劉建坤，胡田飛，郝中華

(1.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；4.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

凍土工程是凍土和大氣環(huán)境進(jìn)行熱量交換的一種介質(zhì)體，其熱量傳遞過(guò)程同時(shí)受到自然環(huán)境、人為干擾和構(gòu)筑物性質(zhì)等因素的控制，熱穩(wěn)定性差。在多年凍土區(qū)，道路工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)會(huì)破壞凍土的熱量收支平衡狀態(tài)，引起凍土層溫度升高、上限下降和路基沉降等熱害問(wèn)題[1-2]。

多年凍土與大氣環(huán)境的熱量交換主要包括：過(guò)程一，暖季的熱量輸入；過(guò)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(huán)境，必須采取人為措施來(lái)減小熱量輸入和增大熱量輸出，由此發(fā)展了形式多樣的保溫型和主動(dòng)冷卻型工程結(jié)構(gòu)，包括遮陽(yáng)板、塊石層、通風(fēng)管、熱管等[3-4]。上述措施“主動(dòng)冷卻”的優(yōu)勢(shì)為，相比保溫材料被動(dòng)地限制傳熱過(guò)程一，可以相對(duì)主動(dòng)地增大過(guò)程二的傳熱量，來(lái)平衡全年熱量收支狀態(tài)。但是，主動(dòng)冷卻措施實(shí)質(zhì)上局限于調(diào)節(jié)自然溫差驅(qū)動(dòng)的傳熱過(guò)程，主要在冷季起作用，而在凍土退化嚴(yán)重的暖季無(wú)法有效工作[5]。同時(shí)，作用效果依賴(lài)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(jié)匹配性差的缺點(diǎn)。隨著中國(guó)多年凍土區(qū)高等級(jí)道路工程的規(guī)劃和建設(shè)，有必要進(jìn)一步發(fā)展更具主動(dòng)性和有效性的凍土保護(hù)措施。

相比現(xiàn)有的主動(dòng)冷卻措施，更為有效的方法是在暖季將凍土內(nèi)部熱量逆向轉(zhuǎn)移回大氣環(huán)境，實(shí)時(shí)控制凍土溫度升高和退化。在上述附加傳熱過(guò)程中，熱量需要從低溫路基傳遞向高溫大氣，屬于制冷技術(shù)范疇[6]。因此，這一新方法的核心是將制冷技術(shù)引入路基工程，選擇合理的制冷方法和制冷循環(huán)驅(qū)動(dòng)來(lái)源，開(kāi)發(fā)路基專(zhuān)用制冷裝置。

在此基礎(chǔ)上，本文首先對(duì)比不同的制冷方法，結(jié)合多年凍土區(qū)太陽(yáng)能分布條件，提出將基于太陽(yáng)能光熱技術(shù)驅(qū)動(dòng)的吸附式制冷技術(shù)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(zhì)對(duì)。設(shè)計(jì)與制作一種路基專(zhuān)用太陽(yáng)能光熱吸附式制冷管，包括結(jié)構(gòu)形式、裝置制作技術(shù)及工質(zhì)對(duì)灌裝方法等內(nèi)容。最后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了制冷管的吸附和脫附性能。

1 太陽(yáng)能制冷技術(shù)

1.1 制冷技術(shù)

制冷指通過(guò)人為途徑搜集某一低溫對(duì)象的熱量，并將其傳遞向周?chē)邷丨h(huán)境的過(guò)程，其傳熱方向逆于自然溫差傳熱方向，需要消耗能量進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[7]。制冷方法主要有三種：①相變(蒸發(fā))制冷；②氣體膨脹制冷；③珀?duì)栙N效應(yīng)的熱電制冷。目前，相變制冷最為成熟且應(yīng)用廣泛，其中熱驅(qū)動(dòng)制冷利用熱能實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)，包括噴射式、吸附式和吸收式三種實(shí)現(xiàn)方式，可以由工業(yè)余熱和可再生熱能驅(qū)動(dòng)。

在多年凍土區(qū)，限于基礎(chǔ)設(shè)施條件，電能和高品位熱能的利用成本很高，但是太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源分布非常廣泛，因此通過(guò)新能源為路基制冷提供驅(qū)動(dòng)是一個(gè)解決方法。

1.2 多年凍土區(qū)的太陽(yáng)能分布

青藏高原是中國(guó)多年凍土的主要分布區(qū)域。由于低緯度、高海拔的地理位置，青藏高原也是中國(guó)太陽(yáng)能分布最為富集的區(qū)域，因此這一地區(qū)的凍土面臨著嚴(yán)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(shí)數(shù)為2 800～3 200 h/a，輻射總量高達(dá)2 558 kW·h/m2·a，僅次于撒哈拉沙漠，居世界第二位，屬于太陽(yáng)能利用條件良好的Ⅰ類(lèi)地區(qū)。

在新能源利用領(lǐng)域，太陽(yáng)能制冷技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)[9]。太陽(yáng)能制冷技術(shù)特點(diǎn)在于：①季節(jié)匹配性好。太陽(yáng)輻射越強(qiáng)烈，氣溫越高，制冷對(duì)象冷負(fù)荷越大。②地域匹配性好。太陽(yáng)能資源越豐富，制冷對(duì)象所需的制冷量越大。③技術(shù)匹配性好。太陽(yáng)能制冷技術(shù)具有自驅(qū)性，適用于供電不便的場(chǎng)所。但是，太陽(yáng)能存在分布分散、能流密度低、穩(wěn)定性差和晝夜間斷性等缺點(diǎn)，太陽(yáng)能制冷技術(shù)的連續(xù)性差，限制了其推廣應(yīng)用。

對(duì)于多年凍土而言，土體熱惰性大，冷負(fù)荷水平低，不需要連續(xù)的制冷量輸出。因此，面向多年凍土保護(hù)時(shí)，太陽(yáng)能制冷技術(shù)不受制冷容量和連續(xù)性缺陷的限制，具有良好的適用性。

1.3 太陽(yáng)能制冷技術(shù)的比選

太陽(yáng)能制冷技術(shù)的驅(qū)動(dòng)方式包括：①實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，再以電力供應(yīng)蒸汽壓縮制冷；②實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，再以熱能驅(qū)動(dòng)吸收式制冷或吸附式制冷[10]。太陽(yáng)能光電系統(tǒng)包含光伏板、蓄電池、逆變器等部件，太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)組成則相對(duì)簡(jiǎn)單，太陽(yáng)能光電制冷系統(tǒng)的應(yīng)用成本要高于太陽(yáng)能光熱制冷系統(tǒng)[11]。因此，太陽(yáng)能光熱制冷技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)條件更適用于路基工程。

熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)中，噴射式尚處于概念階段，吸附式和吸收式的技術(shù)相對(duì)成熟。吸附式和吸收式制冷的工作機(jī)理類(lèi)似，分別以液體介質(zhì)和固體介質(zhì)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(huán)，存在電能消耗，而且，制冷溫度一般在0 ℃以上，難以有效保護(hù)多年凍土。同時(shí)，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(yáng)能低溫集熱技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)循環(huán)[13]。此外，吸附式制冷系統(tǒng)中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，裝置組成簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高，抗震性好。因此，吸附式制冷技術(shù)在路基工程中的適用性最優(yōu)。

1.4 吸附式制冷技術(shù)

吸附式制冷系統(tǒng)包括吸附集熱器、冷凝器、蒸發(fā)器等部件，工作過(guò)程見(jiàn)圖1[14]。制冷原理為，吸附劑溫度越高，對(duì)制冷劑的吸附性能越低，由此通過(guò)吸附劑溫度的交替變化來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷劑的熱脫附和冷吸附。當(dāng)吸附劑溫度降低時(shí)，吸附劑吸收氣態(tài)制冷劑，引起液態(tài)制冷劑持續(xù)地蒸發(fā)，氣化吸熱效應(yīng)產(chǎn)生制冷效果，制冷劑與吸附劑形成混合物。當(dāng)吸附劑溫度升高時(shí)，制冷劑會(huì)脫附為高溫高壓氣體，在冷凝器中散發(fā)熱量后液化，然后流回蒸發(fā)器中儲(chǔ)存，完成一次制冷循環(huán)。

圖1 熱驅(qū)動(dòng)吸附式制冷循環(huán)

吸附式制冷的脫附過(guò)程和吸附過(guò)程需要分開(kāi)進(jìn)行，具有異步性。太陽(yáng)輻照恰恰晝夜交替出現(xiàn)，因此可以通過(guò)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)吸附式制冷過(guò)程，晝夜交替的脫附和吸附過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 太陽(yáng)能吸附式制冷過(guò)程

2 面向路基工程的吸附式制冷技術(shù)

2.1 面向多年凍土區(qū)路基工程的制冷要求

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，青藏鐵路等道路工程下覆多年凍土的上限下降深度可達(dá)5 m，升溫凍土層的深度可達(dá)10 m[15]。因此，制冷裝置應(yīng)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(dá)到數(shù)米；③制冷系統(tǒng)可以自持地獨(dú)立運(yùn)行；④裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，布設(shè)后不影響路基正常運(yùn)營(yíng)。

2.2 吸附式制冷工質(zhì)對(duì)的選擇

在吸附式制冷技術(shù)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(duì)于沸石-水和硅膠-水工質(zhì)對(duì)，水的凝固點(diǎn)為0 ℃，在0 ℃以下工況中會(huì)結(jié)冰脹裂，因此不能滿(mǎn)足凍土保護(hù)要求[17]。對(duì)于活性炭-甲醇和氯化鈣-氨工質(zhì)對(duì)，甲醇和氨的凝固點(diǎn)均低于-50 ℃，制冷溫度在0 ℃以下，滿(mǎn)足凍土工況。但是，氯化鈣-氨的工作壓力較高，且容易產(chǎn)生氯化鈣粉末，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性差[18]。活性炭-甲醇的工作壓力相對(duì)較低，而且甲醇的解吸溫度低，一般為70～150 ℃，對(duì)熱源溫度要求較低[19]。此外，活性炭對(duì)甲醇的吸附量大，在材質(zhì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面均可滿(mǎn)足制冷條件。

活性炭-甲醇工質(zhì)對(duì)的制冷效率和耐久性是制約吸附式制冷技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵因素。目前，大多數(shù)商業(yè)吸附式制冷系統(tǒng)都采用顆粒狀吸附劑填充于細(xì)管式熱交換器中的結(jié)構(gòu)形式。為改善工質(zhì)對(duì)的傳熱傳質(zhì)效果和使用壽命，主要針對(duì)活性炭吸附劑的材質(zhì)、物態(tài)(粒徑和孔隙率)進(jìn)行優(yōu)化，此外還包括新興的固化吸附劑和涂層吸附劑技術(shù)，可極大提高吸附式制冷技術(shù)的可靠性[20]。因此，活性炭-甲醇制冷工質(zhì)對(duì)適合應(yīng)用于保護(hù)多年凍土。

2.3 吸附式制冷裝置形式的選擇

在應(yīng)用方面，劉震炎等[21]提出一種自成一體的“太陽(yáng)能冷管”，在單根玻璃管內(nèi)可以交替進(jìn)行太陽(yáng)能集熱和吸附式制冷兩個(gè)過(guò)程，但制冷溫度在0 ℃以上。Zhao等[22]進(jìn)一步提出一種制冷溫度在0 ℃以下的抗凍型太陽(yáng)能冷管，但仍采用玻璃管形式。玻璃結(jié)構(gòu)存在尺寸不能過(guò)大、材質(zhì)易碎和抗振性能差等缺點(diǎn)，不適用于路基工程。

參考熱管形式，圓柱結(jié)構(gòu)的作用深度大，布設(shè)形式靈活。同時(shí)，圓柱體的工藝制造和承壓性能相對(duì)較好，因此本文采用圓柱體作為太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)應(yīng)用于路基工程的結(jié)構(gòu)形式。

3 太陽(yáng)能吸附式制冷管的設(shè)計(jì)與制作

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的太陽(yáng)能光熱吸附式制冷管結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3[23]。設(shè)計(jì)原理為，將熱驅(qū)動(dòng)吸附式制冷系統(tǒng)集于一體，分為集熱/吸附段、冷凝段、蒸發(fā)制冷段。裝置自主地搜集太陽(yáng)熱能來(lái)驅(qū)動(dòng)吸附式制冷循環(huán)，自成完整的制冷體系。其中，內(nèi)管為金屬管，用以保證裝置穩(wěn)定性和太陽(yáng)能集熱效果，兼作吸附床。外管采用玻璃管，用于保證太陽(yáng)光透過(guò)率和系統(tǒng)內(nèi)部真空環(huán)境。

1-組合密封結(jié)構(gòu)；2-集熱/吸附段；3-冷凝段；4-蒸發(fā)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(jié)；12-玻璃管；13-太陽(yáng)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(wǎng)；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(guò)吸附床晝夜溫度的周期性變換來(lái)驅(qū)動(dòng)吸附和脫附過(guò)程，實(shí)現(xiàn)間歇式制冷。制冷劑的蒸發(fā)制冷段直接與凍土換熱，冷凝段直接與大氣環(huán)境換熱，減少了中間換熱環(huán)節(jié)，運(yùn)行效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于模塊化。

3.2 部件說(shuō)明

裝置的具體部件、材料及功能如下：

(1)集熱/吸附段。用于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(zhì)[25]。本文采用的不銹鋼管直徑為32 mm，管體內(nèi)部填充圓柱體活性炭，管體外壁濺鍍太陽(yáng)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(shè)圓孔，作為甲醇蒸氣出入吸附床的通道。

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

(4)玻璃管。用于維持制冷所需的真空環(huán)境，同時(shí)制冷劑蒸氣通過(guò)玻璃管直接與外界進(jìn)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(jié)。金屬管與玻璃管的熱膨脹系數(shù)不同，兩管的變形差容易導(dǎo)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(guān)鍵，因此采用特制的玻璃-金屬封接節(jié)來(lái)緩解雙管變形差和保證裝置氣密性。封接節(jié)包括膨脹節(jié)和密封連接材料兩部分，膨脹節(jié)用于補(bǔ)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(shù)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(yīng)力。

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

(7)冷凝段。作用為利用玻璃管與大氣之間的傳熱過(guò)程促進(jìn)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(fā)制冷段。

(8)蒸發(fā)制冷段。埋設(shè)于凍土地層中，利用甲醇的蒸發(fā)吸熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土的降溫保護(hù)。

(9)法蘭、墊片及螺栓。作用為實(shí)現(xiàn)制冷管主體與密封結(jié)構(gòu)的可拆連接。

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

裝置優(yōu)點(diǎn)包括：①自成完整獨(dú)立的制冷單元，冷凝段和蒸發(fā)制冷段合于一體，無(wú)節(jié)流裝置，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高；②結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，易于組裝和進(jìn)行批量制作；③尺寸設(shè)計(jì)靈活，可以根據(jù)路基冷負(fù)荷進(jìn)行選擇性組裝；④制冷工質(zhì)對(duì)為活性炭和甲醇，對(duì)大氣環(huán)境沒(méi)有污染；⑤由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，日照強(qiáng)度與路基冷負(fù)荷一致，季節(jié)匹配性和地域匹配性較好；⑥柱狀裝置的布設(shè)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(jù)圖3所示結(jié)構(gòu)形式，加工與制作一套實(shí)體裝置，包括裝置加工和制冷工質(zhì)對(duì)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(fā)制冷段的長(zhǎng)度分別為1.5、0.5 m；②在集熱/吸附段上鉆設(shè)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(yáng)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(jié)密封，成為同軸套管；⑤通過(guò)法蘭、墊片及螺栓，在集熱/吸附段頂部安裝組合密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用盲板將蒸發(fā)制冷段的底部密封。實(shí)體裝置見(jiàn)圖4。

圖4 制作完成的太陽(yáng)能吸附式制冷管

3.3.2 制冷工質(zhì)對(duì)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(dòng)密實(shí)，安裝組合密封結(jié)構(gòu)；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(jìn)行甲醇的初始吸附；④密封制冷管。

甲醇的初始吸附方法見(jiàn)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(guān)閉閥門(mén)1，開(kāi)啟閥門(mén)2、3，啟動(dòng)真空泵，同時(shí)開(kāi)啟日光模擬裝置，直至制冷管內(nèi)水分和空氣完全排出；②關(guān)閉閥門(mén)2，開(kāi)啟閥門(mén)1、3，直至甲醇瓶?jī)?nèi)空氣完全排出；③關(guān)閉閥門(mén)3，開(kāi)啟閥門(mén)1、2，直至活性炭吸附甲醇呈飽和狀態(tài)。吸附完成后，關(guān)閉閥門(mén)1、2、3并拆除，單向閥自動(dòng)封閉，系統(tǒng)在熱源充足條件下即可完成制冷循環(huán)。

圖5 太陽(yáng)能吸附式制冷管的初始吸附方法

3.4 工作過(guò)程

太陽(yáng)能吸附式制冷管的傳熱過(guò)程見(jiàn)圖6。①吸附過(guò)程。在夜間，當(dāng)吸附床內(nèi)活性炭溫度降低至吸附溫度時(shí)，活性炭開(kāi)始吸附甲醇蒸氣，裝置內(nèi)部壓力逐漸降低。當(dāng)裝置壓力降低至液態(tài)甲醇對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓力時(shí)，液態(tài)甲醇開(kāi)始?xì)饣鼰岙a(chǎn)生制冷效應(yīng)，吸收凍土層熱量，直至活性炭吸附飽和。②脫附過(guò)程。在白天，太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化并加熱活性炭，當(dāng)溫度升高至甲醇脫附溫度時(shí)，甲醇不斷地脫附成為蒸氣。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到與系統(tǒng)溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，甲醇開(kāi)始冷凝成液態(tài)，將吸附過(guò)程中吸收的凍土熱量以凝結(jié)熱的形式釋放至大氣環(huán)境，液態(tài)甲醇回流至蒸發(fā)段儲(chǔ)存，并持續(xù)到傍晚甲醇停止脫附為止。

圖6 太陽(yáng)能吸附式制冷管的傳熱過(guò)程

上述過(guò)程即為一次制冷循環(huán)，之后當(dāng)吸附床溫度降低后重新進(jìn)行吸附過(guò)程，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)多年凍土的持續(xù)制冷。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同退化程度多年凍土所需的制冷量，調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)尺寸和制冷工質(zhì)對(duì)填充量。結(jié)合制冷影響半徑，在路基沿線(xiàn)按照一定間距進(jìn)行分布式布置，見(jiàn)圖7。此外，裝置采用機(jī)械密封方式，當(dāng)長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致制冷工質(zhì)對(duì)的工作性能劣化時(shí)，可以在現(xiàn)場(chǎng)更換活性炭和甲醇，以維持裝置的長(zhǎng)期時(shí)效性。

圖7 多年凍土區(qū)路基分布式制冷方案示意

4 吸附式制冷管的性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

鑒于裝置制冷量可通過(guò)甲醇吸附量直接計(jì)算，本文側(cè)重對(duì)制冷溫度輸出水平進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)青藏高原的自然環(huán)境條件，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為：裝置放置于恒溫控制室內(nèi)的空氣環(huán)境中，在吸附過(guò)程中，無(wú)光照條件，環(huán)境溫度設(shè)置為2 ℃；在吸附過(guò)程結(jié)束之后，繼續(xù)進(jìn)行脫附試驗(yàn)，采用高壓鈉燈模擬太陽(yáng)光源，輻射強(qiáng)度設(shè)置為600 W/m2，環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃。溫度監(jiān)測(cè)采用PT100傳感器，量程為-50～300 ℃。其中，冷凝溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于集熱/吸附段的中部，蒸發(fā)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于甲醇液面以上5 cm處。吸附式制冷管內(nèi)部活性炭質(zhì)量為1 050 g，甲醇體積為200 mL，試驗(yàn)時(shí)間根據(jù)甲醇相變穩(wěn)定程度而定。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 吸附過(guò)程和制冷溫度

吸附過(guò)程中制冷溫度的變化特征見(jiàn)圖8。由圖8可知，制冷溫度在試驗(yàn)初期迅速下降，在1.5 h時(shí)達(dá)到最低溫度-2.88 ℃，滿(mǎn)足保護(hù)多年凍土的要求。隨著試驗(yàn)時(shí)間增長(zhǎng)，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(guò)程持續(xù)時(shí)間約為12 h，平均制冷溫度約為-1.51 ℃。吸附過(guò)程中甲醇吸附量的變化特征見(jiàn)圖9。由圖9可知，試驗(yàn)開(kāi)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(guò)程的制冷溫度

圖9 吸附過(guò)程的甲醇吸附量

本文試驗(yàn)中，椰殼顆?；钚蕴颗c甲醇吸附量的質(zhì)量比例約為0.057 g/g，低于常見(jiàn)吸附比例水平[24]。原因在于，裝置吸附性能會(huì)受到活性炭本體性狀、吸附床溫度和內(nèi)部真空度等因素的影響。

4.2.2 脫附過(guò)程和冷凝溫度

脫附過(guò)程中冷凝溫度的變化特征見(jiàn)圖10。由圖10可知，冷凝溫度呈現(xiàn)先升高、后降低的規(guī)律。冷凝溫度會(huì)受到環(huán)境溫度、冷凝器與環(huán)境換熱系數(shù)、甲醇蒸氣壓力等因素的綜合影響。在試驗(yàn)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(zhuǎn)而逐漸降低。試驗(yàn)過(guò)程中，冷凝溫度與環(huán)境溫度的最大差值可達(dá)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(guò)程的冷凝溫度

脫附過(guò)程中甲醇脫附量的變化特征見(jiàn)圖11。由圖11可知，脫附試驗(yàn)開(kāi)始之后，活性炭中的甲醇開(kāi)始脫附與液化，在試驗(yàn)前期吸附床溫度低，脫附速度相對(duì)較慢。隨著吸附床溫度的升高，甲醇液化量明顯增大。脫附過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為7.5 h，甲醇脫附量約為61.5 mL，小于吸附過(guò)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(guò)程會(huì)受到吸附床溫度、環(huán)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(huì)隨著制冷循環(huán)次數(shù)的增加而劣化，這是吸附式制冷技術(shù)的固有局限性，因此制冷工質(zhì)對(duì)需要定期更換。

圖11 脫附過(guò)程的甲醇脫附量

5 結(jié)論

(1)制冷技術(shù)應(yīng)用于多年凍土區(qū)路基工程的優(yōu)勢(shì)在于，可以在暖季將傳入凍土地層的熱量實(shí)時(shí)地傳遞回大氣環(huán)境，更具主動(dòng)性和有效性。中國(guó)多年凍土區(qū)太陽(yáng)能分布豐富，太陽(yáng)能制冷技術(shù)面向路基制冷應(yīng)用時(shí)具有三方面的優(yōu)勢(shì)：①凍土退化高峰期與太陽(yáng)能制冷量一致(季節(jié)匹配性)；②太陽(yáng)能豐富地區(qū)路基所需的制冷量大(地域匹配性)；③在基礎(chǔ)設(shè)施落后的青藏高原等多年凍土區(qū)，太陽(yáng)能制冷技術(shù)更具節(jié)能性和自驅(qū)性(技術(shù)匹配性)。

(2)提出的太陽(yáng)能光熱吸附式制冷管為一個(gè)兼具太陽(yáng)能集熱和吸附式制冷的一體化制冷單元，利用太陽(yáng)輻射的晝夜交替變化驅(qū)動(dòng)活性炭對(duì)甲醇的脫附和吸附循環(huán)過(guò)程，自主實(shí)現(xiàn)間歇式制冷。裝置包括集熱/吸附段、蒸發(fā)制冷段、冷凝段等部件，制作技術(shù)包括本體加工和制冷劑灌裝兩部分。

(3)太陽(yáng)能光熱吸附式制冷管的試驗(yàn)表明，制冷溫度最低可達(dá)-2.9 ℃，平均制冷溫度-1.5 ℃，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多年凍土的實(shí)時(shí)保護(hù)?；钚蕴繉?duì)甲醇的吸附比例約為0.057 g/g。在脫附過(guò)程中，冷凝溫度與環(huán)境溫度的平均溫差約為10.3 ℃，可以實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。太陽(yáng)能吸附式制冷管具有制冷溫度低、季節(jié)匹配性好的優(yōu)勢(shì)，可以為多年凍土區(qū)路基工程提供一種新型制冷裝置。