申请/专利权人：中国科学院西北生态环境资源研究院

申请日：2019-06-20

公开（公告）日：2024-06-14

公开（公告）号：CN110185935B

主分类号：F17D5/00

分类号：F17D5/00;F16L53/70

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.14#授权;2024.05.31#专利申请权的转移;2019.09.24#实质审查的生效;2019.08.30#公开

摘要：本发明涉及一种冻土区高温运输管道的降温系统，包括对流换热箱（1）、左侧通风通道（2）、右侧通风通道（3）以及中间通风通道（4）；对流换热箱埋设在地下，其中心位置具有供高温运输管道（5）穿过的空间，使其内部的对流换热空间围设在高温运输管道外周；左右通风通道顶部进风口处均设有制冷部件（6），中间通风通道顶部出风口处设有加热部件（8）和第一风帽（7）。左右通风通道吸入外界环境中的空气，中间通风通道排出对流换热箱内部的热空气，在这个过程中通过热压差的加强、空气主动对流的形成，大大强化了通风通道的烟囱效应，显著提高了对流换热效率，实现了在快速带走高温运输管道放出热量的同时对周围冻土层进行有效降温的效果。

主权项：1.一种冻土区高温运输管道的降温系统，其特征在于，该降温系统包括对流换热箱（1）、设在其左右两边的左侧通风通道（2）和右侧通风通道（3）以及设在其顶部中心的中间通风通道（4）；所述对流换热箱（1）沿高温运输管道（5）长度方向设置，埋设在地下，其中心位置具有供所述高温运输管道（5）穿过的空间，使其内部的对流换热空间围设在所述高温运输管道（5）外周；以上三种通风通道均与所述对流换热箱（1）内部的对流换热空间相连通并且三者的顶部均伸出地面与外界环境相连通；所述左侧通风通道（2）和右侧通风通道（3）顶部进风口处均设有制冷部件（6），所述中间通风通道（4）顶部出风口处设有加热部件（8）和第一风帽（7），所述第一风帽（7）用于在自然风的驱动下将所述对流换热箱（1）中的热空气排出；该降温系统还包括与所述制冷部件（6）、所述加热部件（8）均相连的控制器（10）以及与所述控制器（10）相连的气温检测部件（9），所述控制器（10）用于根据所述气温检测部件（9）检测到的温度值控制所述制冷部件（6）和所述加热部件（8）的开启或关闭，具体为：当所述温度值小于或等于0℃时，开启所述加热部件（8）关闭所述制冷部件（6），当所述温度值大于0℃时，关闭所述加热部件（8）开启所述制冷部件（6）。

全文数据：一种冻土区高温运输管道的降温系统技术领域本发明涉及冻土降温技术领域，尤其涉及一种冻土区高温运输管道的降温系统。背景技术冻土是指温度在0℃或以下，且含冰的土类或岩石。由于其强烈的热敏感性，自人类在冻土区开展工程实践以来，融沉便成为主要灾害类型之一。融沉会造成房屋建筑倾斜、裂缝与倒塌；路基工程的波浪、倾斜和裂缝以及输电线路、输油管道、水利工程不均匀沉降等。目前，冻土降温措施主要分为主动降温和被动保温两类。被动保温无法改变冻土退化趋势，不能从根本上解决融沉灾害问题。主动式降温措施如热棒，通风管及块碎石等大多适用于铁路、公路、输电线路等地上工程，对埋地式高温原油管道等地下线性工程则具有较大局限性。高温输油管道放出的热量，对下伏冻土层造成持续热侵蚀，使得多年冻土上限下降，土体沉降，管道发生融沉灾害。美国于1977年建成的Trans-Alaska输油管道全长1280km，管径122cm，输送温度为38～63℃，属于长距离大口径高温管道，采用热管+桩基的形式敷设。国家四大能源战略工程之一的中俄输油管道，常年正温运营，2018年的监测资料显示，漠河出站油温最高接近25℃，管道沿线出现多处融沉灾害。为了达到防火，防盗的目的，管道采用沟埋的方式敷设，传统的埋地式热油管道大多采用保温层来进行被动保温，虽然在一定程度上减缓了油管向冻土层的热传递，但无法逆转冻土退化的总体趋势。因此，研发一种适用于埋地式高温运输管道的冻土降温措施，对于管道的安全运营，具有重要且深远的现实意义。申请号201520625756.5的实用新型专利公开了一种高温输油管道的放热结构，包括风管结构和保温结构。但是，由于风管结构中通风管为完全的被动式通风，受自然风速、风向影响较大，对流换热效率较低，而且在暖季，热流在管内流通，对保护冻土非常不利。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种冻土区高温运输管道的降温系统，其能够主动强化对流换热过程，提高降温效能。为解决上述问题，本发明所述的一种冻土区高温运输管道的降温系统，包括对流换热箱、设在其左右两边的左侧通风通道和右侧通风通道以及设在其顶部中心的中间通风通道；所述对流换热箱沿高温运输管道长度方向设置，埋设在地下，其中心位置具有供所述高温运输管道穿过的空间，使其内部的对流换热空间围设在所述高温运输管道外周；以上三种通风通道均与所述对流换热箱内部的对流换热空间相连通并且三者的顶部均伸出地面与外界环境相连通；所述左侧通风通道和右侧通风通道顶部进风口处均设有制冷部件，所述中间通风通道顶部出风口处设有加热部件和第一风帽，所述第一风帽用于在自然风的驱动下将所述对流换热箱中的热空气排出。优选的，该降温系统还包括与所述制冷部件、所述加热部件均相连的控制器以及与所述控制器相连的气温检测部件，所述控制器用于根据所述气温检测部件检测到的温度值控制所述制冷部件和所述加热部件的开启或关闭，具体为：当所述温度值小于或等于0℃时，开启所述加热部件关闭所述制冷部件，当所述温度值大于0℃时，关闭所述加热部件开启所述制冷部件。优选的，所述左侧通风通道和右侧通风通道顶部进风口的顶部分别设有第二风帽和第三风帽，这两个风帽用于将在自然风的驱动下将外界环境中的空气吸入各自的通风管道。优选的，所述制冷部件为半导体制冷片，其围设在所述左侧通风通道、右侧通风通道顶部进风口的外壁上。优选的，所述加热部件为电热丝，其设在所述中间通风通道顶部出风口的内壁上。优选的，所述左侧通风通道和右侧通风通道的底部开口位于所述对流换热箱的下部。优选的，所述第一风帽的位置高于所述左侧通风通道和右侧通风通道顶部的位置。优选的，所述第一风帽包括与所述中间通风通道顶部相连的支撑筒、通过棘轮结构设在所述支撑筒顶部中心的转动轴、设在所述转动轴顶部位于外界环境中的迎风伞状结构以及设在所述转动轴底部位于所述支撑筒内部的数片风叶，所述迎风伞状结构包括呈伞状的遮雨板和沿径向均布在所述遮雨板上表面的迎风板。优选的，所述对流换热箱的下部与所述左侧通风通道和右侧通风通道形成U型预制结构，所述U型预制结构的底部上表面中心具有与所述高温运输管道外壁相适应的第一弧度；所述对流换热箱的中上部与所述中间通风通道形成倒Y型预制结构，所述倒Y型预制结构的下表面中心的第二弧度与所述高温运输管道外壁相适应；所述U型预制结构中所述对流换热箱的下部与所述倒Y型预制结构中所述对流换热箱的中上部通过拼装形成整体，下部与中下部的内部空间相互连通，所述第一弧度和所述第二弧度之间形成供所述高温运输管道穿过的空间。优选的，所述左侧通风通道和右侧通风通道的通道内壁上具有沿竖直方向均布的数块轻质的防止回流板，和或所述对流换热箱底部内壁上布设有回流加强筋。本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明中，左右通风通道用于吸入外界环境中的空气，中间通风通道用于排出对流换热箱内部的热空气，而且在这个过程中，（1）左右通风通道进风口处的制冷部件的降温作用和或中间通风通道出风口处的加热部件的加热作用均能加强两侧进气端与中间的出气端的热压差，（2）中间通风通道出风口处的风帽的排气作用形成空气的主动对流，（3）同时由于中间通风通道的设置使得高温运输管道自身热量能够巧妙用来加强热压差，在以上热压差的加强和空气主动对流的形成的综合作用下，大大强化了通风通道的烟囱效应，显著提高了对流换热效率，实现了在快速带走高温运输管道放出热量的同时对周围冻土层进行有效降温的效果。2、本发明中，左右通风通道进风口处设有制冷部件，在暖季，制冷部件能够使得进入通风通道里面的气流为冷气流，使得本发明降温系统在暖季同样可以进行管道及冻土的降温。附图说明下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。图1为本发明实施例提供的降温系统的一种结构示意图。图2为本发明实施例提供的降温系统的另一种结构示意图。图中：1—对流换热箱，2—左侧通风通道，3—右侧通风通道，4—中间通风通道，5—高温运输管道，6—制冷部件，7—第一风帽，8—加热部件，9—气温检测部件，10—控制器，11—防止回流板，12—第二风帽，13—第三风帽，14—加强筋，15—高温原油，16—螺纹通孔，17—上管道护板，18—下管道护板，19—地温检测部件，20—太阳能电板，21—回填土，22—回流加强筋；71—支撑筒，72—转动轴，73—风叶，74—遮雨板，75—迎风板，76—棘轮结构，77—推力球轴承连接柱。具体实施方式参考图1~2，本发明实施例提供了一种冻土区高温运输管道的降温系统，其主要包括对流换热箱1、设在其左右两边的左侧通风通道2和右侧通风通道3以及设在其顶部中心的中间通风通道4。对流换热箱1沿高温运输管道5长度方向设置，长度与高温运输管道5需要进行降温保护段的长度相适应，埋设在地下，其中心位置具有供高温运输管道5穿过的空间，使其内部的对流换热空间围设在高温运输管道5外周；可以理解的是，对流换热箱1中心位置供高温运输管道5穿过的空间中是具有对高温运输管道5起支撑固定作用的部件的。在实际应用中，高温运输管道5可以为高温输油管道，也可以为高温输气管道，当然，也可以是其他需要降温的运输管道。以上左、右、中三种通风通道均与对流换热箱1内部的对流换热空间相连通并且三者的顶部均伸出地面与外界环境相连通；左侧通风通道2和右侧通风通道3顶部进风口处均设有制冷部件6，中间通风通道4顶部出风口处设有加热部件8和第一风帽7，第一风帽7用于在自然风的驱动下将对流换热箱1中的热空气排出。在实际制作中，第一风帽7可以直接使用现有技术中常见的排气风帽，也可以使用下文提出的风帽结构。对于附图需要说明的是，第一风帽7、第二风帽12和第三风帽13在图1中未示出；制冷部件6、加热部件8在图2中未示出。高温运输管道5散发的热量向四周辐射，使管道周围空气密度减小，热空气上升，从中间通风通道4流出，产生热压差，形成负压环境，产生抽吸力；与此同时，两侧通风通道密度较大的冷气补充进入，在对流换热箱1中的对流换热空间内发生对流传热，对运输管道周围土体降温，同时在运输管道热量作用下，冷气加热上升，再次从中间通风通道4排出，带走运输管道产生的热量。第一风帽7设在中间通风通道4顶部出风口的顶部，加热部件8位置低于第一风帽7，设在通风通道4顶部出风口的内部。第一风帽7的位置高于左侧通风通道2和右侧通风通道3顶部的位置，这种中间高、两端低的形式，有利于两侧气流进入后从中间流出。进一步地，在左侧通风通道2和右侧通风通道3顶部进风口的顶部分别设有第二风帽12和第三风帽13，这两个风帽用于将在自然风的驱动下将外界环境中的空气吸入各自的通风管道，实现对烟囱效应的进一步加强。各风帽的设置还能起到防止风沙、雨水等进入通风通道的作用。在实际应用中，左、右、中三种通风通道采用导热（金属）材质制成，比如钢管，进入左右通风通道的气流首先在管口处制冷，两侧风管内气体被强制性制冷，同时由于中间管道被运输管道热量和加热丝加热，气体升温，在热压差的作用下，强化烟囱效应。制冷部件6具体采用半导体制冷片，其围设在左侧通风通道2、右侧通风通道3顶部进风口的外壁上；可以理解的是，半导体制冷片的冷端靠近并紧贴钢管外壁用于制冷降温，热端远离钢管外壁便于将制冷过程中产生的热量依靠风冷散发出去。为了避免半导体制冷片受到风吹日晒的影响，还可以为其设置一保护壳体。加热部件8具体采用电热丝，其设在中间通风通道4顶部出风口的内壁上。其中，将半导体制冷片、加热丝设置在管口处的目的有两个：一是方便半导体制冷片的热端通过风冷散热，提高其制冷效率，二是当半导体制制冷片、加热丝发生故障时，便于维修更换。左侧通风通道2和右侧通风通道3的通道内壁上具有沿竖直方向均布的数块轻质的防止回流板11；当气流在两侧风管内上升时，轻质风板向上抬起，能够在一定程度上阻挡气体回流。对流换热箱1底部内壁上布设有回流加强筋22，左右两边的都向中间倾斜，一方面能够在一定程度上阻挡对流换热空间中气体向两边通风通道的流动，另一方面保证对流换热箱1底部结构稳定性，防止变形。当然，可以理解的是，由于本发明存在热压差的加强和空气主动对流的形成，气体逆向回流的现象并不会明显。左侧通风通道2和右侧通风通道3的底部开口位于对流换热箱1的下部，使得吸入的冷空气从对流换热箱1的下部或者底部开始作用，同时使得处于对流换热箱1中上部的热空气集中从中间通风通道4排出，即中上部快速排出热空气、下底部快速导入冷空气，在加快对流换热过程的同时显著提高降温效能。基于上述内容公开的降温系统，为了提高制冷部件6、加热部件8的使用寿命和效率，参考图2，本发明中，该降温系统还包括与制冷部件6、加热部件8均相连的控制器10以及与控制器10相连的气温检测部件9，控制器10用于根据气温检测部件9检测到的温度值控制制冷部件6和加热部件8的开启或关闭，具体为：当温度值小于或等于0℃时，开启加热部件8关闭制冷部件6，当温度值大于0℃时，关闭加热部件8开启制冷部件6。在实际应用中，还可以在本发明降温系统周围的土里埋设地温检测部件19，比如热敏电阻，实现对地温的实时监测。控制器10与制冷部件6、加热部件8、地温检测部件19之间的通信连接方式，可以是有线连接方式，也可以是无线连接方式。制冷部件6、加热部件8、气温检测部件9、地温检测部件19等用电部件通过太阳能电板20进行统一供电。基于上述上述内容公开的降温系统，针对第一风帽7的具体结构，本发明给出一种实现方案：第一风帽7包括与中间通风通道4顶部相连的支撑筒71、通过棘轮结构76设在支撑筒71顶部中心的转动轴72、设在转动轴72顶部位于外界环境中的迎风伞状结构以及设在转动轴72底部位于支撑筒71内部的数片风叶73，迎风伞状结构包括呈伞状的遮雨板74和沿径向均布在遮雨板74上表面的迎风板75。进一步地，棘轮结构76设在支撑筒71顶部中心的下表面，支撑筒71顶部中心的上表面还设有套在转动轴72上的推力球轴承连接柱77；支撑筒71内径与中间通风通道4外径相适应并将其套设于内部，并通过螺栓实现支撑筒71在中间通风通道4的位置固定。支撑筒71在风叶73上下一段距离为内径扩大结构，以适应风叶73的大直径，风叶73大直径的设置是为了增强排气效果。可以理解的是，通过改变风叶73的旋转方向可以分别实现主动排气、主动吸气的功能，也就是说，第二风帽12和第三风帽13同样可以基于以上风帽结构实现。其中棘轮结构76的作用是保证风叶73始终往一个方向旋转，即一直是排气功能或者一直是吸气功能。基于上述内容公开的降温系统，本发明中，整个降温系统分为以下几个预制部分，基于这样的预制方案，使得现场拼接、组装方便、快速。对流换热箱1的下部与左侧通风通道2和右侧通风通道3形成U型预制结构，U型预制结构的底部上表面中心具有与高温运输管道5外壁相适应的第一弧度，第一弧度对应图2中的下管道护板18。U型预制结构中，两边高出中间的部分即为左右通风通道。对流换热箱1的中上部与中间通风通道4形成倒Y型预制结构，倒Y型预制结构的下表面中心的第二弧度与高温运输管道5外壁相适应，第二弧度对应图2中的上管道护板17。U型预制结构中对流换热箱1的下部与倒Y型预制结构中对流换热箱1的中上部通过拼装形成整体，下部与中下部的内部空间相互连通，第一弧度（即下管道护板18）和第二弧度（上管道护板17）之间形成供高温运输管道5穿过的空间，同时对其起到支撑固定的作用。进一步地，U型预制结构、倒Y型预制结构可以为一体结构，也可以为沿其长度方向对半开的两个拼装预制部分，视具体需求进行选择；对流换热箱1的内壁与第一弧度、第二弧度的内壁之间设有数根加强筋14，保证整个结构的稳定性。各预制结构之间在拼装的衔接处均具有用于实现连接的固定部件，比如图2中所示的设在U型预制结构和倒Y型预制结构在拼装衔接处的外壁上均设有向外突出的连接耳，连接耳上均具有螺纹通孔16，通过螺栓穿过上下两个螺纹通孔16并利用螺母拧紧固定即可。对于U型预制结构和倒Y型预制结构均为对半开的设置方式，即降温系统主要由下部两部分、上部两部分组成，在实际安装及施工时：高温运输管道5敷设前，先安装下部两部分结构，利用螺栓连接后，敷设高温运输管道5，然后将上部两部分结构安装，同时利用螺栓连接，做好连接处接缝的防水密封工作，管堤土回填后，利用螺栓连接上部的风帽结构，同时连接半导体制冷片及电热丝，最后连接控制器10、太阳能电板20以及相关线路板等。以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

权利要求：1.一种冻土区高温运输管道的降温系统，其特征在于，该降温系统包括对流换热箱（1）、设在其左右两边的左侧通风通道（2）和右侧通风通道（3）以及设在其顶部中心的中间通风通道（4）；所述对流换热箱（1）沿高温运输管道（5）长度方向设置，埋设在地下，其中心位置具有供所述高温运输管道（5）穿过的空间，使其内部的对流换热空间围设在所述高温运输管道（5）外周；以上三种通风通道均与所述对流换热箱（1）内部的对流换热空间相连通并且三者的顶部均伸出地面与外界环境相连通；所述左侧通风通道（2）和右侧通风通道（3）顶部进风口处均设有制冷部件（6），所述中间通风通道（4）顶部出风口处设有加热部件（8）和第一风帽（7），所述第一风帽（7）用于在自然风的驱动下将所述对流换热箱（1）中的热空气排出。2.如权利要求1所述的降温系统，其特征在于，该降温系统还包括与所述制冷部件（6）、所述加热部件（8）均相连的控制器（10）以及与所述控制器（10）相连的气温检测部件（9），所述控制器（10）用于根据所述气温检测部件（9）检测到的温度值控制所述制冷部件（6）和所述加热部件（8）的开启或关闭，具体为：当所述温度值小于或等于0℃时，开启所述加热部件（8）关闭所述制冷部件（6），当所述温度值大于0℃时，关闭所述加热部件（8）开启所述制冷部件（6）。3.如权利要求1所述的降温系统，其特征在于，所述左侧通风通道（2）和右侧通风通道（3）顶部进风口的顶部分别设有第二风帽（12）和第三风帽（13），这两个风帽用于将在自然风的驱动下将外界环境中的空气吸入各自的通风管道。4.如权利要求1所述的降温系统，其特征在于，所述制冷部件（6）为半导体制冷片，其围设在所述左侧通风通道（2）、右侧通风通道（3）顶部进风口的外壁上。5.如权利要求1所述的降温系统，其特征在于，所述加热部件（8）为电热丝，其设在所述中间通风通道（4）顶部出风口的内壁上。6.如权利要求1所述的降温系统，其特征在于，所述左侧通风通道（2）和右侧通风通道（3）的底部开口位于所述对流换热箱（1）的下部。7.如权利要求1所述的降温系统，其特征在于，所述第一风帽（7）的位置高于所述左侧通风通道（2）和右侧通风通道（3）顶部的位置。8.如权利要求1所述的降温系统，其特征在于，所述第一风帽（7）包括与所述中间通风通道（4）顶部相连的支撑筒（71）、通过棘轮结构（76）设在所述支撑筒（71）顶部中心的转动轴（72）、设在所述转动轴（72）顶部位于外界环境中的迎风伞状结构以及设在所述转动轴（72）底部位于所述支撑筒（71）内部的数片风叶（73），所述迎风伞状结构包括呈伞状的遮雨板（74）和沿径向均布在所述遮雨板（74）上表面的迎风板（75）。9.如权利要求1所述的降温系统，其特征在于，所述对流换热箱（1）的下部与所述左侧通风通道（2）和右侧通风通道（3）形成U型预制结构，所述U型预制结构的底部上表面中心具有与所述高温运输管道（5）外壁相适应的第一弧度；所述对流换热箱（1）的中上部与所述中间通风通道（4）形成倒Y型预制结构，所述倒Y型预制结构的下表面中心的第二弧度与所述高温运输管道（5）外壁相适应；所述U型预制结构中所述对流换热箱（1）的下部与所述倒Y型预制结构中所述对流换热箱（1）的中上部通过拼装形成整体，下部与中下部的内部空间相互连通，所述第一弧度和所述第二弧度之间形成供所述高温运输管道（5）穿过的空间。10.如权利要求1所述的降温系统，其特征在于，所述左侧通风通道（2）和右侧通风通道（3）的通道内壁上具有沿竖直方向均布的数块轻质的防止回流板（11），和或所述对流换热箱（1）底部内壁上布设有回流加强筋（22）。

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