多年凍土區路基用太陽能吸附式制冷管的試驗研究

劉建坤，胡田飛，郝中華

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

凍土工程是凍土和大氣環境進行熱量交換的一種介質體，其熱量傳遞過程同時受到自然環境、人為干擾和構筑物性質等因素的控制，熱穩定性差。在多年凍土區，道路工程建設和運營會破壞凍土的熱量收支平衡狀態，引起凍土層溫度升高、上限下降和路基沉降等熱害問題[1-2]。

多年凍土與大氣環境的熱量交換主要包括：過程一，暖季的熱量輸入；過程二，冷季的熱量輸出。在凍土工程中，為保持凍土層原有的低溫環境，必須采取人為措施來減小熱量輸入和增大熱量輸出，由此發展了形式多樣的保溫型和主動冷卻型工程結構，包括遮陽板、塊石層、通風管、熱管等[3-4]。上述措施“主動冷卻”的優勢為，相比保溫材料被動地限制傳熱過程一，可以相對主動地增大過程二的傳熱量，來平衡全年熱量收支狀態。但是，主動冷卻措施實質上局限于調節自然溫差驅動的傳熱過程，主要在冷季起作用，而在凍土退化嚴重的暖季無法有效工作[5]。同時，作用效果依賴于冷季的大氣溫度水平，人為可控性差，存在傳熱效率低和季節匹配性差的缺點。隨著中國多年凍土區高等級道路工程的規劃和建設，有必要進一步發展更具主動性和有效性的凍土保護措施。

相比現有的主動冷卻措施，更為有效的方法是在暖季將凍土內部熱量逆向轉移回大氣環境，實時控制凍土溫度升高和退化。在上述附加傳熱過程中，熱量需要從低溫路基傳遞向高溫大氣，屬于制冷技術范疇[6]。因此，這一新方法的核心是將制冷技術引入路基工程，選擇合理的制冷方法和制冷循環驅動來源，開發路基專用制冷裝置。

在此基礎上，本文首先對比不同的制冷方法，結合多年凍土區太陽能分布條件，提出將基于太陽能光熱技術驅動的吸附式制冷技術引入路基工程。然后，歸納多年凍土制冷要求，選擇活性炭-甲醇為吸附式制冷工質對。設計與制作一種路基專用太陽能光熱吸附式制冷管，包括結構形式、裝置制作技術及工質對灌裝方法等內容。最后，通過試驗驗證了制冷管的吸附和脫附性能。

1 太陽能制冷技術

1.1 制冷技術

制冷指通過人為途徑搜集某一低溫對象的熱量，并將其傳遞向周圍高溫環境的過程，其傳熱方向逆于自然溫差傳熱方向，需要消耗能量進行驅動[7]。制冷方法主要有三種：①相變(蒸發)制冷；②氣體膨脹制冷；③珀爾貼效應的熱電制冷。目前，相變制冷最為成熟且應用廣泛，其中熱驅動制冷利用熱能實現制冷循環，包括噴射式、吸附式和吸收式三種實現方式，可以由工業余熱和可再生熱能驅動。

在多年凍土區，限于基礎設施條件，電能和高品位熱能的利用成本很高，但是太陽能、風能等新能源分布非常廣泛，因此通過新能源為路基制冷提供驅動是一個解決方法。

1.2 多年凍土區的太陽能分布

青藏高原是中國多年凍土的主要分布區域。由于低緯度、高海拔的地理位置，青藏高原也是中國太陽能分布最為富集的區域，因此這一地區的凍土面臨著嚴重的退化威脅[8]。青藏高原平均海拔在4 000 m以上，大氣層稀薄而清潔，透明度好，年日照時數為2 800～3 200 h/a，輻射總量高達2 558 kW·h/m2·a，僅次于撒哈拉沙漠，居世界第二位，屬于太陽能利用條件良好的Ⅰ類地區。

在新能源利用領域，太陽能制冷技術是目前的研究熱點[9]。太陽能制冷技術特點在于：①季節匹配性好。太陽輻射越強烈，氣溫越高，制冷對象冷負荷越大。②地域匹配性好。太陽能資源越豐富，制冷對象所需的制冷量越大。③技術匹配性好。太陽能制冷技術具有自驅性，適用于供電不便的場所。但是，太陽能存在分布分散、能流密度低、穩定性差和晝夜間斷性等缺點，太陽能制冷技術的連續性差，限制了其推廣應用。

對于多年凍土而言，土體熱惰性大，冷負荷水平低，不需要連續的制冷量輸出。因此，面向多年凍土保護時，太陽能制冷技術不受制冷容量和連續性缺陷的限制，具有良好的適用性。

1.3 太陽能制冷技術的比選

太陽能制冷技術的驅動方式包括：①實現光電轉換，再以電力供應蒸汽壓縮制冷；②實現光熱轉換，再以熱能驅動吸收式制冷或吸附式制冷[10]。太陽能光電系統包含光伏板、蓄電池、逆變器等部件，太陽能光熱系統組成則相對簡單，太陽能光電制冷系統的應用成本要高于太陽能光熱制冷系統[11]。因此，太陽能光熱制冷技術的經濟性和技術條件更適用于路基工程。

熱驅動制冷技術中，噴射式尚處于概念階段，吸附式和吸收式的技術相對成熟。吸附式和吸收式制冷的工作機理類似，分別以液體介質和固體介質作為制冷劑的吸收劑。一般地，吸收式的制冷效率要高于吸附式[12]。但是吸收式制冷需要溶液泵輔助循環，存在電能消耗，而且，制冷溫度一般在0 ℃以上，難以有效保護多年凍土。同時，吸收式制冷的熱源溫度要求較高，而吸附式的熱源要求低，可以直接采用太陽能低溫集熱技術來驅動循環[13]。此外，吸附式制冷系統中沒有運動部件，裝置組成簡單，運行效率高，抗震性好。因此，吸附式制冷技術在路基工程中的適用性最優。

1.4 吸附式制冷技術

吸附式制冷系統包括吸附集熱器、冷凝器、蒸發器等部件，工作過程見圖1[14]。制冷原理為，吸附劑溫度越高，對制冷劑的吸附性能越低，由此通過吸附劑溫度的交替變化來實現制冷劑的熱脫附和冷吸附。當吸附劑溫度降低時，吸附劑吸收氣態制冷劑，引起液態制冷劑持續地蒸發，氣化吸熱效應產生制冷效果，制冷劑與吸附劑形成混合物。當吸附劑溫度升高時，制冷劑會脫附為高溫高壓氣體，在冷凝器中散發熱量后液化，然后流回蒸發器中儲存，完成一次制冷循環。

圖1 熱驅動吸附式制冷循環

吸附式制冷的脫附過程和吸附過程需要分開進行，具有異步性。太陽輻照恰恰晝夜交替出現，因此可以通過太陽能驅動吸附式制冷過程，晝夜交替的脫附和吸附過程見圖2。

圖2 太陽能吸附式制冷過程

2 面向路基工程的吸附式制冷技術

2.1 面向多年凍土區路基工程的制冷要求

根據現場監測，青藏鐵路等道路工程下覆多年凍土的上限下降深度可達5 m，升溫凍土層的深度可達10 m[15]。因此，制冷裝置應具備以下性能：①制冷溫度在0 ℃以下，且低于凍土溫度；②制冷深度大于凍土退化范圍，可以達到數米；③制冷系統可以自持地獨立運行；④裝置結構緊湊、體積小，布設后不影響路基正常運營。

2.2 吸附式制冷工質對的選擇

在吸附式制冷技術中，吸附劑和制冷劑組合包括沸石-水、硅膠-水、活性炭-甲醇、氯化鈣-氨等[16]。對于沸石-水和硅膠-水工質對，水的凝固點為0 ℃，在0 ℃以下工況中會結冰脹裂，因此不能滿足凍土保護要求[17]。對于活性炭-甲醇和氯化鈣-氨工質對，甲醇和氨的凝固點均低于-50 ℃，制冷溫度在0 ℃以下，滿足凍土工況。但是，氯化鈣-氨的工作壓力較高，且容易產生氯化鈣粉末，系統工作穩定性差[18]。活性炭-甲醇的工作壓力相對較低，而且甲醇的解吸溫度低，一般為70～150 ℃，對熱源溫度要求較低[19]。此外，活性炭對甲醇的吸附量大，在材質和結構強度方面均可滿足制冷條件。

活性炭-甲醇工質對的制冷效率和耐久性是制約吸附式制冷技術實用化的關鍵因素。目前，大多數商業吸附式制冷系統都采用顆粒狀吸附劑填充于細管式熱交換器中的結構形式。為改善工質對的傳熱傳質效果和使用壽命，主要針對活性炭吸附劑的材質、物態(粒徑和孔隙率)進行優化，此外還包括新興的固化吸附劑和涂層吸附劑技術，可極大提高吸附式制冷技術的可靠性[20]。因此，活性炭-甲醇制冷工質對適合應用于保護多年凍土。

2.3 吸附式制冷裝置形式的選擇

在應用方面，劉震炎等[21]提出一種自成一體的“太陽能冷管”，在單根玻璃管內可以交替進行太陽能集熱和吸附式制冷兩個過程，但制冷溫度在0 ℃以上。Zhao等[22]進一步提出一種制冷溫度在0 ℃以下的抗凍型太陽能冷管，但仍采用玻璃管形式。玻璃結構存在尺寸不能過大、材質易碎和抗振性能差等缺點，不適用于路基工程。

參考熱管形式，圓柱結構的作用深度大，布設形式靈活。同時，圓柱體的工藝制造和承壓性能相對較好，因此本文采用圓柱體作為太陽能吸附式制冷技術應用于路基工程的結構形式。

3 太陽能吸附式制冷管的設計與制作

3.1 結構設計

本文提出的太陽能光熱吸附式制冷管結構形式見圖3[23]。設計原理為，將熱驅動吸附式制冷系統集于一體，分為集熱/吸附段、冷凝段、蒸發制冷段。裝置自主地搜集太陽熱能來驅動吸附式制冷循環，自成完整的制冷體系。其中，內管為金屬管，用以保證裝置穩定性和太陽能集熱效果，兼作吸附床。外管采用玻璃管，用于保證太陽光透過率和系統內部真空環境。

1-組合密封結構；2-集熱/吸附段；3-冷凝段；4-蒸發制冷段；5-泄壓閥；6-不銹鋼管接頭；7-單向閥；8-法蘭；9-螺栓；10-法蘭墊片；11-玻璃-金屬封接節；12-玻璃管；13-太陽能選擇性吸收涂層；14-彈簧支架；15-制冷劑蒸氣通道；16-甲醇；17-盲板；18-螺栓孔道；19-不銹鋼絲網；20-不銹鋼管；21-吸附床；22-活性炭；23-填充物。

裝置工作原理為通過吸附床晝夜溫度的周期性變換來驅動吸附和脫附過程，實現間歇式制冷。制冷劑的蒸發制冷段直接與凍土換熱，冷凝段直接與大氣環境換熱，減少了中間換熱環節，運行效率高，結構簡單，易于模塊化。

3.2 部件說明

裝置的具體部件、材料及功能如下：

(1)集熱/吸附段。用于實現太陽能集熱和制冷劑相變。甲醇在不銹鋼容器中的熱分解速率最慢，因此金屬管采用不銹鋼材質[25]。本文采用的不銹鋼管直徑為32 mm，管體內部填充圓柱體活性炭，管體外壁濺鍍太陽能選擇性吸收涂層。

(2)制冷劑蒸氣通道。在金屬管上按照一定間距鉆設圓孔，作為甲醇蒸氣出入吸附床的通道。

(3)太陽能選擇性吸收涂層。濺鍍在不銹鋼管的外表面，用于吸收太陽熱能，并直接提供給吸附床，有利于減少熱損和提高太陽能利用率。

(4)玻璃管。用于維持制冷所需的真空環境，同時制冷劑蒸氣通過玻璃管直接與外界進行熱交換，保證冷凝段的散熱效果和液化效率。管材采用高硼硅玻璃，管徑70 mm。

(5)玻璃-金屬封接節。金屬管與玻璃管的熱膨脹系數不同，兩管的變形差容易導致裝置破損。甲醇屬于低飽和蒸氣壓制冷劑，真空度是保持制冷性能的關鍵，因此采用特制的玻璃-金屬封接節來緩解雙管變形差和保證裝置氣密性。封接節包括膨脹節和密封連接材料兩部分，膨脹節用于補償金屬管和玻璃管之間的差異變形。密封連接材料采用可伐合金，膨脹系數介于玻璃和金屬之間，易于熔接，可塑性良好，可以減小封接應力。

(6)彈簧支架。作用為將金屬管與玻璃管固定在同心軸線上，防止金屬管與玻璃管相互接觸，增強裝置的整體穩定性。

(7)冷凝段。作用為利用玻璃管與大氣之間的傳熱過程促進制冷劑的冷凝液化，將凍土層熱量傳遞至大氣中，甲醇液化后回流至蒸發制冷段。

(8)蒸發制冷段。埋設于凍土地層中，利用甲醇的蒸發吸熱效應實現對凍土的降溫保護。

(9)法蘭、墊片及螺栓。作用為實現制冷管主體與密封結構的可拆連接。

(10)組合密封結構。包括泄壓閥和單向閥，兩者焊接在法蘭遮板上。在脫附過程中，制冷管內部壓力較高，泄壓閥用于將系統壓力控制在允許壓力范圍內，防止玻璃管因壓力過高而損壞。單向閥只能單向開啟，不會因反向壓力而開啟，用于完成裝置的抽真空、制冷劑灌裝和封結等工序。

裝置優點包括：①自成完整獨立的制冷單元，冷凝段和蒸發制冷段合于一體，無節流裝置，無運動部件，可靠性高；②結構組成簡單，易于組裝和進行批量制作；③尺寸設計靈活，可以根據路基冷負荷進行選擇性組裝；④制冷工質對為活性炭和甲醇，對大氣環境沒有污染；⑤由太陽能驅動，日照強度與路基冷負荷一致，季節匹配性和地域匹配性較好；⑥柱狀裝置的布設形式靈活，適用于分散的路基制冷需求。

3.3 制冷管的制作

根據圖3所示結構形式，加工與制作一套實體裝置，包括裝置加工和制冷工質對灌裝兩方面。

3.3.1 裝置加工

裝置本體的制作步驟包括：①以一根不銹鋼管為基管，集熱/吸附段和蒸發制冷段的長度分別為1.5、0.5 m；②在集熱/吸附段上鉆設直徑2 mm的圓孔，作為制冷劑蒸氣通道，圓孔在水平方向的夾角為120°，在軸向的間距為100 mm；③在集熱/吸附段外壁上濺鍍太陽能選擇性吸收涂層；④在玻璃管和不銹鋼管的兩端采用玻璃-金屬封接節密封，成為同軸套管；⑤通過法蘭、墊片及螺栓，在集熱/吸附段頂部安裝組合密封結構，同時采用盲板將蒸發制冷段的底部密封。實體裝置見圖4。

圖4 制作完成的太陽能吸附式制冷管

3.3.2 制冷工質對的灌裝

活性炭和甲醇的灌裝步驟為：①將活性炭烘干，灌入集熱/吸附段并振動密實，安裝組合密封結構；②將活性炭加熱至100 ℃以上，采用真空泵將裝置抽真空；③將吸附床溫度降低至室溫，進行甲醇的初始吸附；④密封制冷管。

甲醇的初始吸附方法見圖5。步驟包括：①制冷管與甲醇瓶、真空泵三者相互連通，首先關閉閥門1，開啟閥門2、3，啟動真空泵，同時開啟日光模擬裝置，直至制冷管內水分和空氣完全排出；②關閉閥門2，開啟閥門1、3，直至甲醇瓶內空氣完全排出；③關閉閥門3，開啟閥門1、2，直至活性炭吸附甲醇呈飽和狀態。吸附完成后，關閉閥門1、2、3并拆除，單向閥自動封閉，系統在熱源充足條件下即可完成制冷循環。

圖5 太陽能吸附式制冷管的初始吸附方法

3.4 工作過程

太陽能吸附式制冷管的傳熱過程見圖6。①吸附過程。在夜間，當吸附床內活性炭溫度降低至吸附溫度時，活性炭開始吸附甲醇蒸氣，裝置內部壓力逐漸降低。當裝置壓力降低至液態甲醇對應的飽和蒸氣壓力時，液態甲醇開始氣化吸熱產生制冷效應，吸收凍土層熱量，直至活性炭吸附飽和。②脫附過程。在白天，太陽能光熱轉化并加熱活性炭，當溫度升高至甲醇脫附溫度時，甲醇不斷地脫附成為蒸氣。當系統壓力達到與系統溫度對應的飽和壓力時，甲醇開始冷凝成液態，將吸附過程中吸收的凍土熱量以凝結熱的形式釋放至大氣環境，液態甲醇回流至蒸發段儲存，并持續到傍晚甲醇停止脫附為止。

圖6 太陽能吸附式制冷管的傳熱過程

上述過程即為一次制冷循環，之后當吸附床溫度降低后重新進行吸附過程，由此實現對多年凍土的持續制冷。

在實際應用中，可以根據不同退化程度多年凍土所需的制冷量，調整裝置的設計尺寸和制冷工質對填充量。結合制冷影響半徑，在路基沿線按照一定間距進行分布式布置，見圖7。此外，裝置采用機械密封方式，當長期運行導致制冷工質對的工作性能劣化時，可以在現場更換活性炭和甲醇，以維持裝置的長期時效性。

圖7 多年凍土區路基分布式制冷方案示意

4 吸附式制冷管的性能試驗

4.1 試驗方案

鑒于裝置制冷量可通過甲醇吸附量直接計算，本文側重對制冷溫度輸出水平進行驗證。根據青藏高原的自然環境條件，試驗方案設計為：裝置放置于恒溫控制室內的空氣環境中，在吸附過程中，無光照條件，環境溫度設置為2 ℃；在吸附過程結束之后，繼續進行脫附試驗，采用高壓鈉燈模擬太陽光源，輻射強度設置為600 W/m2，環境溫度設置為20 ℃。溫度監測采用PT100傳感器，量程為-50～300 ℃。其中，冷凝溫度監測點位于集熱/吸附段的中部，蒸發溫度監測點位于甲醇液面以上5 cm處。吸附式制冷管內部活性炭質量為1 050 g，甲醇體積為200 mL，試驗時間根據甲醇相變穩定程度而定。

4.2 試驗結果與分析

4.2.1 吸附過程和制冷溫度

吸附過程中制冷溫度的變化特征見圖8。由圖8可知，制冷溫度在試驗初期迅速下降，在1.5 h時達到最低溫度-2.88 ℃，滿足保護多年凍土的要求。隨著試驗時間增長，活性炭吸附甲醇的飽和度逐漸增大，吸附速率降低，制冷溫度隨之升高。吸附過程持續時間約為12 h，平均制冷溫度約為-1.51 ℃。吸附過程中甲醇吸附量的變化特征見圖9。由圖9可知，試驗開始后甲醇吸附量逐漸增大，但增大幅度逐漸降低，最終吸附量為92.6 mL。

圖8 吸附過程的制冷溫度

圖9 吸附過程的甲醇吸附量

本文試驗中，椰殼顆粒活性炭與甲醇吸附量的質量比例約為0.057 g/g，低于常見吸附比例水平[24]。原因在于，裝置吸附性能會受到活性炭本體性狀、吸附床溫度和內部真空度等因素的影響。

4.2.2 脫附過程和冷凝溫度

脫附過程中冷凝溫度的變化特征見圖10。由圖10可知，冷凝溫度呈現先升高、后降低的規律。冷凝溫度會受到環境溫度、冷凝器與環境換熱系數、甲醇蒸氣壓力等因素的綜合影響。在試驗前期，甲醇脫附速率高，甲醇蒸氣冷凝潛熱的釋放量多，因而冷凝溫度逐漸升高；之后隨著甲醇脫附速率和蒸氣壓力的減小，冷凝溫度轉而逐漸降低。試驗過程中，冷凝溫度與環境溫度的最大差值可達24.3 ℃，平均差值約為10.3 ℃，甲醇冷凝液化效果較好。

圖10 脫附過程的冷凝溫度

脫附過程中甲醇脫附量的變化特征見圖11。由圖11可知，脫附試驗開始之后，活性炭中的甲醇開始脫附與液化，在試驗前期吸附床溫度低，脫附速度相對較慢。隨著吸附床溫度的升高，甲醇液化量明顯增大。脫附過程持續時間約為7.5 h，甲醇脫附量約為61.5 mL，小于吸附過程中的甲醇吸附量。活性炭中甲醇不能完全被脫附的原因在于，脫附過程會受到吸附床溫度、環境溫度、活性炭性狀等因素的影響。特別是，活性炭吸附性能會隨著制冷循環次數的增加而劣化，這是吸附式制冷技術的固有局限性，因此制冷工質對需要定期更換。

圖11 脫附過程的甲醇脫附量

5 結論

(1)制冷技術應用于多年凍土區路基工程的優勢在于，可以在暖季將傳入凍土地層的熱量實時地傳遞回大氣環境，更具主動性和有效性。中國多年凍土區太陽能分布豐富，太陽能制冷技術面向路基制冷應用時具有三方面的優勢：①凍土退化高峰期與太陽能制冷量一致(季節匹配性)；②太陽能豐富地區路基所需的制冷量大(地域匹配性)；③在基礎設施落后的青藏高原等多年凍土區，太陽能制冷技術更具節能性和自驅性(技術匹配性)。

(2)提出的太陽能光熱吸附式制冷管為一個兼具太陽能集熱和吸附式制冷的一體化制冷單元，利用太陽輻射的晝夜交替變化驅動活性炭對甲醇的脫附和吸附循環過程，自主實現間歇式制冷。裝置包括集熱/吸附段、蒸發制冷段、冷凝段等部件，制作技術包括本體加工和制冷劑灌裝兩部分。

(3)太陽能光熱吸附式制冷管的試驗表明，制冷溫度最低可達-2.9 ℃，平均制冷溫度-1.5 ℃，可以實現對多年凍土的實時保護。活性炭對甲醇的吸附比例約為0.057 g/g。在脫附過程中，冷凝溫度與環境溫度的平均溫差約為10.3 ℃，可以實現制冷循環。太陽能吸附式制冷管具有制冷溫度低、季節匹配性好的優勢，可以為多年凍土區路基工程提供一種新型制冷裝置。