#头条创作挑战赛#
2006年,我国青藏铁路全段正式开通,成为了世界上海拔最高、路线最长的高原铁路。
值得注意的是,在青藏铁路的两旁,插着一根根高达2米的“铁棒”,其数量多达1.5万根。其实,这些都不是一般的“铁棒”,更准确地说,它们是具有导热功能的热棒。
为什么高原铁路要使用热棒?
这还要从青藏高原地区的气候条件说起。当气温等于或低于0℃的时候,土壤里的水分就会凝结成冰,顺便将土壤也冻结起来,于是就形成了一层坚硬的土层,也称“高原冻土层”。
高原冻土层对温度的变化非常敏感,虽然青藏高原常年温度都在0℃以下,深层的大部分冻土可以常年保持固态,但在表面的一小层土壤,会受到季节性太阳辐射热变化的影响,产生形态上的变化。与此同时,冻土结构的变化,也对青藏铁路产生了巨大影响。
在寒冷的季节,土壤中的水分会冻结成冰,冰晶和土壤紧密结合在一起,土层就会发生“冻胀”,体积不断增大,同时路基也会变得十分坚硬;相反,当暖季来临的时候,冻土表层的冰又会开始融化,土壤体积就会变小,地基变软,引起局部地面的下沉,导致地基塌陷。
许多冻土地区的路基病害,也都是由于冻土反复地冻胀和融沉变化引起的。
例如俄罗斯全长9446千米的贝加尔铁路,有2200千米的道路,都修建在了冻土层上,在运营多年后,该路线的病害率就高达40%。
还有我国东北地区修建在冻土地区的铁路线,也曾深受其害。在1962年,还曾发生因冻土层发生变化,路基在4小时内迅速下沉1.4米,导致机车掉道的事故。
再来看,全长1956公里青藏铁路,途中穿越的多年冻土层地段就长达550公里,占到了总长度的4分之一。据统计,青藏铁路85%的路基病害,都是由于冻土层融化引起的。
所以,如果不能解决冻土膨胀、融沉的问题,在长年的反复冻融作用下,耗费多年心血的青藏铁路工程,将会功亏一篑。冻土工程一度成为了世界性难题,许多国家都在着手研究,如何避免冻土层随温度变化发生改变的问题。
既然冻土融化是导致问题的关键,那解决方案就从温度入手,于是青藏铁路两旁的15000根热管,就此诞生。
热棒工作原理
热棒也叫无芯重力热管和两相封闭式虹吸管。热管是一根密封的管子,里面填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物质,只需要依靠工作液体的汽化和液化过程,就可以进行散热工作。
而且,热管的导热能力很强,甚至是铜和银导热能力的1000倍。一根直径为25毫米的热管,其导热能力就和一根直径2.7米的铜棒相当。我国青藏铁路使用的热管,是典型的低温热虹吸管,可以用于-60—80℃的环境中。
在冬季,热管可以有效散出600W以上的热量,而地面冻土层为热管传递的热量,其实也只在20—120W之间,完全超出了热管的使用需求。
可以说,热管不但能很好地增强冻土层路基的稳定性,而且热传递速度极快,非常适合用于巩固路基的。
一根热管由三部分组成,其两端分别是蒸发段和冷凝段,中间则是过渡的绝热段。只要温度超过变相温度,铁棒底部的工作介质就会汽化。
这时,在半真空热管内的气体受到气压作用,就会通过绝热段,迅速扩散上升,进入最上端的冷凝段,然后释放出热量后又凝结成为液体。
接着,气体凝结的液体受到重力的作用,又会沿热管再次回到蒸发段。无论如何放置热管,工作液体都会不断在气体和液体间,不断变化,管内热量就会传输出去。
高原“魔法棒”如何发挥作用
热管的使用方法也很简单,只需要将热管的散热段和绝热段插入土壤,冷凝段裸露在外,热管就可以发挥作用了。
所以,我们平时能看到的,只是热管的一小部分,整根热管全长可达7-8米,露出地面的其实只有2米左右,还有近三分之二埋藏在土壤之下。
在冬天,冻土层的温度会高于土层上方的环境温度,此时,热管就会吸收冻土层中的热量,管内的工作介质开始汽化,在蒸气压的作用下,蒸汽向上流动,热量也随之散出。
当到蒸汽到达冷凝段的时候,会因为气温的骤降遇冷凝结,在重力的作用下,凝结液再次回到底部的蒸发段,进行下一个循环。在反复的过程后,地下的热量就会被源源不断地传送到空气中,以此给土地降温。
我们在青藏铁路所看到的热棒,都是重力热管,这类热管只能将底部作为加热段,上端作为冷凝段。
所以在暖季,即使空气中的温度会高于冻土层,但因为热管内的液体,受到重力影响,全部堆积在热管底部,靠近空气一端的管道内,并没有液体,所以热管没有办法吸热,就不会出现热量反向导入冻土层,让冻土融化的情况。
简单来说,热管就是将土壤中的热量吸走,使地下的土体膨胀抬升,以此加固冻土的强度,减小铁路冻土路基在运行时的下沉。
热管的用途
除了寒冷的高原地区,热管的用途也十分广泛。
早在20世纪60年代,美国就开始对应用于冻土层的热管技术进行研究,而中国也从20世纪80年代,就开始研发和使用热棒技术,但全世界首次大规模应用热棒技术,就是在青藏铁路的建设上。
目前,热管技术已经运用到了民用建筑、公路工程、铁路工程、机场跑道、水库大坝等诸多工程。
例如,航天器在宇宙中,会因为过大的温差,影响到设备的安全,此时,热棒就发挥了极大作用。
当航天器面对太阳时,温度会立刻升高,但背阳一面的温度却极低,对航天器的影响极大。为了尽可能地保持两面温度的平衡,科研人员便将热管安装到了航天器中,让面对太阳的一面成为蒸发段,背对太阳那面则是凝结段。
于是,当热管吸收到太阳的热量后,就可以将热量传递到背阳的冷凝段,并在冷凝段释放热量后,再次回到蒸发段,这样就能实现航天器两侧温度的平衡,避免因为两侧温差多大,导致系统出现故障。
目前,在我国青藏铁路冻土层地区采用热管,不但有效保障了土层的稳定性,还避免了对环境造成的破坏。相信在未来,热管也会应用到更多的领域,推动工业工程的快速发展。