量制冷劑在冷凝器中的放熱量0為：

式中：為制冷劑的能量狀態(tài)指標(biāo)，J/kg。

制冷劑在蒸發(fā)器中的吸熱量c為：

壓縮機(jī)做功的比軸功c為：

(3)

那么，制冷系數(shù)為：

2 路基用壓縮式制冷管的設(shè)計(jì)

2.1 制冷部件的類型選擇

首先針對(duì)路基下部多年凍土的保護(hù)要求，選擇合理的壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流器及相關(guān)輔助部件類型。

1) 壓縮機(jī)為制冷裝置的核心部件，是輸送制冷劑和傳遞熱量的驅(qū)動(dòng)來(lái)源[13]。按照工作溫度，壓縮機(jī)分為高溫(?5～15 ℃)、中溫(?20～0 ℃)和低溫(?35～?15 ℃)3類。對(duì)于多年凍土而言，制冷溫度應(yīng)低于初始地層溫度，過(guò)高無(wú)法有效保護(hù)凍土，過(guò)低會(huì)造成過(guò)度能耗。按照電動(dòng)機(jī)布置形式，活塞式壓縮機(jī)分為開(kāi)啟型、半封閉型和全封閉型，大型裝置多采用半封閉型和開(kāi)啟型。封閉型壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，噪聲低，振動(dòng)小，適用于小型制冷裝置。為滿足凍土的分散性保護(hù)要求，制冷裝置應(yīng)為單體集成式，因此選用中溫型、全封閉型活塞式壓縮機(jī)。

2) 冷凝器是制冷循環(huán)的散熱設(shè)備，散熱效果越好，制冷溫度越低。冷凝器分為空氣冷卻式、水冷式和蒸發(fā)式，其中空氣冷卻式以空氣為冷卻介質(zhì)，體積緊湊，安裝與維修方便，應(yīng)用最為廣泛，適用于缺水、干燥地區(qū)或運(yùn)輸式制冷系統(tǒng)[11]。空氣冷卻式冷凝器又分為殼管式、板式等，其中殼管式一般用于大、中型制冷系統(tǒng)，板式傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、組合靈活，適用于中、小型系統(tǒng)。水冷式冷凝器涉及冷卻水循環(huán)和水質(zhì)處理，運(yùn)行費(fèi)用高。蒸發(fā)式冷凝器適用于缺水地區(qū)，但機(jī)組體積大，多用于大型裝置。青藏高原空氣溫度水平低、風(fēng)速大，通風(fēng)換熱效果好，因此應(yīng)選用板式空氣冷卻式冷 凝器。

3) 蒸發(fā)器是直接輸出冷量的熱交換設(shè)備，分為冷卻空氣式和冷卻液體式[12]。冷卻空氣式屬于直接冷卻式，典型結(jié)構(gòu)為將直徑6～25 mm的銅管以蛇管式或螺旋盤管式貼焊在金屬板等基礎(chǔ)構(gòu)件上，制冷劑在銅管內(nèi)蒸發(fā)氣化，加工方便，冷凍效率高，可以制作為不同形狀。其中，蛇管式適用于平面布置形式，螺旋管式適用于曲面布置形式。冷卻液體式通過(guò)循環(huán)流動(dòng)的載冷劑向外輸出冷量，屬于間接冷卻方式，冷量損耗大、循環(huán)經(jīng)濟(jì)性差?？紤]到制作成本、維護(hù)難度和安裝便捷性，路基用制冷裝置應(yīng)選用便于機(jī)械化鉆孔布設(shè)的直接冷卻式螺旋盤管型蒸發(fā)器。

4) 節(jié)流器的作用是調(diào)節(jié)與控制進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量，保證蒸發(fā)器內(nèi)維持適宜的蒸發(fā)壓力。節(jié)流器分為熱力膨脹閥、電子膨脹閥和毛細(xì)管。其中，前兩者根據(jù)制冷劑過(guò)熱度來(lái)調(diào)節(jié)液位，精度高，動(dòng)態(tài)特性好，但技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。毛細(xì)管一般為管徑0.6～2 mm的等截面銅管，直接通過(guò)大長(zhǎng)度和小管徑的高摩擦阻力來(lái)產(chǎn)生節(jié)流效果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低，適用于制冷負(fù)荷穩(wěn)定的封閉式壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)。

5) 干燥器和過(guò)濾器的作用是清除制冷劑液體或氣體中的機(jī)械雜質(zhì)，一般設(shè)置在節(jié)流器之前，防止油污、水分等侵入壓縮機(jī)或阻塞制冷劑循環(huán)通道。通常干燥器和過(guò)濾器合為一體，即干燥過(guò)濾器。

綜上所述，面向多年凍土區(qū)路基工程的制冷裝置選型方案為：全封閉活塞式壓縮機(jī)、板式空氣冷卻式冷凝器，柱狀螺旋盤管型式蒸發(fā)器、毛細(xì)管，如圖3所示。

(a) 壓縮機(jī)；(b) 冷凝器；(c) 蒸發(fā)器；(d) 毛細(xì)管與干燥過(guò)濾器

2.2 壓縮式制冷管的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)

本文提出的一款面向多年凍土區(qū)路基工程的壓縮式制冷裝置如圖4所示。裝置主要包括制冷單元、溫度信號(hào)采集單元和自動(dòng)化控制單元。其中制冷單元部件的連接方式為壓縮機(jī)、冷凝器、干燥過(guò)濾器、毛細(xì)管、蒸發(fā)制冷段的出入口順次連接，由此形成閉合的循環(huán)回路。功能部件蒸發(fā)器為立柱式的螺旋形銅管，通過(guò)鉆孔埋設(shè)于凍土層，外壁包裹防腐阻銹層，其他部件通過(guò)鋼制支架和螺栓集成固定在地表的保護(hù)外殼內(nèi)，以保證裝置長(zhǎng)期服役耐久性。溫度信號(hào)采集單元包括溫度傳感器，并將監(jiān)測(cè)目標(biāo)位置的溫度實(shí)時(shí)地反饋給自動(dòng)化控制單元。自動(dòng)化控制單元根據(jù)溫度信號(hào)調(diào)節(jié)制冷單元的開(kāi)啟或關(guān)閉。

1—保護(hù)外殼；2—干燥過(guò)濾器；3—冷凝器；4—毛細(xì)管；5—冷卻風(fēng)機(jī)；6—螺栓；7—自動(dòng)化控制器；8—壓縮機(jī)；9—支座；10—信號(hào)傳輸線；11—蒸發(fā)制冷段；12—溫度傳感器；13—銅管；14—PPR基管；15—通風(fēng)孔；16—電度表；17—制冷劑。

2.3 自動(dòng)化功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化控制單元為基于位式控制法的微電腦控制器，包括目標(biāo)溫度1和回差溫度22個(gè)參數(shù)，其中1為蒸發(fā)器管壁和地層的目標(biāo)溫度，2為溫度波動(dòng)幅值。工作原理為：實(shí)際制冷溫度為，當(dāng)＞1+2時(shí)，給制冷裝置供電，啟動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行制冷；當(dāng)≤1時(shí)，壓縮機(jī)停機(jī)，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多年凍土的恒溫保護(hù)。

2.4 制冷部件選型與制作

根據(jù)制冷需求選擇相應(yīng)功率的壓縮機(jī)，然后根據(jù)壓縮機(jī)輸氣量確定蒸發(fā)器銅管和毛細(xì)管的長(zhǎng)度、直徑等參數(shù)取值，并選用滿足換熱要求的板式冷凝器型號(hào)。根據(jù)路基下部多年凍土的冷負(fù)荷水平[8]，結(jié)合影響半徑等因素，部件選型結(jié)果如表1所示，整體造價(jià)約為2 000元，沒(méi)有易損件且易于維護(hù)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好，制作完成的裝置如圖5所示。

表1 壓縮式制冷管的部件選型

(a) 成型裝置；(b) 裝置安裝

3 制冷性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

以圖5所示樣機(jī)為對(duì)象，試驗(yàn)方案為目標(biāo)溫度1順次設(shè)置為?5，?10和?15 ℃，各個(gè)目標(biāo)溫度的試驗(yàn)時(shí)間均為48 h，回差溫度2設(shè)置為2 ℃。目標(biāo)溫度1監(jiān)測(cè)位置位于蒸發(fā)器中部。監(jiān)測(cè)方案為，對(duì)于蒸發(fā)器，以0.5 m為間距在其3 m高度范圍內(nèi)布設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；對(duì)于冷凝器，分別在其入口、中部及出口處布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)期間，最高大氣溫度約為15 ℃，日均溫度在0 ℃以上，如圖6所示。圖7為蒸發(fā)器制冷溫度和冷凝器散熱溫度的變化特征。可以看出，裝置制冷溫度在正溫環(huán)境下仍保持在負(fù)值水平，且平均溫度維持在設(shè)定的目標(biāo)溫度1附近，基本不受環(huán)境溫度的影響，自動(dòng)化功能良好。因此，壓縮式制冷管即使在暖季也可以有效地保護(hù)多年凍土。

此外，蒸發(fā)器制冷溫度隨環(huán)境溫度變化呈小幅度波動(dòng)現(xiàn)象。原因在于，制冷溫度主要與制冷劑氣化速率相關(guān)，而制冷劑流量由冷凝器內(nèi)部的散熱液化速率決定，散熱過(guò)程會(huì)受到環(huán)境溫度波動(dòng)的影響。同時(shí)，裝置制冷溫度越低，對(duì)應(yīng)的冷凝溫度越高，即散熱負(fù)荷越大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，裝置地表部件應(yīng)布設(shè)在通風(fēng)良好、易于散熱的位置。

圖6 試驗(yàn)期間的大氣溫度變化

(a) 蒸發(fā)器制冷溫度；(b) 冷凝器散熱溫度

圖8為裝置在啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)制冷溫度的軸向分布特征。可以看出，在啟動(dòng)過(guò)程中，蒸發(fā)器頂端制冷溫度最低，由上至下逐漸升高；進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后，制冷溫度轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)由上至下逐漸降低的規(guī)律，頂端制冷溫度最高。原因在于，在裝置啟動(dòng)過(guò)程中，由于毛細(xì)管的噴發(fā)作用，毛細(xì)管出口處銅管內(nèi)的制冷劑最先開(kāi)始?xì)饣?，制冷溫度首先降低。裝置正常運(yùn)行之后，由于壓縮機(jī)的抽吸作用，蒸發(fā)器銅管距離壓縮機(jī)越近，制冷劑氣化速率越快，即制冷溫度越低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，裝置蒸發(fā)器末端應(yīng)布設(shè)在凍土退化嚴(yán)重或制冷需求大的地層位置。

圖8 壓縮式制冷管的軸向溫度分布特征

3.3 制冷系數(shù)

根據(jù)式(1)～(4)分析壓縮式制冷裝置的工作性能，首先通過(guò)蒸發(fā)器平均制冷溫度和冷凝器平均散熱溫度確定裝置的蒸發(fā)溫度evap和冷凝溫度cond。其次，確定制冷循環(huán)中蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力evap(bar)和冷凝壓力cond(bar)。再次，分別根據(jù)壓縮機(jī)吸氣口和冷凝器出口附近溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的累計(jì)平均值確定溫度1和4，結(jié)果如表2所示。

表2 不同制冷溫度條件下的特征溫度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2，首先通過(guò)式(5)~(6)，查表確定制冷劑循環(huán)過(guò)程中不同特征節(jié)點(diǎn)的比焓值；然后結(jié)合式(7)，計(jì)算相應(yīng)的制冷系數(shù)()，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯评湎禂?shù)隨著制冷溫度的降低而逐漸減小，即能耗比逐漸增大。因此，在滿足多年凍土保護(hù)要求的前提下，設(shè)定的制冷溫度越高，裝置的節(jié)能性越好。在實(shí)際應(yīng)用中，裝置制冷溫度及運(yùn)行時(shí)間應(yīng)根據(jù)凍土冷負(fù)荷和冷量傳遞規(guī)律等因素確定。

壓縮機(jī)入口處比焓1的查表方式為：

壓縮機(jī)出口處比焓2的查表方式為：

式中：1為狀態(tài)1處的比熵。

等熵壓縮過(guò)程1-2能量守恒，得到：

式中：c為壓縮機(jī)比功，J/(kg?K)。

表3 制冷循環(huán)節(jié)點(diǎn)比焓值及制冷系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

1) 制冷技術(shù)可以將熱量在暖季由低溫凍土逆向地傳遞至高溫大氣，實(shí)現(xiàn)對(duì)多年凍土的實(shí)時(shí)保護(hù)，具有時(shí)效性好和傳熱效率高的優(yōu)勢(shì)。壓縮式制冷方法的工作溫度和制冷量范圍廣，裝置集成化和小型化技術(shù)成熟，面向多年凍土保護(hù)及路基熱穩(wěn)定性維護(hù)時(shí)具有良好的技術(shù)條件。

2) 根據(jù)多年凍土保護(hù)要求，壓縮式制冷裝置選型方案為全封閉活塞式壓縮機(jī)、空氣冷卻式板型冷凝器、螺旋盤管式蒸發(fā)器和毛細(xì)管。路基專用壓縮式制冷裝置的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)為立式柱狀，并采用位式控制法實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷溫度的自動(dòng)化調(diào)節(jié)。

3) 壓縮式制冷管的性能試驗(yàn)表明，裝置在暖季的制冷溫度保持在0 ℃以下，并可以自動(dòng)地控制在?5，?10和?15 ℃等恒定水平。制冷溫度會(huì)受到蒸發(fā)器銅管分布位置和環(huán)境溫度的綜合影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)冷凝器應(yīng)布設(shè)在通風(fēng)良好的空曠位置，蒸發(fā)器銅管末端應(yīng)布設(shè)在凍土退化嚴(yán)重的深度附近。裝置制冷溫度越高，則制冷系數(shù)越大，節(jié)能性越好。壓縮式制冷管的性能穩(wěn)定、季節(jié)匹配性好，可以為多年凍土保護(hù)和路基熱穩(wěn)定性維護(hù)提供一種新方法。

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Development and experiment on a new compression refrigeration apparatus for subgrade engineering in permafrost regions

HU Tianfei1, 2, LIU Jiankun3, XIN Wenshao4

(1. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 2. State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures, Shijiazhuang 050043, China;3. School of Civil Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;4. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

To improve the permafrost degradation and thermal stability problems of subgrade engineering, the compression refrigeration technology was introduced and a new type of permafrost protection method was proposed. The suitability of compression refrigeration technology for subgrade engineering was initially analyzed. A new type of refrigeration apparatus for subgrade engineering, named automatic compression refrigeration tube, was then designed and manufactured. The apparatus mainly includes a refrigeration unit and an automatic controller unit. The refrigeration unit consists of a compressor, capillary tube, evaporator and condenser, and they are connected sequentially to be a closed circuit. The automatic controller unit is an electrical regulator with a step-by-step control method in principle. Finally, performance tests show that the apparatus can work in any season,the refrigeration temperature can maintain below 0 ℃ even in a warm environment, and it can also be controlled within a fixed range of ?5, ?10 or ?15 ℃ automatically. The refrigeration coefficient is more favorable when the designed refrigeration temperature is higher. The proposed compressed refrigeration tube is of a good seasonal match and automatic operation ability, and it is a more advanced method for subgrade engineering in permafrost regions.

permafrost degradation; subgrade; refrigeration technology; structural layout; component selection; performance test

TU43

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0492 ? 08

2019?04?28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41731281)

劉建坤(1965?)，男，山東臨沂人，教授，博士，從事特殊土路基研究；E?mail：liujiank@mail.sysu.edu.cn

(編輯 陽(yáng)麗霞)