CN107782014B - 面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置和方法。该装置主要包括：不锈钢管，玻璃管，机械密封结构，以及连接部件；不锈钢管和玻璃管内外嵌套而成真空套管结构，机械密封结构置于真空套管结构的顶部，真空套管结构埋设于冻土地基中的部分为蒸发制冷段，置于地表以上的部分又分为集热/吸附段和冷凝段，集热/吸附段和蒸发制冷段内分别填充吸附剂和制冷剂；集热/吸附段自动将太阳能转化为热能驱动吸附式制冷循环，利用昼夜太阳强度的差异实现制冷剂脱附过程和吸附过程的往复进行。本发明可以利用太阳能进行自动吸附式制冷，实现对冻土的实时和高效保护，有效防治多年冻土退化和路基工程热害。

Description

面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置和方法

技术领域

本发明涉及冻土工程技术领域，尤其涉及一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置和方法。

背景技术

中国的多年冻土主要分布在青藏高原、东北大小兴安岭北部、西部天山及阿尔泰山，约占国土面积的22.4％。在上述地区进行道路工程建设时，由于改变了原天然地表与大气之间的热量交换、季节性融化层水热输运等条件，原多年冻土的水热平衡状态被打破，使得路基下天然季节融化层的深度发生变化并引发各种不良冻土现象。当多年冻土中固态冰液化时，就会导致冻土泥化软化和流变，削弱地基的承载力和稳定性，影响道路的长期服役性能。因此，在多年冻土地区修筑公路和铁路时，首先要考虑的是路基的热稳定性，路基的热稳定性直接和路基下覆地层的温度场相关。在工程条件一定的情况下，温度是导致路基病害的关键因素，也是在保证所有防治措施有效但病害依然存在情况下唯一的可控因素。因此，对于多年冻土区路基工程，采用主动冷却措施保持和恢复线路沿线多年冻土的原始温度状态极为必要。

现有技术中，一般采用主动冷却路基的方法穿越多年冻土区，包括块/碎石气冷结构、通风管及热管等。其中，块/碎石结构、通风管基于空气对流换热原理，通过冷季的低温大气来增加地层冷储量。热管基于气液两相循环换热原理，是目前冷却效率最高的措施，对冻土的降温效果明显。

上述措施的局限性在于，块/碎石结构、通风管主要通过几何参数来调节传热效果，优化相对困难。即使是冷却效率最高的热管也仍然属于被动式传热元件，依靠地气温度差驱动相变换热循环。由于热流方向的可逆性，热管对冻土的保护只能在冷季通过预储或补给冷量来实现，进入暖季后必须停止工作，季节匹配性差。随着全球变暖对多年冻土区气候环境的影响，现有的路基冷却措施已不能完全满足多年冻土区路基热稳定性防护的需求。因此，目前有必要研发新型的面向多年冻土区路基的主动制冷装置，以改善多年冻土区路基热稳定性保护措施冷却效率低和季节匹配性差的现状。

相比现有多年冻土区路基冷却措施通过冬季蓄冷以抵消夏季热侵蚀的间接被动式传热工作机理，实现多年冻土保护最为直接的措施是增加一个在暖季的热量输出过程，即从冻土层中吸取热量，并将其转移至大气环境中。在这一附加过程中，热量需要从低温介质(路基)传递向高温介质(大气)，属于制冷范畴。在制冷技术领域中，制冷剂和制冷剂循环是制冷装置的关键。对于长距离路基工程长期制冷的需求，装置研发方向应该定为：小型的带有制冷剂循环***的独立式制冷装置。该类制冷装置要求：①可独立运行，制冷剂循环过程无需耗电或用电功率较小；②布设方式灵活，形体最好为立柱状，便于在地基中装设；③体积小，占用地基空间有限，避免影响到地基承载力和其他性能；④运动部件少，运行稳定可靠，使用寿命长；⑤制冷剂可在0℃以下运行，有效冻结地下水。

目前，蒸汽机械压缩制冷是最为成熟的制冷技术，以高品位电能驱动制冷循环，技术成熟，设备紧凑，可以制成大、中、小型，以适应不同场合的需要，制冷温度范围宽广，在普通制冷温度范围内具有较高的循环效率，在建筑环境调节和工业应用领域应用最为广泛。但是，由于线路工程距离长，沿线基础设施相对落后，尤其是电力供给困难，无法像建筑环境调节、工业应用、以及矿井、隧洞及地铁等工程的人工冻结施工法那样在有限面积场地内采用并网电力供应的压缩式制冷方式。

幸运地是，除了蒸汽压缩制冷技术之外，还有一类发展较为成熟的制冷技术，即热驱动制冷技术。热驱动制冷是以热能为驱动力的制冷循环过程，循环方式包括蒸汽喷射式、液体吸收式及固体吸附式，可以直接利用太阳能、地热及废热等低品位热能作为驱动来源。其中，太阳能是最具优势的可再生能源。我国多年冻土主要分布在东北、西部高山和青藏高原，上述地区太阳能资源丰富。尤其青藏高原大气清洁而稀薄，年日照时数为2800～3200h/a，太阳辐射强度最高达2558kWh/m².a，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，太阳能利用条件优越。同时，对于多年冻土地基，夏季时迫切的制冷需求恰好与强烈的太阳辐射相匹配，随着太阳辐射能量的增加，以太阳能光热源驱动的热驱动制冷***可以产生更多的冷量。

因此，针对多年冻土区路基工程下覆冻土地基的热稳定性维护需求，基于太阳能光热驱动的制冷技术应用前景广阔。

发明内容

本发明的实施例提供了一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置和方法，以制造0℃以下的低温且不需要耗电，实现对多年冻土区路基工程热学稳定性的维护。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明的一方面提供了一种面向多年区冻土路基工程的太阳能吸附式制冷装置，其特征在于，该装置主要包括：不锈钢管、玻璃管、玻璃-金属封接节、弹簧支架以及机械密封结构，所述不锈钢管和所述玻璃管内外嵌套而成真空套管结构，所述不锈钢管和所述玻璃管由所述玻璃-金属封接节进行密封套接；所述玻璃管和所述不锈钢管之间安装所述弹簧支架进行位置固定，所述不锈钢管固定在装置的中心轴线上，所述机械密封结构置于所述真空套管结构的顶部；

所述真空套管结构埋设于冻土地基中的部分为蒸发制冷段，置于地表以上的部分分为集热/吸附段和冷凝段，所述集热/吸附段和所述蒸发制冷段内分别填充吸附剂和制冷剂，所述集热/吸附段自动将太阳能转化为热能驱动吸附式制冷循环，利用昼夜太阳强度的差异实现所述制冷剂脱附过程和吸附过程的往复进行。

优选地，所述装置还包括：太阳能选择性吸收涂层、制冷剂蒸气通道、不锈钢丝网、填充物以及连接部件；

所述装置的连接部件包括：螺纹法兰、螺栓、法兰垫片和法兰盲板。

优选地，所述装置还包括：

所述蒸发制冷段的底端、所述集热/吸附段的顶端和所述机械密封结构的底端分别焊接所述螺纹法兰；

所述蒸发制冷段底端的所述螺纹法兰通过所述螺栓和所述法兰垫片与所述法兰盲板进行连接；

所述机械密封结构底端的所述螺纹法兰通过所述法兰垫片和所述螺栓与所述集热/吸附段顶端的所述螺纹法兰进行连接。

优选地，所述集热/吸附段为所述真空套管结构置于地表以上部分的不锈钢管及其内部，所述集热/吸附段兼具集热和吸附功能；

所述不锈钢管的管壁上钻设圆孔型的所述制冷剂蒸气通道；

所述不锈钢管的外管壁上溅射一层所述太阳能选择性吸收涂层，所述太阳能选择性吸收涂层在日照条件良好的白天进行太阳能的光热转化后，直接加热所述不锈钢管内部所述吸附床上的所述吸附剂；

所述不锈钢管的内部在地表以上的部分为吸附床，所述吸附床内填充所述吸附剂，并利用所述不锈钢丝网对所述吸附剂进行密封，用于防止所述吸附剂的泄漏。

优选地，所述冷凝段为所述真空套管结构置于地表以上部分的所述不锈钢管和所述玻璃管之间的夹层空间；

所述玻璃-金属封接节，用于缓解所述不锈钢管和所述玻璃管因温度不同而存在的纵向膨胀变形差；

所述玻璃管和所述不锈钢管之间安装弹簧支架，用于固定不锈钢管和玻璃管的相对位置，将所述不锈钢管固定在中心轴线上，用于防止所述不锈钢管外壁的高温太阳能选择性吸收涂层触碰到所述玻璃管而损坏。

优选地，所述机械密封结构包括：螺纹法兰、不锈钢管接头、泄压阀和单向阀；在所述不锈钢管接头的一侧焊接所述螺纹法兰，另一侧连接所述泄压阀，所述不锈钢管接头的中部焊接所述单向阀，构成所述机械密封结构；

所述单向阀仅可单向开启，不会因反向压力作用而开启，用于***的抽真空、制冷剂灌装和封结；

所述泄压阀将装置内的压力控制在安全的量值范围内，用于防止脱附时的甲醇蒸气压力过高损坏所述玻璃管。

优选地，所述吸附剂和制冷剂作为本装置的吸附式制冷工质对，所述吸附剂采用活性炭，所述制冷剂采用甲醇；

所述甲醇属于低饱和蒸汽压制冷剂，在所述活性炭对所述甲醇进行初始吸附之前，在真空套管结构内设定较高的真空度，所述甲醇的制冷温度达到0℃以下，用于对多年冻土进行保护；

所述活性炭为直径3～6mm的柱状颗粒，所述活性炭的颗粒间隙为所述甲醇蒸气的运移通道，在所述吸附床低温环境下，利用真空套管结构内的真空度，使所述活性炭通过所述单向阀吸附气态的所述甲醇，直至达到吸附平衡状态；所述活性炭在白天升温后对所述甲醇的吸附能力减弱，脱附出气态的所述甲醇，所述气态甲醇通过所述冷凝段的所述玻璃管释放热量后液化为液态甲醇，所述液态甲醇在自重作用下流至所述蒸发制冷段进行储存；所述活性炭在夜间降温后对所述气态甲醇的吸附能力增强，所述蒸发制冷段的液态甲醇不断吸收热量后气化，并吸附至所述活性炭，产生制冷效应，由此完成一个制冷循环。

优选地，所述玻璃管采用单层高硼硅3.3玻璃管体，所述玻璃管的太阳光透过率≥95.5％，真空度≤10-3mbar，所述玻璃管用于提高所述集热/吸附段的光热转化效率和防止所述太阳能选择性吸收涂层的氧化；

所述玻璃管作为所述冷凝段的外壁，在脱附阶段，所述气态甲醇直接通过所述玻璃管与外界大气进行热交换后冷凝液化为所述液态甲醇。

本发明的另一方面提供了一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷方法，应用于权利要求1-8任意一项所述的装置，其特征在于，包括：

步骤1：在所述吸附床低温环境下，利用所述真空套管结构内的真空度，使所述吸附剂通过所述单向阀吸附气态的所述制冷剂，直至达到吸附平衡状态；

步骤2：在白天升温后，所述太阳能选择性吸收涂层采集太阳能进行光热转化得到热能，利用热能加热所述吸附床，所述吸附剂脱附出气态的所述制冷剂，所述气态制冷剂通过所述冷凝段的所述玻璃管释放热量后液化，所述的液态制冷剂在自重作用下流至所述蒸发制冷段进行储存；

步骤3：在夜间降温后，所述吸附剂对所述制冷剂的吸附能力增强，所述蒸发制冷段的液态制冷剂不断吸收热量后气化，并吸附至所述吸附剂，产生制冷效应；

循环上述步骤2、3，实现太阳能光热驱动的吸附式制冷循环过程，对多年冻土进行主动的制冷。

优选地，所述方法还包括：

应用所述面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置，将所述装置通过非开挖式机械成孔后布设于存在多年冻土热害的路基工程，安装应用步骤包括：

(a)确定路基下覆多年冻土层的退化深度范围；

(b)测定多年冻土地层的热物性参数和目标温度范围，计算夏季冷负荷；

(c)设计钻孔深度、直径和开孔间距等参数；

(d)钻孔施工，并安装吸附式制冷管；

(e)装置调试和启动运行。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例整体采用不锈钢管和玻璃管的内、外嵌套双管结构，结合太阳能真空集热技术、固体吸附式制冷技术、传热传质强化技术，自主提供光热热源，驱动并完成制冷的脱附过程，装置整体不需要外部供电，自成一个独立的制冷单元；采用醇类制冷剂，可在0℃以下运行，通过制冷剂的蒸发而制冷，冻结蒸发制冷段周围一定范围内多年冻土地层中的未冻水，防治多年冻土融化沉陷以及抑制冻土的分凝冻胀。本发明没有电能和机械能的消耗，运行稳定可靠；装置结构紧凑，体积小，集成一体化装设方便，不需要配套供电线路，可用于防治多年冻土区长距离线路工程下覆地基的多年冻土退化和热融病害。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置的结构示意图；

图2为图1的截面A-A示意图；

图3为图1的截面B-B示意图；

图4为图1的截面C-C示意图；

图5为本发明实施例提供的一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置的机械密封结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置的剖面示意图；

图7为本发明实施例提供的一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷方法的步骤流程图；

其中，1-机械密封结构，2-集热/吸附段，3-冷凝段，4-蒸发制冷段，5-泄压阀，6-不锈钢管接头，7-单向阀，8-螺纹法兰，9-螺栓，10-法兰垫片，11-玻璃-金属封接节，12-玻璃管，13-太阳能选择性吸收涂层，14-弹簧支架，15-制冷剂蒸气通道，16-甲醇，17-法兰盲板，18-螺栓孔道，19-不锈钢丝网，20-不锈钢管，21-吸附床，22-活性炭，23-填充物。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例提供了一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置和方法，通过设计一种不锈钢管和玻璃管内外嵌套的真空套管结构，收集太阳热能驱动制冷剂进行循环，并以活性炭-甲醇为制冷工质对进行吸附式制冷，实现对多年冻土区路基工程热学稳定性的维护。

1、本发明实施例的一方面提供了一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置。

一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置的结构示意图如图1-6所示，该装置主要包括：不锈钢管20，玻璃管12，机械密封结构1，玻璃-金属封接节11，弹簧支架14，以及螺纹法兰8和螺栓9等连接部件；其中，不锈钢管20和玻璃管12内外嵌套封接而成真空套管结构，真空套管结构埋设于冻土地基中向上延伸至地表上，真空套管结构埋设于冻土地基中的部分为蒸发制冷段4，真空套管结构置于地表以上的部分又分为集热/吸附段2和冷凝段3。

该装置各组成部分的具体结构和工作原理如下：

(1)集热/吸附段

集热/吸附段为真空套管结构置于地表以上部分的不锈钢管及其内部。

不锈钢管的管壁上按照一定的间距钻设圆孔型的制冷剂蒸气通道15，不锈钢管的外管壁上采用磁控溅镀法，溅射一层太阳能选择性吸收涂层13；不锈钢管的内部在地表以上的部分作为吸附式制冷循环的吸附床21，所述吸附床13内填充活性炭22，并用不锈钢丝网19密封以防止活性炭22的泄漏。在集热/吸附段的顶端焊接螺纹法兰8进行固定，集热/吸附段顶端的螺纹法兰8通过螺栓9和法兰垫片10，与机械密封结构进行密封对接。

集热/吸附段兼具太阳能集热和制冷剂吸附、脱附功能，吸附床由圆柱体活性炭填充不锈钢管而成，吸附、脱附性能优良，不锈钢管外壁溅镀太阳能选择性吸收涂层，用于吸收太阳辐射并进行光热转化，集热/吸附段管壁附设的圆孔型制冷剂蒸气通道15，具有良好的传热传质性能。

活性炭22为直径3～6mm的柱状颗粒，活性炭22的颗粒间隙为甲醇16蒸气的运移通道。

(2)冷凝段

冷凝段为真空套管结构置于地表以上部分的不锈钢管和玻璃管之间的夹层空间。

不锈钢管和玻璃管由玻璃-金属封接节11进行密封套接，不锈钢管和玻璃管的热膨胀系数不同，采用玻璃-金属封接节11能够缓解不锈钢管和玻璃管因温度不同而存在的纵向膨胀变形差。在玻璃管和不锈钢管之间安装弹簧支架14，用于固定不锈钢管和玻璃管的相对位置，将不锈钢管固定在中心轴线上，防止不锈钢管外壁的高温太阳能选择性吸收涂层13触碰到玻璃管而损坏。

玻璃管是冷凝段的外壁，玻璃管采用单层高硼硅3.3玻璃管体，玻璃管的太阳光透过率≥95.5％(AR)，且能保持较高的真空度(真空度≤10^-3mbar)，在脱附阶段，气态甲醇16可直接通过玻璃管与外界大气进行热交换后冷凝液化，且玻璃管有利于提高集热/吸附段的光热转化效率和防止太阳能选择性吸收涂层13的氧化。

(3)蒸发制冷段

蒸发制冷段为真空套管结埋设于多年冻土地基中的部分，在蒸发制冷段的不锈钢管内部填充柱状用填充物23填充。

在蒸发制冷段的末端和不锈钢管的末端分别焊接螺纹法兰8，不锈钢管与螺纹法兰8的中心在一条直线上；通过螺栓9和法兰垫片10，将法兰盲板17与蒸发制冷段末端的螺纹法兰8进行密封对接。

该装置以活性炭-甲醇为制冷工质对，其中活性炭为吸附剂，甲醇为制冷剂，甲醇制冷温度可以达到0℃以下，所述甲醇属于低饱和蒸汽压制冷剂，保持***内的真空度是制冷性能的关键。蒸发制冷段作为制冷剂甲醇的储液段，利用制冷剂的蒸发吸热效应实现对冻土的制冷。

(4)机械密封结构

机械密封结构包括：螺纹法兰8、不锈钢管接头6、泄压阀5和单向阀7；在不锈钢管接头6的一侧焊接螺纹法兰8，另一侧连接泄压阀5，不锈钢管接头的中部焊接单向阀7，即构成机械密封结构。机械密封结构通过螺栓9和法兰垫片10，与集热/吸附段2顶端的螺纹法兰8进行密封对接。

机械密封结构中的单向阀7仅可单向开启，不会因反向压力作用而开启，保证制冷管内部空间的真空度和密闭性，用于***的抽真空、制冷剂灌装和封结。

机械密封结构中的泄压阀5可以将***内的压力控制在允许的压力范围内，防止脱附时的甲醇蒸气压力过高损坏玻璃管。

本领域技术人员应能理解上述不锈钢管和玻璃管内外嵌套封接而成真空套管结构的形状仅为举例，其他现有的或今后可能出现的真空套管结构的形状如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

上述装置的组成部分构成了两个工作***：太阳能光热收集***和吸附式制冷***。太阳能光热收集***由玻璃管和不锈钢管组成，不锈钢管外壁涂以太阳能选择性涂层，用于吸收太阳辐射，吸收率≥95％。在白天，转化后的太阳热能可以直接通过不锈钢管加热不锈钢管内吸附床上的活性炭，减少热损，有利于提高制冷***对太阳能的利用率。吸附式制冷***由集热/吸附段、蒸发制冷段和活性炭-甲醇工质对组成。吸附式制冷原理为：活性炭对甲醇的吸附能力随温度、压力的不同而变化，温度越高，活性炭对甲醇的吸附能力越弱，由此通过吸附床昼夜温度的周期性变换来实现甲醇热脱附和冷吸附的间歇式气液两相循环制冷过程。

根据上述装置各组成部分的具体内容和连接关系，制作该装置的步骤包括：装置加工和灌装活性炭-甲醇工质对两部分。

装置加工步骤包括：

(a)在已确定设计长度的不锈钢管上，按照一定的间距钻设圆孔型的制冷剂蒸气通道。

(b)采用磁控溅镀法，在地表以上的不锈钢管外管壁上溅射太阳能选择性吸收涂层。

(c)在玻璃管和不锈钢管之间安装弹簧支架，同时采用玻璃-金属封接节，将玻璃管和不锈钢管进行密封套接。

(d)在蒸发制冷段末端和不锈钢管末端分别焊接螺纹法兰，不锈钢管与螺纹法兰的中心保证在一条直线上。

(e)通过螺栓和法兰垫片，将法兰盲板与蒸发制冷段末端的螺纹法兰进行密封对接。

(f)在不锈钢管接头的一侧焊接螺纹法兰，不锈钢管接头的另一侧连接泄压阀，不锈钢管接头的中部焊接单向阀，构成机械密封结构。

灌装活性炭-甲醇工质对的步骤包括：

(a)柱状活性炭的填充，在不锈钢管内部地表以下的部分用填充物进行填充，不锈钢管内部地表以上的部分为吸附床，在吸附床内填满活性炭后用不锈钢丝网进行封装，防止灌入的活性炭洒落。

(b)通过螺栓和法兰垫片，将机械密封结构与集热/吸附段顶端的螺纹法兰进行密封对接；

(c)对真空套管结构内部进行排空，在高温环境下，通过单向阀，将真空套管结构的内部抽成真空状态，真空度应达到≤10^-3Pa；

(d)甲醇的吸附，在低温环境下，通过单向阀，利用集热/吸附段的真空度使活性炭吸附甲醇产生的蒸气；

(e)待活性炭-甲醇工质对达到平衡吸附状态后，通过单向阀完成真空套管结构的密封。

其中：玻璃管在脱附过程中采用风冷降温方式。

2、本发明实施例的另一方面提供了一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷方法，该方法的步骤如图7所示，具体如下：

步骤S710：在吸附床低温环境下，利用真空套管结构内的真空度，使吸附剂通过单向阀吸附气态的制冷剂，直至达到吸附平衡状态。

步骤S720：在白天升温后，太阳能选择性吸收涂层采集太阳能进行光热转化得到热能，利用热能加热吸附床，吸附剂脱附出气态的制冷剂，气态制冷剂通过冷凝段释放热量后液化，液态制冷剂在自重作用下流至蒸发制冷段进行储存。

在白天，太阳能选择性吸收涂层采集太阳能进行光热转化得到热能。

从早上太阳升起开始，不锈钢管表面的太阳能选择性吸收涂层吸收太阳辐射，并通过光热转化将太阳能转化为热能。

太阳能选择性吸收涂层转化得到的热能，利用该热能加热吸附床，吸附床中的活性炭温度上升，当活性炭温度升高至甲醇的脱附温度时，甲醇从活性炭中脱附为甲醇蒸气。真空套管结构内的甲醇压力逐渐上升，达到与冷凝温度对应的饱和压力时，甲醇在玻璃管内壁放出凝结热并冷凝成液态，在重力作用下存储于蒸发制冷段。当甲醇蒸气压力过高而可能损坏玻璃管时，将泄压阀开启进行泄压，以将真空套管结构内的压力控制在安全范围内。在白天，甲醇从活性炭中脱附为甲醇蒸气这一过程一直持续到傍晚太阳辐射不能提供甲醇脱附所需热量为止。

步骤S730：在夜间降温后，吸附剂对制冷剂的吸附能力增强，蒸发制冷段的液态制冷剂不断吸收热量后气化，并吸附至吸附剂，产生制冷效应。

从晚上太阳光消失后，吸附床温度开始降低，当活性炭温度降低至吸附温度时，活性炭开始吸附甲醇蒸气。

真空套管结构内甲醇压力逐渐降低，达到蒸发制冷段内液态甲醇对应的饱和蒸气压力时，液态甲醇开始气化并吸收气化潜热，以补充被吸附的甲醇蒸气。

在晚上，活性炭不断吸附甲醇蒸气使得甲醇蒸气压力始终低于蒸发段对应的饱和蒸气压力，由此甲醇持续气化，吸收蒸发制冷段周围冻土层的热量，直到活性炭吸附饱和为止。

步骤S740：循环步骤S720-S730，实现太阳能光热驱动的吸附式制冷循环过程，对多年冻土进行主动的制冷。

将该装置应用于多年冻土区路基工程，是通过非开挖式机械成孔后将该装置布设于存在多年冻土热害的路基工程，具体应用步骤为：

(a)确定多年冻土区路基下覆多年冻土层的退化深度范围；

(b)测定多年冻土地层的热物性参数和目标温度范围，计算夏季冷负荷；

(c)设计非开挖式机械成孔的钻孔深度、直径和开孔间距等参数；

(d)进行非开挖式机械成孔的钻孔施工，并安装上述太阳能吸附式制冷管；

(e)对装置进行调试和启动运行。

实施例二

该实施例提供了一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置，其具体实现结构如图1-6所示，具体如下：

该装置主要包括埋设于多年冻土地基中的蒸发制冷段4，以及置于地表以上的机械密封结构1、集热/吸附段2、冷凝段3组成。集热/吸附段2由不锈钢管20、制冷剂蒸气通道15、太阳能选择性吸收涂层13组成。冷凝段3由玻璃管12和不锈钢管20通过玻璃-金属封接节11套接而成。机械密封结构1由泄压阀5和单向阀7组成。

所述太阳能吸附式制冷管的制作包括装置加工和灌装活性炭-甲醇工质对两部分。其中，装置加工步骤包括：

(a)在设计长度的不锈钢管20上按照一定间距钻设圆孔型的甲醇制冷剂蒸气通道15；

(b)采用磁控溅镀法，在地表以上的不锈钢管20外表溅射太阳能选择性吸收涂层13；

(c)在玻璃管12和不锈钢管20之间安装弹簧支架14，同时采用玻璃-金属封接节11，将玻璃管12和不锈钢管20进行密封套接；

(d)在蒸发制冷段1末端和不锈钢管20末端分别焊接螺纹法兰8，不锈钢管20与螺纹法兰8的中心应该在一条直线上；

(e)通过螺栓9和法兰垫片10，将法兰盲板17与蒸发制冷段1末端的螺纹法兰8进行密封对接；

(f)在不锈钢管接头6一侧焊接螺纹法兰8，一侧连接泄压阀5，中部焊接单向阀7，即为机械密封结构1。

灌装活性炭-甲醇工质对的步骤包括：

(a)柱状活性炭22的填充，不锈钢管20内部地表以下用填充物23填充，不锈钢管20内部地表以上部分为吸附床21，吸附床21填满活性炭22后用不锈钢丝网19进行封装，防止灌入的活性炭22洒落；

(b)通过螺栓9和法兰垫片10，将机械密封结构1与集热/吸附段2末端的螺纹法兰8进行密封对接；

(c)吸附式制冷管的排空，在高温环境下，通过单向阀7，将吸附式制冷管内部抽真空，真空度应达到≤10^-3Pa；

(d)甲醇16的吸附，在低温环境下，通过单向阀7，利用制冷管真空度使活性炭22吸附甲醇16产生的蒸气；

(e)待活性炭-甲醇工质对达到平衡吸附状态后，通过单向阀7完成制冷管密封。

其中：玻璃管12在脱附过程中采用风冷降温方式。

所述太阳能吸附式制冷管的工作原理为：

吸附剂活性炭22对制冷剂甲醇16的吸附能力随着温度、压力的不同而变化敏感，温度越高时，活性炭22的吸附能力越弱，因此利用昼夜温差变换周期性地吸附和解附过程实现间歇式制冷。

在白天，太阳辐射充足时，集热/吸附段2的温度升高，使活性炭22吸附的制冷剂甲醇16脱附气化。不锈钢管20内的压力上升，脱附出来的甲醇16蒸气进入冷凝段3，达到冷凝温度对应的饱和压力时，甲醇16蒸气通过玻璃管12向空气中释放热量，并凝结为液态。液态甲醇16在自重作用下流回蒸发制冷段4，这一过程一直持续到傍晚，即为脱附过程。在夜晚，或太阳辐射不足时，环境温度降低，集热/吸附段2自然冷却后温度下降，活性炭22开始吸附甲醇16蒸气，制冷管内部压力降低，液态甲醇16继续气化，并吸收冻土地层热量产生制冷效应，这一过程一直持续到第二天早上，即为吸附过程。由此通过昼夜的循环往复，完成制冷循环，产生持续的制冷效应。

所述太阳能吸附式制冷管通过非开挖式机械成孔后布设于存在多年冻土热害的路基工程，应用步骤包括：

(a)确定路基下覆多年冻土层的退化深度范围；

(b)测定多年冻土地层的热物性参数和目标温度范围，计算夏季冷负荷；

(c)设计钻孔深度、直径和开孔间距等参数；

(d)钻孔施工，并安装吸附式制冷管；

(e)装置调试和启动运行。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明采用低品位的太阳热能驱动制冷剂循环，季节匹配性好。太阳辐射越强烈，光热集热量越大，装置的制冷效率越高。同时，多年冻土热害越严重，即路基迫切的制冷需求恰好与太阳能制冷所需的太阳辐射相匹配，日照高峰期与路基制冷负荷一致。

(2)本发明整体为不锈钢管和玻璃管的内、外嵌套双管结构，结合太阳能真空集热技术、固体吸附式制冷技术、传热传质强化技术，自主提供光热热源，驱动并完成制冷的脱附过程。在脱附阶段，冷凝形成的液态制冷剂依靠自重作用返回蒸发制冷段内，不需要设置循环泵即可完成制冷剂循环，装置整体不需要外部供电，自成一个独立的制冷单元。

(3)本发明布局新颖，不锈钢管兼具集热和吸附床的功能，不锈钢集热管的集热温度高，结构强度大，适合于路基震动环境。金属集热管与玻璃管内外嵌套，制造出封闭真空环境。玻璃管也有利于增加太阳光的透过率，同时与空气接触面积大，冷凝换热效率高。

(4)本发明采用醇类制冷剂，即甲醇，可在0℃以下运行。利用制冷剂随着压力和温度变化而产生变化的物理性质，通过制冷剂的蒸发而制冷，冻结蒸发制冷段周围一定范围内多年冻土地层中的未冻水。一方面，防治多年冻土融化沉陷，增加地层力学强度；另一方面，通过连续负温冻结减小水分向冻结区迁移的驱动力，从而抑制冻土的分凝冻胀。

(5)本发明没有机械运动部件，因而没有电能和机械能的消耗，使得运行更为稳定可靠。装置结构紧凑，体积小，占地面积小，集成一体化装设方便，不需要配套供电线路，可无人值守，可用于防治多年冻土区长距离线路工程下覆地基的多年冻土退化和热融病害。

综上所述，本发明实施例通过采用不锈钢管和玻璃管内外嵌套的真空双管结构，在集热/吸附段自动采集太阳能并转化为热能驱动吸附式制冷循环，利用昼夜太阳辐射强度的差异实现甲醇制冷剂脱附过程和吸附过程的往复进行；通过机械密封结构的单向阀控制***的开启和密封，泄压阀控制***的工作压力；采用活性炭和甲醇作为制冷工质对，制冷温度可以达到0℃以下；在夏季，太阳辐射强度越大，装置的工作效率越高，与多年冻土区路基冷负荷一致，季节匹配性好。本发明可充分利用我国多年冻土区丰富的太阳能资源，结合太阳能光热技术和热驱动吸附式制冷技术，自成独立的制冷单元；装置结构紧凑，体积小，集成一体化装设方便，不需要配套供电线路，可无人值守，能够充分满足多年冻土区路基工程下覆冻土地基的热稳定性维护的需求，防治多年冻土区长距离线路工程下覆地基的多年冻土退化和热融病害。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置，其特征在于，该装置主要包括：不锈钢管、玻璃管、玻璃-金属封接节、弹簧支架以及机械密封结构，所述不锈钢管和所述玻璃管内外嵌套而成真空套管结构，所述不锈钢管和所述玻璃管由所述玻璃-金属封接节进行密封套接；所述玻璃管和所述不锈钢管之间安装所述弹簧支架进行位置固定，所述不锈钢管固定在装置的中心轴线上，所述机械密封结构置于所述真空套管结构的顶部；

所述真空套管结构埋设于冻土地基中的部分为蒸发制冷段，置于地表以上的部分分为集热/吸附段和冷凝段，所述集热/吸附段和所述蒸发制冷段内分别填充吸附剂和制冷剂，所述集热/吸附段自动将太阳能转化为热能驱动吸附式制冷循环，利用昼夜太阳强度的差异实现所述制冷剂脱附过程和吸附过程的往复进行；

所述装置还包括：

所述蒸发制冷段的底端、所述集热/吸附段的顶端和机械密封结构的底端分别焊接螺纹法兰；

所述蒸发制冷段底端的螺纹法兰通过螺栓和法兰垫片与法兰盲板进行连接；

所述机械密封结构底端的所述螺纹法兰通过所述法兰垫片和所述螺栓与所述集热/吸附段顶端的所述螺纹法兰进行连接；

所述集热/吸附段为所述真空套管结构置于地表以上部分的不锈钢管及其内部，所述集热/吸附段兼具集热和吸附功能；

不锈钢管的管壁上按照一定的间距钻设圆孔型的制冷剂蒸气通道；

所述不锈钢管的外管壁上溅射一层太阳能选择性吸收涂层，所述太阳能选择性吸收涂层在日照条件良好的白天进行太阳能的光热转化后，直接加热所述不锈钢管内部吸附床上的所述吸附剂；

所述不锈钢管的内部在地表以上的部分为吸附床，所述吸附床内填充所述吸附剂，并利用不锈钢丝网对所述吸附剂进行密封，用于防止所述吸附剂的泄漏；

所述冷凝段为所述真空套管结构置于地表以上部分的所述不锈钢管和所述玻璃管之间的夹层空间；

所述玻璃-金属封接节，用于缓解所述不锈钢管和所述玻璃管因温度不同而存在的纵向膨胀变形差；

所述玻璃管和所述不锈钢管之间安装弹簧支架，用于固定不锈钢管和玻璃管的相对位置，将所述不锈钢管固定在中心轴线上，用于防止所述不锈钢管外壁的高温太阳能选择性吸收涂层触碰到所述玻璃管而损坏；

所述机械密封结构包括：螺纹法兰、不锈钢管接头、泄压阀和单向阀；在所述不锈钢管接头的一侧焊接所述螺纹法兰，另一侧连接所述泄压阀，所述不锈钢管接头的中部焊接所述单向阀，构成所述机械密封结构；

所述单向阀仅可单向开启，不会因反向压力作用而开启，用于***的抽真空、制冷剂灌装和封结；

所述泄压阀将装置内的压力控制在安全的量值范围内，用于防止脱附时的甲醇蒸气压力过高损坏所述玻璃管；

所述吸附剂和制冷剂作为本装置的吸附式制冷工质对，所述吸附剂采用活性炭，所述制冷剂采用甲醇；

所述甲醇属于低饱和蒸汽压制冷剂，在所述活性炭对所述甲醇进行初始吸附之前，在真空套管结构内设定较高的真空度，所述甲醇的蒸发制冷温度达到0℃以下，用于对多年冻土进行保护；

所述活性炭为直径3~6mm的柱状颗粒，所述活性炭的颗粒间隙为所述甲醇蒸气的运移通道，在所述吸附床低温环境下，利用真空套管结构内的真空度，所述活性炭通过所述单向阀吸附气态的所述甲醇，直至达到吸附平衡状态；所述活性炭在白天升温后对所述甲醇的吸附能力减弱，脱附出气态的所述甲醇，所述气态的所述甲醇通过所述冷凝段的所述玻璃管释放热量后液化为液态甲醇，所述液态甲醇在自重作用下流至所述蒸发制冷段进行储存；所述活性炭在夜间降温后对所述气态甲醇的吸附能力增强，所述蒸发制冷段的所述液态甲醇不断吸收热量后气化，并吸附至所述活性炭，产生制冷效应，由此在所述活性炭和所述甲醇组成的吸附式制冷工质对之间完成一个制冷循环；

所述玻璃管采用单层高硼硅3.3玻璃管体，所述玻璃管的太阳光透过率≥95.5%，真空度≤10^-3mbar，所述玻璃管用于提高所述集热/吸附段的光热转化效率和防止所述太阳能选择性吸收涂层的氧化；

所述玻璃管作为所述冷凝段的外壁，在脱附阶段，所述气态甲醇直接通过所述玻璃管与外界大气进行热交换后冷凝液化为所述液态甲醇。

2.根据权利要求1所述的面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置，其特征在于，所述装置还包括：太阳能选择性吸收涂层、制冷剂蒸气通道、不锈钢丝网、填充物以及连接部件；

所述装置的连接部件包括：螺纹法兰、螺栓、法兰垫片和法兰盲板。

3.一种面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷方法，应用于权利要求1或2所述的装置，其特征在于，包括：

步骤1：在所述吸附床低温环境下，利用所述真空套管结构内的真空度，使所述吸附剂通过所述单向阀吸附气态的所述制冷剂，直至达到吸附平衡状态；

步骤2：在白天升温后，所述太阳能选择性吸收涂层采集太阳能进行光热转化得到热能，利用热能加热所述吸附床，所述吸附剂脱附出气态的所述制冷剂，所述气态制冷剂通过所述冷凝段的所述玻璃管释放热量后液化，液态制冷剂在自重作用下流至所述蒸发制冷段进行储存；

步骤3：在夜间降温后，所述吸附剂对所述制冷剂的吸附能力增强，所述蒸发制冷段的液态制冷剂不断吸收热量后气化，并吸附至所述吸附剂，产生制冷效应；

循环上述步骤2、3，实现太阳能光热驱动的吸附式制冷循环过程，对多年冻土进行主动的制冷。

4.根据权利要求3所述的面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷方法，其特征在于，所述方法还包括：

应用所述面向多年冻土区路基工程的太阳能吸附式制冷装置，将所述装置通过非开挖式机械成孔后布设于存在多年冻土热害的路基工程，安装应用步骤包括：

（a）确定路基下覆多年冻土层的退化深度范围；

（b）测定多年冻土地层的热物性参数和目标温度范围，计算夏季冷负荷；

（c）设计钻孔深度、直径和开孔间距参数；

（d）钻孔施工，并安装吸附式制冷管；

（e）装置调试和启动运行。