基于熱管技術(shù)的飛機(jī)場(chǎng)跑道融雪系統(tǒng)的長(zhǎng)期熱分析

蘇晟 郝文琦（北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 102206）

1 背景

世界上超過60%的機(jī)場(chǎng)都位于降雪地區(qū)。機(jī)場(chǎng)跑道上的積雪減少了飛機(jī)輪胎的摩擦力，在降雪和冰雹（冰雹）發(fā)作期間威脅機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的安全[1]。防止全球機(jī)場(chǎng)跑道表面被積雪覆蓋的最常見方法是除冰劑的擴(kuò)散和除雪機(jī)的使用。據(jù)報(bào)道，除冰劑和除雪劑的年度成本在美國(guó)約為60 億美元，在歐洲為90 億美元，在中國(guó)為100 億美元，而且近年來這筆費(fèi)用顯然已經(jīng)增加了。除冰劑和除雪劑的使用還會(huì)加速飛機(jī)場(chǎng)-跑道結(jié)構(gòu)的惡化[2]，并造成環(huán)境污染。因此，更清潔，更可持續(xù)的融雪技術(shù)已成為近年來的熱門話題。

20世紀(jì)60年代的美國(guó)，Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工作人員發(fā)明了一種導(dǎo)熱元件，這就是熱管技術(shù)的基礎(chǔ)模型[3]。初期的熱管主要應(yīng)用于人造衛(wèi)星、宇宙飛船或熱離子發(fā)電機(jī)等當(dāng)時(shí)的尖端行業(yè)，到1970年左右，開始用于工業(yè)機(jī)械的散熱或溫度均衡。而到目前為止，熱管已經(jīng)在電器設(shè)備散熱、金屬模具冷卻、空調(diào)、換熱器、等溫爐和家用電器等方面廣泛應(yīng)用，我國(guó)最近修建的青藏鐵路，為了路基的防凍，其兩側(cè)也使用了數(shù)以萬計(jì)的熱管。

利用可再生能源在飛機(jī)場(chǎng)跑道上融化雪的可用技術(shù)分為三類：將加熱電纜嵌入人行道中，將水力管道嵌入人行道中（熱量通過泵使用循環(huán)流體從熱源傳遞到人行道上），以及將熱管嵌入路面內(nèi)部（熱量通過自由使用的熱管的內(nèi)部工作流體相變從熱源傳遞到路面）。其中，熱管飛機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)由于其可持續(xù)性[17]，環(huán)境友好[18]而引起了最多的關(guān)注。

自1960年代以來，就已經(jīng)建設(shè)了熱管融雪路面項(xiàng)目。1969年，Nydahl等人。在美國(guó)率先報(bào)道了使用熱管技術(shù)的融雪路面系統(tǒng)，如下圖所示：

圖1 熱管

熱管鋪面的觀測(cè)表面溫度比正常鋪面的表面溫度高2—4°C，在-5°C的環(huán)境溫度下融雪速度為10 mm∕h。當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，人行道表面的溫度為5.5℃，人行道上的雪完全融化。

2 基于熱管技術(shù)的全尺寸融雪機(jī)場(chǎng)跑道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了研究配備熱管系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)跑道的長(zhǎng)期熱狀況，并討論氣候條件對(duì)系統(tǒng)融雪性能的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)大型融雪機(jī)場(chǎng)跑道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)于2015 年秋季建成，位于北京中部（N40°04′∕E116°35′），冬季經(jīng)常降雪，該地區(qū)使用的全尺寸融雪機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 尺寸融雪機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)

在系統(tǒng)中使用了150 多個(gè)熱管。熱管為L(zhǎng) 形，在飛機(jī)場(chǎng)跑道中冷凝段為水平，絕熱和蒸發(fā)段在地面土壤中為垂直。熱管的冷凝段，絕熱段和蒸發(fā)段的長(zhǎng)度分別為2.2 m，1.5 m 和12.0 m?？紤]到系統(tǒng)的工作溫度，碳鋼是熱管壁的材料，氨是內(nèi)部流體的材料，工作流體的填充率為60%。對(duì)于工作流體流，冷凝段的水平傾斜角為1°。砂漿被選作地面土壤中熱管孔的灌漿材料，以改善傳熱性能和機(jī)械性能。

用于記錄機(jī)場(chǎng)跑道溫度的180個(gè)熱電偶溫度傳感器它們被嵌入到各種深度（0.02 m，0.05 m，0.08 m，0.15 m，0.25 m 和0.42 m）的機(jī)場(chǎng)跑道中，并放置在管道上方和兩管道之間。溫度傳感器的精度為±0.1°C，測(cè)量范圍為-50至+120°C，連續(xù)的溫度監(jiān)控時(shí)間間隔為10分鐘。氣象數(shù)據(jù)（例如，環(huán)境溫度，太陽輻射，風(fēng)速和濕度）是從自動(dòng)氣象站獲得的，該氣象站的安裝間隔為10分鐘，距全尺寸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)約10 m。在降雪事件中使用了四個(gè)視頻監(jiān)視器來記錄融化過程，從而評(píng)估飛機(jī)場(chǎng)跑道的融雪性能。該方法證實(shí)了依賴于機(jī)場(chǎng)跑道融雪系統(tǒng)的長(zhǎng)期工作特性熱管技術(shù)可以得到有效監(jiān)控。

3 結(jié)果與討論

藍(lán)線表示已安裝特定深度的熱管系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)跑道溫度，綠線表示非熱管系統(tǒng)溫度，紅線表示環(huán)境溫度。有趣的是，藍(lán)色線條在每個(gè)夏季（3月至11月）幾乎與綠色線條重合，但在每個(gè)冬季（11月至3月）則更高。以哈爾濱2厘米深度的機(jī)場(chǎng)跑道溫度為例，表明夏季兩條線的平均溫差為0.6°C。這可以算是溫度傳感器測(cè)量誤差。但是，在有和沒有熱管系統(tǒng)的情況下，機(jī)場(chǎng)跑道溫度在冬天的平均差為9.1°C。這種現(xiàn)象可歸因于熱管系統(tǒng)的不連續(xù)運(yùn)行。

北京的熱管系統(tǒng)平均機(jī)場(chǎng)跑道溫度升高分別為6.4°C。冬季的熱管系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間在85 天，但北京整個(gè)冬季幾乎接近0°C。因此，地理因素對(duì)除冰有重要影響熱管機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)的性能。

融雪時(shí)間隨著周圍空氣溫度的降低而增加。對(duì)于相同的降雪條件，當(dāng)周圍空氣溫度為-4°C或更高時(shí)，機(jī)場(chǎng)跑道表面始終沒有積雪，因?yàn)楸砻鏈囟雀哂?.5°C C。當(dāng)周圍空氣溫度從-5°C降到-8°C時(shí)，熱管機(jī)場(chǎng)跑道的平均融雪速率從5.0 mm∕h降低到3.7mm∕h，結(jié)果降雪時(shí)間清除時(shí)間延長(zhǎng)了2-4小時(shí)。但是，機(jī)場(chǎng)跑道表面總是被雪覆蓋。表面溫度已經(jīng)低于-2.5°C，因此周圍空氣溫度為-10°C或更低。這些結(jié)果表明，環(huán)境空氣溫度在確定熱管機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)的可行性中起著主導(dǎo)作用，并且當(dāng)環(huán)境空氣溫度低于-10°C時(shí)，系統(tǒng)的融雪性能將受到限制。

4 結(jié)語

熱管的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，發(fā)展前景廣闊。隨著熱管技術(shù)的不斷發(fā)展，研發(fā)水平和制造工藝的不斷提高，熱管的應(yīng)用在各類行業(yè)中將會(huì)占有非常重要的地位。

當(dāng)冬天冬季機(jī)場(chǎng)跑道溫度降至約5°C以下時(shí)，熱管系統(tǒng)將自動(dòng)運(yùn)行，地面土壤中的熱量通過管道連續(xù)地傳遞到機(jī)場(chǎng)跑道。熱管內(nèi)部的工作流體相變。在哈爾濱，熱管系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間超過了約120天。在春季，由于周圍空氣溫度升高，飛機(jī)場(chǎng)跑道溫度升高到5°C以上，熱管系統(tǒng)不再運(yùn)行，因?yàn)闊峁艿恼舭l(fā)段（地面土壤）和冷凝段（機(jī)場(chǎng)跑道）之間的溫差低于啟動(dòng)閾值。這樣，具有熱管系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)-跑道溫度逐漸趨向于沒有熱管的系統(tǒng)。

同時(shí)，熱管的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，發(fā)展前景廣闊。隨著熱管技術(shù)的不斷發(fā)展，研發(fā)水平和制造工藝的不斷提高，熱管的應(yīng)用在各類行業(yè)中將會(huì)占有非常重要的地位。