热管融雪技术应用大兴机场，助力“凤凰展翅”
-低温热管技术让全球道路融雪变得更容易、更节能、更省钱
发展新能源技术,开发使用可再生能源是国家 能源战略的重要方面丄幻。2008年和2009年,分别 在中国南部和北部地区发生严重雪灾,铁路、公路和 航空运输几乎完全瘫痪。当前的道路除雪方式有机 械吹扫、化学融雪和电加热融雪等外对,这些除雪方 法普遍运行成本较高,其中化学融雪法对环境有很 大的危害。开发一种稳定、无污染和维护成本低的 道路融雪系统将具有重要意义。浅层地热资源分布 广泛⑹,将土壤恒温层内积蓄的热量传递到路面,可 在无需外加热源的情况下防止道路积雪,并能避免 对环境的不良影响。
热管是一种高效的传热元件,已在能源、化工等 领域得到广泛应用;如何应用低温热管技术在道路融雪方面有所突破呢?设计一种“地热热管道路 融雪系统”:冬季,热管将土壤中积蓄的热量传递到 路面;夏季,热管停止工作,热管周围的土壤从恒温 层和上层土壤中吸收热量,重新完成热量的积蓄。热管的传热机理十分复杂,目前尚没有成熟的 数值方法对其工作过程进行数值模拟。通过对热管 传热机理和热阻的分析,建立地热道路融雪系统的 物理模型。对路面及土壤中的温度场进行数值模 拟,验证“地热热管道路融雪系统”的运行效果。该 系统应用于高速公路、机场跑道、广场和生活小区能有效消除道路积雪,具有重要的工程应用价值。
道路因高温和结冰产生的路况问题对交通安全造成巨大隐患。夏季沥青路面不断释放热量,加剧城市的热岛效应。目前国内外对道路降温研究集中于路面涂反射涂料、保水涂料等,但铺设效率低、造价高昂、使用性能不稳定。针对冬季路面积雪结冰,我国目前主要用融雪剂和机械除雪等。这会导致路面破坏增多,缩短使用寿命。
针对路面的高温、积雪结冰问题,将重力热管技术应用到道路上,运用合理的管路设计实现水的循环和热能的传递。该系统利用重力热管可实现夏季沥青路面的降温和冬季路面的融冰的功能,降温时输出热水热能可利用,除雪时更节能环保,同时也提出了延长道路寿命和缓解城市热岛效应的新方法。同时节约能源,环保高效可再生,发展前景巨大。
重力低温热管是装入少量液体的竖直真空密封管子,管子的下端加热时下端的液体蒸发,以高速向上部移动,当与温度较低的上端管壁接触后,冷凝成液体。液体靠重力作用沿管子内壁流回下端蒸发段,如此由下端向上端连续不断地传递热量。利用重力热管将路面的温度收集升至上端,并通过水循环将上端的能量带走,且在重力热管附近的路面局部温度降低时,依据热力学第二定律:在自然状态下,热量只能由热处传到冷处。路中央会持续的将热量传递至热管处,从而实现了路面的整体降温。
初步设计新型道路栏杆由若干段组成,每段中有十个用于传递热量的重力热管,重力热管位于栏杆的中间特殊的密闭腔体里。热管底部埋入沥青路面以下,为了增加热管的吸热降温效果,在热管底部吸热端安装导热翅片。根据栏杆的位置不同进行安装,使翅片始终伸向路基面中央。即如果栏杆安置于路中央,则翅片向道路两侧延伸,栏杆位于路边从一侧伸向路面,如此可实现整个路基都有热传导率高的翅片进行温度的快速控制。
根据论文(地热热管融雪系统应用研究)张军1,张辉2,张红3,庄骏3(1.南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016; 2.南京理工大学动力工程学院,南京210094;3.南京工业大学能源学院,南京211800)中得到如下结论,可以给低温热管发烧友参考。数据如下:
1、热管当量导热系数很大程度上受热管尺寸 的影响,将热管的传热过程简化为管内壁与工质的高效对流换热,实现了传热因素与结构因素的分离, 能更好体现热管的高效传热性能和等温性;
2、模拟了不同当量对流换热系数下热管强化土壤传热的温度场,证明当量对流换热系数的变化对温度场的影响很小;
3、建立的“地热热管道路融雪系统”能明显提 高路面温度,可有效防止降雪在路面的积累,减少降 雪对交通运输的影响;
4、重力式热管系统可在夏季自动停止工作,在 冬季自动启动,而路面下的土壤将在夏季和冬季完 成热量的积蓄和释放,在热管的寿命期内,该系统可 在无需外加动力的情况下连续稳定工作;
5、在高速公路、机场跑道、广场和生活小区的 路面建设中均可使用本系统,对于实现能源系统的 多样化,减少人类活动对环境的不良影响具有重要 意义。
9月25日,被誉为为“新世界七大奇迹”之首的北京大兴国际机场正式投运,哈尔滨工业大学提供了“热力融雪道面技术”和“抗冰防滑路面技术”,实现了机场全天候无雪、无冰,保障了飞行安全,达成了“智慧机场”“平安机场”“绿色机场”的设计理念。
研发了流体加热道面融雪系统、热管道面融雪系统等热力融雪道面新结构,修筑了我国首条大规模实体热力融雪路面系统,其中热管融雪系统于2016年应用于北京大兴国际机场巡场路,2017年应用于北京大兴国际机场站坪。
依据机场道面实际条件编制的“热力融雪道面系统优化运行诺莫图谱”,共包含1600种运行工况与优化策略,为系统的高效、安全运营提供了完善的依据。中国民航机场建设集团观测表明,上述工作实现了机场全天候无雪、无冰,保障了飞行安全,达成了“智慧机场”“平安机场”“绿色机场”的设计理念。
冬季天气寒冷,地面温度较低,路面积雪和冻冰严重影响路面行驶。这时系统埋管中的循环介质从地下垂直埋管附近的土壤吸收夏季储存热量,温度升高;在循环泵的作用到达接近地面水平埋管,与低温地面换热,释放热量从而起到融雪的作用;放热后,循环介质温度降低,经循环泵流入温度较高的垂直埋管区域吸热后,继续回到水平埋管附近向地表放热,如此循环往复,热量不断从地下输送到地面,保持路面温度在0℃以上,从而大大改善了路面状况,进一步保证了行车安全。
热管融雪技术有效提升了沥青路面自身抗冰防滑能力,对于构建寒区“畅通、安全、高效”交通运输体系具有重要的战略意义。
北京地兴热管公司负责人江鑫,15年来一直致力于低温热管技术的应用、创新及销售,多年来获得热管技术专利20余项,并在暖通、工业、食品、纺织、医院、公共建筑领域得以运用,高效节能的效果获得了用户的美誉,如:国家体育馆鸟巢、北京市副中心、大连中石化研究、北京中石化研究院、沈阳中海广场、西安国际医学中心、上海江桥、宝山万达、北京大兴新机场的商用新风等上百个大型项目中都采用了地兴低温热管技术;地兴热管公司的微热管技术在家用新风系统中热交换通过2019年一年的实际验证,夏季制冷效率实测65%;冬季制热效率实测78-83%,因为体积小,可以设计成小型新风、空调一体机,在市场上将有很大的优势,希望社会有志之士或者有资金的朋友一起合作;在以后的工作中,地兴人再接再厉,继续攻克重重技术难关,以创新的、高品质的热管产品回报社会,造福人类。
北京德天地兴科技发展有限公司的负责人江鑫指出:冬季利用低温热管技术吸收地热实现道路融雪;夏季利益动力型低温热管技术将地面的热量储存到地下,利用土壤作为蓄热载体,更为冬季道路融雪,夏季地面降温提供坚实保障,地兴热管愿意与国内高校低温热管发烧友一起研究并深化此技术,为解决全球能源危机贡献自己的一份力量!
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