多年凍土區(qū)路基用壓縮式制冷裝置的開發(fā)與試驗

胡田飛1, 2，劉建坤3，辛文紹4

(1. 石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室，河北 石家莊 050043；3. 中山大學 土木工程學院，廣東 廣州 510275；4. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

摘 要：針對中國多年凍土區(qū)廣泛面臨的凍土退化和路基熱穩(wěn)定性問題，基于壓縮式制冷技術(shù)，提出一種新型多年凍土保護裝置。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)計與制作一款路基專用制冷裝置—自動化壓縮式制冷管，包括制冷單元和自動化控制單元。制冷單元為壓縮機、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)匹配性好和自動化程度高的技術(shù)優(yōu)勢，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。

關(guān)鍵詞：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

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)定性問題。多年凍土保護措施主要包括增大路堤高度、鋪設(shè)保溫材料等被動型凍土保護措施，以及塊石層、通風管、熱管等主動型保護措施[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法得到嚴格控制[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)，勢必對凍土熱穩(wěn)定性提出更高要求，因此有必要發(fā)展更為有效和先進的多年凍土保護方法。根據(jù)熱力學第二定律，在沒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]。現(xiàn)有多年凍土保護措施均沒有外界能量補償，因此其局限性在于，一方面，季節(jié)匹配性差，只能通過增大凍土在冷季的冷儲量來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]。既有措施的改進方向為如何在暖季實現(xiàn)對凍土的實時保護。制冷指通過人工方法使對象溫度維持在其周圍環(huán)境溫度以下的過程，熱量傳遞方向由低溫物體指向高溫環(huán)境[6]。因此，多年凍土保護實質(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]。限于學科差異和應用局限性，制冷技術(shù)在多年凍土工程領(lǐng)域還未見應用。近年來，隨著制冷裝備技術(shù)和新能源利用技術(shù)的進步，制冷技術(shù)應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、分布深度大等特點，面向路基工程時，制冷裝置應滿足集成化、小型化、驅(qū)動源分散供應等特殊要求，因此需要進行針對性的制冷裝置型式設(shè)計與功能優(yōu)化。在此，結(jié)合多年凍土保護要求，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。通過設(shè)備選型和裝置型式設(shè)計，提出一款路基專用的多年凍土保護裝置，即自動化壓縮式制冷管。最后，通過試驗來驗證壓縮式制冷管工作溫度、自動化功能等方面的實用性。

1 凍土退化與壓縮式制冷技術(shù)

1.1 多年凍土保護的制冷技術(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)地表的活動層厚度一般在2 m以上，凍土層退化深度可達15 m，年平均升溫速度可達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。因此，面向多年凍土區(qū)路基工程時，制冷裝置應具有離散式和大深度的冷量輸出方式。

2）構(gòu)建“三個平臺”+“兩個不間斷”的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)出的研究生既能擁有扎實的臨床技能、良好的醫(yī)德修養(yǎng)，同時又具備一定的科研能力，解決長期以來研究生教育中存在的學術(shù)能力與臨床工作勝任能力嚴重脫節(jié)的弊端，提高臨床醫(yī)學專業(yè)學位研究生的臨床實踐技能及其科研成果的臨床應用價值。

根據(jù)熱儲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荷在10 W/延米范圍內(nèi)[8]。因此，多年凍土保護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，制冷的實現(xiàn)必須具有外部能量補償，包括電能、機械能或熱能等。在中國多年凍土區(qū)，限于基礎(chǔ)設(shè)施條件，難以通過電網(wǎng)等方式來實現(xiàn)路基的長距離制冷，因此解決驅(qū)動源問題是實現(xiàn)多年凍土路基制冷的關(guān)鍵。

黃淮海地區(qū)為我國優(yōu)勢小麥產(chǎn)區(qū)，本文結(jié)合多年實地深入的調(diào)研和一線的工作經(jīng)驗，遵循小麥的生長發(fā)育規(guī)律，并在關(guān)鍵物候期給予科學化的管理，以期實現(xiàn)小麥的增產(chǎn)提質(zhì)的目標，幫助廣大種植戶節(jié)本增效。

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，壓縮式制冷技術(shù)的優(yōu)勢在于：1) 制冷溫度范圍廣，從稍低于環(huán)境溫度至?150 ℃均可實現(xiàn)，通常在?40 ℃以上，可以有效保護多年凍土。2) 單機容量范圍廣，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)凍土退化冷負荷水平選擇相應的設(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)應用工況自主制作為不同的尺寸和型式，能適應凍土的大深度和分散性保護要求。4) 壓縮機節(jié)能性好，制冷系數(shù)可達5.0以上，系統(tǒng)耗電量低。

由于海拔高、緯度低，中國多年凍土主要分布區(qū)域青藏高原的太陽輻射量最高達2 100 kW?h/(m2?a)以上，屬于太陽能利用條件良好的I類地區(qū)。此外，青藏高原的風能資源也非常豐富，有效風能密度一般在150 W/m2以上[9]。目前，太陽能和風能發(fā)電成本日益降低，尤其在光伏產(chǎn)業(yè)進步背景下，太陽能光電利用已經(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問題。因此，面向多年凍土區(qū)路基工程時，壓縮式制冷技術(shù)具有良好的應用條件。

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、冷凝器、節(jié)流器和蒸發(fā)器4部分，如圖1所示[10]。制冷原理為通過壓縮機做功在系統(tǒng)內(nèi)部形成高、低壓環(huán)境，利用制冷劑相態(tài)變化過程發(fā)生的吸熱與放熱現(xiàn)象，實現(xiàn)制冷劑在壓縮機中抽吸、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)過程，來連續(xù)地輸出冷量。

高血壓患者由于藥物的臨床應用，病人的血壓得到有效控制，但是一部分藥物對高血壓造成的心臟病變已經(jīng)失去了效果。比索洛爾為β受體阻滯劑，第二代受體阻斷藥，具有鈣拮抗用途，對支氣管和血管平滑肌的β1-受體有高親和力，抑制內(nèi)皮細胞增值和心血管系統(tǒng)重塑，從而使血管擴張，血壓降低，進而降低心率[3]。適用于高血壓、冠心病等中度至重度慢性穩(wěn)定性心力衰竭等癥。

壓縮式制冷循環(huán)過程如圖2所示[6]。過程1-2-3- 4-5-1分為：1) 壓縮過程，蒸發(fā)器出來的制冷劑為狀態(tài)1，進入壓縮機進行絕熱壓縮過程1-2，變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)2的過熱蒸氣；2) 冷凝過程，過熱蒸氣進入冷凝器，進行定壓放熱過程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)流過程，飽和液體經(jīng)節(jié)流機構(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)過程，飽和濕蒸氣進入蒸發(fā)器，做定壓蒸發(fā)吸熱過程5-1，實現(xiàn)制冷并蒸發(fā)為蒸氣狀態(tài)1，然后回到壓縮機重新壓縮，從而完成一個制冷循環(huán)。

制冷系數(shù)是制冷裝置的一項重要評價指標，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。

國內(nèi)的注冊會計師行業(yè)發(fā)展特別迅速，但因為發(fā)展過于快并且國內(nèi)社會的精神文明建設(shè)的水平還不夠顯著，導致國內(nèi)的注冊會計師的職業(yè)道德規(guī)范缺乏一個很好的約束，職業(yè)道德問題經(jīng)常出現(xiàn)。注冊會計師在各自的職業(yè)道德意識層面是參差不齊的，而且不少注冊會計師的職業(yè)道德意志不堅定，自身約束力較弱，在個人利益與國家利益發(fā)生沖突時，他們無法以正確辦法來解決，經(jīng)常會產(chǎn)生有違職業(yè)道德的舉動。他們會借助個人的職權(quán)，偽造或編制虛假財務(wù)表，給公司和國家產(chǎn)生嚴重的經(jīng)濟損失。

2) 液壓油物理性質(zhì)及條件。20 ℃時，液壓油的密度ρ=850 kg/m3；液壓油的動力黏度μ=0.22 Pa·s，運動黏度ν=μ/ρ=2.59×10-4 m2/s。

在上述熱力學循環(huán)過程中，單位質(zhì)量制冷劑在冷凝器中的放熱量q0為：

式中：h為制冷劑的能量狀態(tài)指標，J/kg。

制冷劑在蒸發(fā)器中的吸熱量qc為：

壓縮機做功的比軸功wc為：

4)對于共塔架設(shè)線路，為了盡量降低雙極閉鎖概率，建議接地極線進行配置絕緣時，除了考慮操作過電壓水平，還應進行雷電過電壓校核。通過技術(shù)經(jīng)濟比較，對于±800 kV滇西北至廣東特高壓直流輸電工程共塔架設(shè)段線路，推薦采用提高接地極線絕緣配置的反事故措施，建議將由操作過電壓水平確定的9片170 mm結(jié)構(gòu)高度絕緣子提高到由雷電過電壓水平確定的15片170 mm結(jié)構(gòu)高度絕緣子。

(3)

那么，制冷系數(shù)COP為：

2 路基用壓縮式制冷管的設(shè)計

2.1 制冷部件的類型選擇

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

研究發(fā)現(xiàn)，采用氣調(diào)箱(15% CO2)對楊梅果實進行保藏，楊梅果實可以冷藏21 d，好果率達到97%以上，說明氣調(diào)貯藏可以明顯延長楊梅果實的貯藏期，并能使果實保持較好的生理品質(zhì)，降低果實的發(fā)病率[10，11]。氣調(diào)處理還能有效防止果實在貯藏期間因過度失水引起的表面干縮，同時還能防止由真菌引起的腐爛發(fā)生[12]。戚行江等[3]研究了環(huán)境中不同氧氣含量對楊梅果實貯藏效果的影響，結(jié)果表明，隨著環(huán)境中氧氣含量的降低(從7.9% 降至3.8%)，楊梅果實侵染病原菌的抑制效果越明顯。

1) 壓縮機為制冷裝置的核心部件，是輸送制冷劑和傳遞熱量的驅(qū)動來源[13]。按照工作溫度，壓縮機分為高溫(?5～15 ℃)、中溫(?20～0 ℃)和低溫(?35～?15 ℃)3類。對于多年凍土而言，制冷溫度應低于初始地層溫度，過高無法有效保護凍土，過低會造成過度能耗。按照電動機布置形式，活塞式壓縮機分為開啟型、半封閉型和全封閉型，大型裝置多采用半封閉型和開啟型。封閉型壓縮機結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，噪聲低，振動小，適用于小型制冷裝置。為滿足凍土的分散性保護要求，制冷裝置應為單體集成式，因此選用中溫型、全封閉型活塞式壓縮機。

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，應用最為廣泛，適用于缺水、干燥地區(qū)或運輸式制冷系統(tǒng)[11]?？諝饫鋮s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，運行費用高。蒸發(fā)式冷凝器適用于缺水地區(qū)，但機組體積大，多用于大型裝置。青藏高原空氣溫度水平低、風速大，通風換熱效果好，因此應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。冷卻液體式通過循環(huán)流動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)濟性差?？紤]到制作成本、維護難度和安裝便捷性，路基用制冷裝置應選用便于機械化鉆孔布設(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、電子膨脹閥和毛細管。其中，前兩者根據(jù)制冷劑過熱度來調(diào)節(jié)液位，精度高，動態(tài)特性好，但技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復雜。毛細管一般為管徑0.6～2 mm的等截面銅管，直接通過大長度和小管徑的高摩擦阻力來產(chǎn)生節(jié)流效果，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本低，適用于制冷負荷穩(wěn)定的封閉式壓縮機制冷系統(tǒng)。

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

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、板式空氣冷卻式冷凝器，柱狀螺旋盤管型式蒸發(fā)器、毛細管，如圖3所示。

因為后人對孔子“禮”認識的不夠，導致對禮的批判。對禮之的批判通常被認為始于中國近代，然而，這一事件其實遠在明末清初便已開始發(fā)端，我們可以在黃宗羲等人對當時政治的批判看出。自康乾盛世之后，以儒學思想為根基的儒家文化（社會主流文化）對社會的負面影響日益凸顯。而在近代以后，特別是新文化運動以來，許多的思想者對傳統(tǒng)文化作了持久而廣泛的批判，而這一批評，則到今天仍然沒有停息。人們在當今的社會生活中，當我們說起孔子時，展現(xiàn)在我們眼前的是一位溫文爾雅的夫子。但是，當我們談?wù)摽鬃拥乃枷霑r，大部分人都會提起“三綱”“五常”，這也就很明顯的流露出你的態(tài)度和立場了，這也說明你對孔子思想理解的欠缺。

2.2 壓縮式制冷管的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計

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、溫度信號采集單元和自動化控制單元。其中制冷單元部件的連接方式為壓縮機、冷凝器、干燥過濾器、毛細管、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，通過鉆孔埋設(shè)于凍土層，外壁包裹防腐阻銹層，其他部件通過鋼制支架和螺栓集成固定在地表的保護外殼內(nèi)，以保證裝置長期服役耐久性。溫度信號采集單元包括溫度傳感器，并將監(jiān)測目標位置的溫度實時地反饋給自動化控制單元。自動化控制單元根據(jù)溫度信號調(diào)節(jié)制冷單元的開啟或關(guān)閉。

2.3 自動化功能的設(shè)計與實現(xiàn)

自動化控制單元為基于位式控制法的微電腦控制器，包括目標溫度C1和回差溫度C2 2個參數(shù)，其中C1為蒸發(fā)器管壁和地層的目標溫度，C2為溫度波動幅值。工作原理為：實際制冷溫度為C，當C＞C1+C2時，給制冷裝置供電，啟動壓縮機進行制冷；當C≤C1時，壓縮機停機，如此循環(huán)，實現(xiàn)對多年凍土的恒溫保護。

2.4 制冷部件選型與制作

根據(jù)制冷需求選擇相應功率的壓縮機，然后根據(jù)壓縮機輸氣量確定蒸發(fā)器銅管和毛細管的長度、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。根據(jù)路基下部多年凍土的冷負荷水平[8]，結(jié)合影響半徑等因素，部件選型結(jié)果如表1所示，整體造價約為2 000元，沒有易損件且易于維護，技術(shù)經(jīng)濟性良好，制作完成的裝置如圖5所示。

3 制冷性能試驗

3.1 試驗方案

以圖5所示樣機為對象，試驗方案為目標溫度C1順次設(shè)置為?5，?10和?15 ℃，各個目標溫度的試驗時間均為48 h，回差溫度C2設(shè)置為2 ℃。目標溫度C1監(jiān)測位置位于蒸發(fā)器中部。監(jiān)測方案為，對于蒸發(fā)器，以0.5 m為間距在其3 m高度范圍內(nèi)布設(shè)7個監(jiān)測點；對于冷凝器，分別在其入口、中部及出口處布設(shè)3個監(jiān)測點。

3.2 試驗結(jié)果及分析

在試驗期間，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?？梢钥闯?，裝置制冷溫度在正溫環(huán)境下仍保持在負值水平，且平均溫度維持在設(shè)定的目標溫度C1附近，基本不受環(huán)境溫度的影響，自動化功能良好。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，散熱過程會受到環(huán)境溫度波動的影響。同時，裝置制冷溫度越低，對應的冷凝溫度越高，即散熱負荷越大。因此，在實際應用中，裝置地表部件應布設(shè)在通風良好、易于散熱的位置。

這則新聞報道的新聞事件是客觀存在的，是真實可靠的。所輸出的修辭語義是客觀真實的，至少是基于三個條件：第一，新修訂的《漢語拼音正詞法基本規(guī)則》，業(yè)已經(jīng)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會批準；第二，該標準將于今年10月1日起實施，是確定無疑的；第三，該標準的相關(guān)規(guī)定是真實的。

圖8為裝置在啟動和正常運行時制冷溫度的軸向分布特征。可以看出，在啟動過程中，蒸發(fā)器頂端制冷溫度最低，由上至下逐漸升高；進入正常運行狀態(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，在裝置啟動過程中，由于毛細管的噴發(fā)作用，毛細管出口處銅管內(nèi)的制冷劑最先開始氣化，制冷溫度首先降低。裝置正常運行之后，由于壓縮機的抽吸作用，蒸發(fā)器銅管距離壓縮機越近，制冷劑氣化速率越快，即制冷溫度越低。因此，在實際應用中，裝置蒸發(fā)器末端應布設(shè)在凍土退化嚴重或制冷需求大的地層位置。

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Tevap和冷凝溫度Tcond。其次，確定制冷循環(huán)中蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對應的蒸發(fā)壓力pevap(bar)和冷凝壓力pcond(bar)。再次，分別根據(jù)壓縮機吸氣口和冷凝器出口附近溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的累計平均值確定溫度T1和T4，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2，首先通過式(5)~(6)，查表確定制冷劑循環(huán)過程中不同特征節(jié)點的比焓值；然后結(jié)合式(7)，計算相應的制冷系數(shù)(COP)，結(jié)果如表3所示。可以看出，制冷系數(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。在實際應用中，裝置制冷溫度及運行時間應根據(jù)凍土冷負荷和冷量傳遞規(guī)律等因素確定。

壓縮機入口處比焓h1的查表方式為：

壓縮機出口處比焓h2的查表方式為：

(6)

式中：s1為狀態(tài)1處的比熵。

等熵壓縮過程1-2能量守恒，得到：

式中：wc為壓縮機比功，J/(kg?K)。

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，實現(xiàn)對多年凍土的實時保護，具有時效性好和傳熱效率高的優(yōu)勢。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，面向多年凍土保護及路基熱穩(wěn)定性維護時具有良好的技術(shù)條件。

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

電力系統(tǒng)運行調(diào)度中的高階不確定性及其對策評述//周安平,楊明,趙斌,韓學山,劉增訓//(12):173

3) 壓縮式制冷管的性能試驗表明，裝置在暖季的制冷溫度保持在0 ℃以下，并可以自動地控制在?5，?10和?15 ℃等恒定水平。制冷溫度會受到蒸發(fā)器銅管分布位置和環(huán)境溫度的綜合影響，實際應用時冷凝器應布設(shè)在通風良好的空曠位置，蒸發(fā)器銅管末端應布設(shè)在凍土退化嚴重的深度附近。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和路基熱穩(wěn)定性維護提供一種新方法。

參考文獻：

[1] 張魯新, 熊治文, 韓龍武. 青藏鐵路凍土環(huán)境和凍土工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011. ZHANG Luxin, XIONG Zhiwen, HAN Longwu. Permafrost environment and permafrost engineering of Qinghai-Tibet Railway[M]. Beijing: China Communication Press, 2011.

[2] 陳拓, 穆彥虎, 王建州. 重復機車荷載作用下青藏鐵路凍土路基累積塑性變形分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2018, 15(6): 1430?1436. CHEN Tuo, MU Yanhu, WANG Jianzhou. Analysis of cumulative plastic deformation of Qinghai-Tibet Railway subgrade under repeated train loading in permafrost regions[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2018, 15(6): 1430?1436.

[3] 牛富俊, 劉明浩, 程國棟, 等. 多年凍土區(qū)青藏鐵路路基的長期熱狀況[J]. 中國科學: 地球科學, 2015, 45(8): 1220?1228. NIU Fujun, LIU Minghao, CHENG Guodong, et al. Long-term thermal regimes of the Qinghai-Tibet Railway embankments in plateau permafrost regions[J]. Scientia Sinica (Terrae), 2015, 45(8): 1220?1228.

[4] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006. YANG Shiming, TAO Wenquan. Heat transfer[M]. Beijing: Higer Education Press, 2006.

[5] TAI Bowen, LIU Jiankun, WANG Tengfei, et al. Thermal characteristics and declining permafrost table beneath three cooling embankments in warm permafrost regions [J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 123: 435?447.

[6] 陳汝東. 制冷技術(shù)與應用[M]. 上海: 同濟大學出版社, 2006. CHEN Rudong. Refrigeration technology and application[M]. Shanghai: Tongji University Press, 2006.

[7] WU Yuting, MA Chongfang, ZHONG Xiaohui. Development and experimental investigation of a miniature-scale refrigeration system[J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51(1): 81?88.

[8] 胡田飛. 制冷與集熱技術(shù)在寒區(qū)路基工程中的應用研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2018. HU Tianfei. Application of refrigeration and heat-collect technology to subgrade engineering in cold regions[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2018.

[9] 沈鐳, 劉立濤, 高天明, 等. 中國能源資源的數(shù)量、流動和功能分區(qū)[J]. 資源科學, 2012, 34(9): 1611?1621. SHEN Lei, LIU Litao, GAO Tianming, et al. The quantity, flow and functional zoning of energy resources in China[J]. Resources Science, 2012, 34 (9):1611?1621.

[10] 申江. 制冷裝置設(shè)計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011. SHEN Jiang. Design of refrigeration apparatus[M]. Beijing: China Machine Press, 2011.

[11] Ge Y T, Cropper R. Performance evaluations of air- cooled condensers using pure and mixture refrigerants by four-section lumped modelling methods[J]. Applied Thermal Engineering, 2005, 25(10): 1549?1564.

[12] Juergen J Brandner, Eugen Anurjew, Lothar Bohn, et al. Concepts and realization of microstructure heat exchangers for enhanced heat transfer[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2006, 30(8): 801?809.

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)

Abstract: 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.

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

中圖分類號：TU43

文獻標志碼：A

文章編號：1672 ? 7029(2020)02 ? 0492 ? 08

收稿日期：2019?04?28

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41731281)

通信作者：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 陽麗霞)