多年冻土区路基用压缩式制冷装置的开发与试验

胡田飞，刘建坤，辛文绍

多年冻土区路基用压缩式制冷装置的开发与试验

胡田飞1, 2，刘建坤3，辛文绍4

(1. 石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；2. 石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北 石家庄 050043；3. 中山大学 土木工程学院，广东 广州 510275；4. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

针对中国多年冻土区广泛面临的冻土退化和路基热稳定性问题，基于压缩式制冷技术，提出一种新型多年冻土保护装置。首先，分析压缩式制冷技术面向多年冻土区路基工程的适用性。然后，设计与制作一款路基专用制冷装置—自动化压缩式制冷管，包括制冷单元和自动化控制单元。制冷单元为压缩机、节流器、蒸发器和冷凝器顺次连接而成的闭合循环回路，自动化控制单元为基于位式控制原理的微电脑控制器。装置制冷性能试验表明，制冷温度在正温环境中也一直保持在0 ℃以下，且可以自动地维持在−5，−10和−15 ℃等恒定范围内，制冷系数随着制冷温度的升高而增大。压缩式制冷管具有季节匹配性好和自动化程度高的技术优势，可以为多年冻土区路基工程提供一种有效的冻土退化防治方法。

多年冻土退化；路基；制冷技术；结构型式；部件选型；性能试验

在多年冻土区，交通线路工程面临的主要障碍之一是冻土退化及其引起的路基热稳定性问题。多年冻土保护措施主要包括增大路堤高度、铺设保温材料等被动型冻土保护措施，以及块石层、通风管、热管等主动型保护措施[1]。但是，限于传热效率和季节匹配性方面的不足，目前多年冻土退化仍然无法得到严格控制[2−3]。随着川藏铁路、京藏高速公路等在多年冻土区的规划与建设，势必对冻土热稳定性提出更高要求，因此有必要发展更为有效和先进的多年冻土保护方法。根据热力学第二定律，在没有外力做功的条件下，热量不可能逆向地从低温物体传递向高温物体[4]。现有多年冻土保护措施均没有外界能量补偿，因此其局限性在于，一方面，季节匹配性差，只能通过增大冻土在冷季的冷储量来间接地抵御暖季热侵蚀；另一方面，传热效率低，冷季传热量依赖于冻土与大气的温差水平[5]。既有措施的改进方向为如何在暖季实现对冻土的实时保护。制冷指通过人工方法使对象温度维持在其周围环境温度以下的过程，热量传递方向由低温物体指向高温环境[6]。因此，多年冻土保护实质上属于制冷技术范畴，即在暖季将低温冻土的热量传递向高温大气环境。制冷方法包括压缩式、吸附式和半导体式等，主要面向建筑与工业领域，制冷设备与技术工艺多具有行业性特征[7]。限于学科差异和应用局限性，制冷技术在多年冻土工程领域还未见应用。近年来，随着制冷装备技术和新能源利用技术的进步，制冷技术应用于多年冻土工程的技术性和资源性条件已经逐步成熟。但是，多年冻土退化具有分散性强、分布深度大等特点，面向路基工程时，制冷装置应满足集成化、小型化、驱动源分散供应等特殊要求，因此需要进行针对性的制冷装置型式设计与功能优化。在此，结合多年冻土保护要求，分析压缩式制冷技术面向多年冻土区路基工程的适用性。通过设备选型和装置型式设计，提出一款路基专用的多年冻土保护装置，即自动化压缩式制冷管。最后，通过试验来验证压缩式制冷管工作温度、自动化功能等方面的实用性。

1 冻土退化与压缩式制冷技术

1.1 多年冻土保护的制冷技术要求

多年冻土退化的特殊之处在于，一方面，多年冻土区地表的活动层厚度一般在2 m以上，冻土层退化深度可达15 m，年平均升温速度可达0.1 ℃/a，深度大、范围广；另一方面，冻土退化和路基热害多呈段落式分布，分散性强。因此，面向多年冻土区路基工程时，制冷装置应具有离散式和大深度的冷量输出方式。

根据热储量变化理论和冻土地层的热物理性质，普通单线铁路路基下部退化多年冻土在暖季的平均冷负荷在10 W/延米范围内[8]。因此，多年冻土保护的冷量输出要求在制冷领域属于微小型制冷系统的功率范围，单体集成式的小型制冷系统是路基工程的必要选择。同时，制冷的实现必须具有外部能量补偿，包括电能、机械能或热能等。在中国多年冻土区，限于基础设施条件，难以通过电网等方式来实现路基的长距离制冷，因此解决驱动源问题是实现多年冻土路基制冷的关键。

1.2 压缩式制冷技术的适用性

在普通制冷技术领域，基于物质相变的压缩式制冷是最为成熟的制冷方式。面向多年冻土区路基工程时，压缩式制冷技术的优势在于：1) 制冷温度范围广，从稍低于环境温度至−150 ℃均可实现，通常在−40 ℃以上，可以有效保护多年冻土。2) 单机容量范围广，制冷量从几十W到数千KW，有大、中、小各种容量，可以根据冻土退化冷负荷水平选择相应的设备容量。3) 技术成熟，部件结构紧凑，蒸发器和冷凝器可以根据应用工况自主制作为不同的尺寸和型式，能适应冻土的大深度和分散性保护要求。4) 压缩机节能性好，制冷系数可达5.0以上，系统耗电量低。

由于海拔高、纬度低，中国多年冻土主要分布区域青藏高原的太阳辐射量最高达2 100 kW∙h/(m2∙a)以上，属于太阳能利用条件良好的I类地区。此外，青藏高原的风能资源也非常丰富，有效风能密度一般在150 W/m2以上[9]。目前，太阳能和风能发电成本日益降低，尤其在光伏产业进步背景下，太阳能光电利用已经非常普及，成本低至约1.0元/kW∙h，可以有效解决压缩式制冷装置的电源供应问题。因此，面向多年冻土区路基工程时，压缩式制冷技术具有良好的应用条件。

1.3 压缩式制冷原理及制冷系数

压缩式制冷部件主要包括压缩机、冷凝器、节流器和蒸发器4部分，如图1所示[10]。制冷原理为通过压缩机做功在系统内部形成高、低压环境，利用制冷剂相态变化过程发生的吸热与放热现象，实现制冷剂在压缩机中抽吸、在冷凝器中放热冷凝、在节流阀中降压、在蒸发器中吸热气化的循环过程，来连续地输出冷量。

图1 压缩制冷循环流程图

压缩式制冷循环过程如图2所示[6]。过程1-2-3- 4-5-1分为：1) 压缩过程，蒸发器出来的制冷剂为状态1，进入压缩机进行绝热压缩过程1-2，变为高温高压状态2的过热蒸气；2) 冷凝过程，过热蒸气进入冷凝器，进行定压放热过程2-3-4，散发热量并冷凝成为饱和状态4的液体；3) 节流过程，饱和液体经节流机构做不可逆的绝热节流4-5，部分液体闪发为蒸气，形成气液两相混合状态5的饱和湿蒸气；4) 蒸发过程，饱和湿蒸气进入蒸发器，做定压蒸发吸热过程5-1，实现制冷并蒸发为蒸气状态1，然后回到压缩机重新压缩，从而完成一个制冷循环。

图2 压缩式制冷的压力−比焓(lgp-h)流程图

制冷系数是制冷装置的一项重要评价指标，指单位功耗获得的制冷量[6]。制冷系数越大，表示能量利用效率越高。

在上述热力学循环过程中，单位质量制冷剂在冷凝器中的放热量0为：

式中：为制冷剂的能量状态指标，J/kg。

制冷剂在蒸发器中的吸热量c为：

压缩机做功的比轴功c为：

(3)

那么，制冷系数为：

2 路基用压缩式制冷管的设计

2.1 制冷部件的类型选择

首先针对路基下部多年冻土的保护要求，选择合理的压缩机、冷凝器、蒸发器和节流器及相关辅助部件类型。

1) 压缩机为制冷装置的核心部件，是输送制冷剂和传递热量的驱动来源[13]。按照工作温度，压缩机分为高温(−5～15 ℃)、中温(−20～0 ℃)和低温(−35～−15 ℃)3类。对于多年冻土而言，制冷温度应低于初始地层温度，过高无法有效保护冻土，过低会造成过度能耗。按照电动机布置形式，活塞式压缩机分为开启型、半封闭型和全封闭型，大型装置多采用半封闭型和开启型。封闭型压缩机结构紧凑，体积小，噪声低，振动小，适用于小型制冷装置。为满足冻土的分散性保护要求，制冷装置应为单体集成式，因此选用中温型、全封闭型活塞式压缩机。

2) 冷凝器是制冷循环的散热设备，散热效果越好，制冷温度越低。冷凝器分为空气冷却式、水冷式和蒸发式，其中空气冷却式以空气为冷却介质，体积紧凑，安装与维修方便，应用最为广泛，适用于缺水、干燥地区或运输式制冷系统[11]。空气冷却式冷凝器又分为壳管式、板式等，其中壳管式一般用于大、中型制冷系统，板式传热系数高、结构紧凑、组合灵活，适用于中、小型系统。水冷式冷凝器涉及冷却水循环和水质处理，运行费用高。蒸发式冷凝器适用于缺水地区，但机组体积大，多用于大型装置。青藏高原空气温度水平低、风速大，通风换热效果好，因此应选用板式空气冷却式冷 凝器。

3) 蒸发器是直接输出冷量的热交换设备，分为冷却空气式和冷却液体式[12]。冷却空气式属于直接冷却式，典型结构为将直径6～25 mm的铜管以蛇管式或螺旋盘管式贴焊在金属板等基础构件上，制冷剂在铜管内蒸发气化，加工方便，冷冻效率高，可以制作为不同形状。其中，蛇管式适用于平面布置形式，螺旋管式适用于曲面布置形式。冷却液体式通过循环流动的载冷剂向外输出冷量，属于间接冷却方式，冷量损耗大、循环经济性差。考虑到制作成本、维护难度和安装便捷性，路基用制冷装置应选用便于机械化钻孔布设的直接冷却式螺旋盘管型蒸发器。

4) 节流器的作用是调节与控制进入蒸发器的制冷剂流量，保证蒸发器内维持适宜的蒸发压力。节流器分为热力膨胀阀、电子膨胀阀和毛细管。其中，前两者根据制冷剂过热度来调节液位，精度高，动态特性好，但技术难度大，结构复杂。毛细管一般为管径0.6～2 mm的等截面铜管，直接通过大长度和小管径的高摩擦阻力来产生节流效果，结构简单、性能稳定、成本低，适用于制冷负荷稳定的封闭式压缩机制冷系统。

5) 干燥器和过滤器的作用是清除制冷剂液体或气体中的机械杂质，一般设置在节流器之前，防止油污、水分等侵入压缩机或阻塞制冷剂循环通道。通常干燥器和过滤器合为一体，即干燥过滤器。

综上所述，面向多年冻土区路基工程的制冷装置选型方案为：全封闭活塞式压缩机、板式空气冷却式冷凝器，柱状螺旋盘管型式蒸发器、毛细管，如图3所示。

(a) 压缩机；(b) 冷凝器；(c) 蒸发器；(d) 毛细管与干燥过滤器

2.2 压缩式制冷管的结构型式设计

本文提出的一款面向多年冻土区路基工程的压缩式制冷装置如图4所示。装置主要包括制冷单元、温度信号采集单元和自动化控制单元。其中制冷单元部件的连接方式为压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发制冷段的出入口顺次连接，由此形成闭合的循环回路。功能部件蒸发器为立柱式的螺旋形铜管，通过钻孔埋设于冻土层，外壁包裹防腐阻锈层，其他部件通过钢制支架和螺栓集成固定在地表的保护外壳内，以保证装置长期服役耐久性。温度信号采集单元包括温度传感器，并将监测目标位置的温度实时地反馈给自动化控制单元。自动化控制单元根据温度信号调节制冷单元的开启或关闭。

1—保护外壳；2—干燥过滤器；3—冷凝器；4—毛细管；5—冷却风机；6—螺栓；7—自动化控制器；8—压缩机；9—支座；10—信号传输线；11—蒸发制冷段；12—温度传感器；13—铜管；14—PPR基管；15—通风孔；16—电度表；17—制冷剂。

2.3 自动化功能的设计与实现

自动化控制单元为基于位式控制法的微电脑控制器，包括目标温度1和回差温度22个参数，其中1为蒸发器管壁和地层的目标温度，2为温度波动幅值。工作原理为：实际制冷温度为，当＞1+2时，给制冷装置供电，启动压缩机进行制冷；当≤1时，压缩机停机，如此循环，实现对多年冻土的恒温保护。

2.4 制冷部件选型与制作

根据制冷需求选择相应功率的压缩机，然后根据压缩机输气量确定蒸发器铜管和毛细管的长度、直径等参数取值，并选用满足换热要求的板式冷凝器型号。根据路基下部多年冻土的冷负荷水平[8]，结合影响半径等因素，部件选型结果如表1所示，整体造价约为2 000元，没有易损件且易于维护，技术经济性良好，制作完成的装置如图5所示。

表1 压缩式制冷管的部件选型

(a) 成型装置；(b) 装置安装

3 制冷性能试验

3.1 试验方案

以图5所示样机为对象，试验方案为目标温度1顺次设置为−5，−10和−15 ℃，各个目标温度的试验时间均为48 h，回差温度2设置为2 ℃。目标温度1监测位置位于蒸发器中部。监测方案为，对于蒸发器，以0.5 m为间距在其3 m高度范围内布设7个监测点；对于冷凝器，分别在其入口、中部及出口处布设3个监测点。

3.2 试验结果及分析

在试验期间，最高大气温度约为15 ℃，日均温度在0 ℃以上，如图6所示。图7为蒸发器制冷温度和冷凝器散热温度的变化特征。可以看出，装置制冷温度在正温环境下仍保持在负值水平，且平均温度维持在设定的目标温度1附近，基本不受环境温度的影响，自动化功能良好。因此，压缩式制冷管即使在暖季也可以有效地保护多年冻土。

此外，蒸发器制冷温度随环境温度变化呈小幅度波动现象。原因在于，制冷温度主要与制冷剂气化速率相关，而制冷剂流量由冷凝器内部的散热液化速率决定，散热过程会受到环境温度波动的影响。同时，装置制冷温度越低，对应的冷凝温度越高，即散热负荷越大。因此，在实际应用中，装置地表部件应布设在通风良好、易于散热的位置。

图6 试验期间的大气温度变化

(a) 蒸发器制冷温度；(b) 冷凝器散热温度

图8为装置在启动和正常运行时制冷温度的轴向分布特征。可以看出，在启动过程中，蒸发器顶端制冷温度最低，由上至下逐渐升高；进入正常运行状态后，制冷温度转而呈现由上至下逐渐降低的规律，顶端制冷温度最高。原因在于，在装置启动过程中，由于毛细管的喷发作用，毛细管出口处铜管内的制冷剂最先开始气化，制冷温度首先降低。装置正常运行之后，由于压缩机的抽吸作用，蒸发器铜管距离压缩机越近，制冷剂气化速率越快，即制冷温度越低。因此，在实际应用中，装置蒸发器末端应布设在冻土退化严重或制冷需求大的地层位置。

图8 压缩式制冷管的轴向温度分布特征

3.3 制冷系数

根据式(1)～(4)分析压缩式制冷装置的工作性能，首先通过蒸发器平均制冷温度和冷凝器平均散热温度确定装置的蒸发温度evap和冷凝温度cond。其次，确定制冷循环中蒸发温度和冷凝温度对应的蒸发压力evap(bar)和冷凝压力cond(bar)。再次，分别根据压缩机吸气口和冷凝器出口附近温度监测数据的累计平均值确定温度1和4，结果如表2所示。

表2 不同制冷温度条件下的特征温度统计

根据表2，首先通过式(5)~(6)，查表确定制冷剂循环过程中不同特征节点的比焓值；然后结合式(7)，计算相应的制冷系数()，结果如表3所示。可以看出，制冷系数随着制冷温度的降低而逐渐减小，即能耗比逐渐增大。因此，在满足多年冻土保护要求的前提下，设定的制冷温度越高，装置的节能性越好。在实际应用中，装置制冷温度及运行时间应根据冻土冷负荷和冷量传递规律等因素确定。

压缩机入口处比焓1的查表方式为：

压缩机出口处比焓2的查表方式为：

式中：1为状态1处的比熵。

等熵压缩过程1-2能量守恒，得到：

式中：c为压缩机比功，J/(kg∙K)。

表3 制冷循环节点比焓值及制冷系数统计表

4 结论

1) 制冷技术可以将热量在暖季由低温冻土逆向地传递至高温大气，实现对多年冻土的实时保护，具有时效性好和传热效率高的优势。压缩式制冷方法的工作温度和制冷量范围广，装置集成化和小型化技术成熟，面向多年冻土保护及路基热稳定性维护时具有良好的技术条件。

2) 根据多年冻土保护要求，压缩式制冷装置选型方案为全封闭活塞式压缩机、空气冷却式板型冷凝器、螺旋盘管式蒸发器和毛细管。路基专用压缩式制冷装置的结构型式设计为立式柱状，并采用位式控制法实现对制冷温度的自动化调节。

3) 压缩式制冷管的性能试验表明，装置在暖季的制冷温度保持在0 ℃以下，并可以自动地控制在−5，−10和−15 ℃等恒定水平。制冷温度会受到蒸发器铜管分布位置和环境温度的综合影响，实际应用时冷凝器应布设在通风良好的空旷位置，蒸发器铜管末端应布设在冻土退化严重的深度附近。装置制冷温度越高，则制冷系数越大，节能性越好。压缩式制冷管的性能稳定、季节匹配性好，可以为多年冻土保护和路基热稳定性维护提供一种新方法。

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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)

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.

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

TU43

A

1672 − 7029(2020)02 − 0492 − 08

2019−04−28

国家自然科学基金资助项目(41731281)

刘建坤(1965−)，男，山东临沂人，教授，博士，从事特殊土路基研究；E−mail：liujiank@mail.sysu.edu.cn

(编辑 阳丽霞)