基于熱管技術的飛機場跑道融雪系統的長期熱分析

蘇晟 郝文琦（北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 102206）

1 背景

世界上超過60%的機場都位于降雪地區。機場跑道上的積雪減少了飛機輪胎的摩擦力，在降雪和冰雹（冰雹）發作期間威脅機場運營的安全[1]。防止全球機場跑道表面被積雪覆蓋的最常見方法是除冰劑的擴散和除雪機的使用。據報道，除冰劑和除雪劑的年度成本在美國約為60 億美元，在歐洲為90 億美元，在中國為100 億美元，而且近年來這筆費用顯然已經增加了。除冰劑和除雪劑的使用還會加速飛機場-跑道結構的惡化[2]，并造成環境污染。因此，更清潔，更可持續的融雪技術已成為近年來的熱門話題。

20世紀60年代的美國，Los Alamos 國家實驗室的工作人員發明了一種導熱元件，這就是熱管技術的基礎模型[3]。初期的熱管主要應用于人造衛星、宇宙飛船或熱離子發電機等當時的尖端行業，到1970年左右，開始用于工業機械的散熱或溫度均衡。而到目前為止，熱管已經在電器設備散熱、金屬模具冷卻、空調、換熱器、等溫爐和家用電器等方面廣泛應用，我國最近修建的青藏鐵路，為了路基的防凍，其兩側也使用了數以萬計的熱管。

利用可再生能源在飛機場跑道上融化雪的可用技術分為三類：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流體從熱源傳遞到人行道上），以及將熱管嵌入路面內部（熱量通過自由使用的熱管的內部工作流體相變從熱源傳遞到路面）。其中，熱管飛機場跑道系統由于其可持續性[17]，環境友好[18]而引起了最多的關注。

自1960年代以來，就已經建設了熱管融雪路面項目。1969年，Nydahl等人。在美國率先報道了使用熱管技術的融雪路面系統，如下圖所示：

圖1 熱管

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

2 基于熱管技術的全尺寸融雪機場跑道實驗系統

為了研究配備熱管系統的機場跑道的長期熱狀況，并討論氣候條件對系統融雪性能的影響，我們設計了一個大型融雪機場跑道實驗系統于2015 年秋季建成，位于北京中部（N40°04′∕E116°35′），冬季經常降雪，該地區使用的全尺寸融雪機場跑道系統的結構，如圖2所示。

圖2 尺寸融雪機場跑道系統

在系統中使用了150 多個熱管。熱管為L 形，在飛機場跑道中冷凝段為水平，絕熱和蒸發段在地面土壤中為垂直。熱管的冷凝段，絕熱段和蒸發段的長度分別為2.2 m，1.5 m 和12.0 m。考慮到系統的工作溫度，碳鋼是熱管壁的材料，氨是內部流體的材料，工作流體的填充率為60%。對于工作流體流，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械性能。

用于記錄機場跑道溫度的180個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）的機場跑道中，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，測量范圍為-50至+120°C，連續的溫度監控時間間隔為10分鐘。氣象數據（例如，環境溫度，太陽輻射，風速和濕度）是從自動氣象站獲得的，該氣象站的安裝間隔為10分鐘，距全尺寸實驗系統約10 m。在降雪事件中使用了四個視頻監視器來記錄融化過程，從而評估飛機場跑道的融雪性能。該方法證實了依賴于機場跑道融雪系統的長期工作特性熱管技術可以得到有效監控。

3 結果與討論

藍線表示已安裝特定深度的熱管系統的機場跑道溫度，綠線表示非熱管系統溫度，紅線表示環境溫度。有趣的是，藍色線條在每個夏季（3月至11月）幾乎與綠色線條重合，但在每個冬季（11月至3月）則更高。以哈爾濱2厘米深度的機場跑道溫度為例，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量誤差。但是，在有和沒有熱管系統的情況下，機場跑道溫度在冬天的平均差為9.1°C。這種現象可歸因于熱管系統的不連續運行。

北京的熱管系統平均機場跑道溫度升高分別為6.4°C。冬季的熱管系統運行時間在85 天，但北京整個冬季幾乎接近0°C。因此，地理因素對除冰有重要影響熱管機場跑道系統的性能。

融雪時間隨著周圍空氣溫度的降低而增加。對于相同的降雪條件，當周圍空氣溫度為-4°C或更高時，機場跑道表面始終沒有積雪，因為表面溫度高于1.5°C C。當周圍空氣溫度從-5°C降到-8°C時，熱管機場跑道的平均融雪速率從5.0 mm∕h降低到3.7mm∕h，結果降雪時間清除時間延長了2-4小時。但是，機場跑道表面總是被雪覆蓋。表面溫度已經低于-2.5°C，因此周圍空氣溫度為-10°C或更低。這些結果表明，環境空氣溫度在確定熱管機場跑道系統的可行性中起著主導作用，并且當環境空氣溫度低于-10°C時，系統的融雪性能將受到限制。

4 結語

熱管的應用領域非常廣泛，發展前景廣闊。隨著熱管技術的不斷發展，研發水平和制造工藝的不斷提高，熱管的應用在各類行業中將會占有非常重要的地位。

當冬天冬季機場跑道溫度降至約5°C以下時，熱管系統將自動運行，地面土壤中的熱量通過管道連續地傳遞到機場跑道。熱管內部的工作流體相變。在哈爾濱，熱管系統的運行時間超過了約120天。在春季，由于周圍空氣溫度升高，飛機場跑道溫度升高到5°C以上，熱管系統不再運行，因為熱管的蒸發段（地面土壤）和冷凝段（機場跑道）之間的溫差低于啟動閾值。這樣，具有熱管系統的機場-跑道溫度逐漸趨向于沒有熱管的系統。

同時，熱管的應用領域非常廣泛，發展前景廣闊。隨著熱管技術的不斷發展，研發水平和制造工藝的不斷提高，熱管的應用在各類行業中將會占有非常重要的地位。