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“冷却”青藏铁路

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除了我们日常接触比较多的食品、运输、仓储等行业,保冷、制冷与冻土区的铁路工程也有密切关系。我们知道,建设铁路需要铺设铁轨,铁轨的稳定性对铁路运营安全至关重要。在多年冻土区,冻土对温度变化敏感。在寒冷的冬季,冻土冻结,体积会发生膨胀,其上铺设的路基和铁轨会被“冻胀”的冻土顶得凸起;在炎热的夏季,冻土部分融化,体积缩小,路基和铁轨随之下沉。冻土的冻胀和融化下沉反复交替出现,就会影响路基稳定性,导致铁轨出现波浪状得高低起伏,对铁路安全造成威胁。

青藏铁路是世界上海拔最高、穿越多年冻土地段最长(约550千米)的铁路,为了解决高原冻土问题,采取了多种创新性的技术措施对冻土路基进行主动冷却。这些措施包括铺设片石层通风路基和U形块碎石路基、修建碎石(片石)护坡或护道、设置热棒以及保温材料等。


青藏铁路沙盘,位于中国科技馆三层科技与生活D展厅。在沙盘上,能看到部分铁轨两侧竖立着高高的细棒,代表的就是实际中冻土区的热棒。

乘客在乘坐青藏铁路时,可能会看到路基两旁插有一排排直径约15厘米、高约2米的细棒,这就是给路基制冷的热棒。它是一种高效导热装置,具有独特的单项传热性能:热量只能从地面下端向上端传输,反向不传热,像是一种不需动力的天然制冷机。

热棒是如何实现单向传热的呢?热棒的结构是一根密闭的钢管,里面装有液氨(沸点-33.4℃),露出地面的上部(放热段)装有散热片,下部(吸热段)直接埋入多年冻土中。在青藏铁路所处的多年冻土区,环境温度长时间低于热棒下部所在冻土层的温度,热棒下部的液氨吸收冻土的热量,汽化上升;到热棒上部,接触到较冷的管壁后放热,重新冷凝成液体,在重力作用下沿管壁流回热棒下部,然后吸热再蒸发。如此循环往复,就起到了对冻土的冷却作用。在夏季,热棒中的液氨全部变成气体,气体对流少,热量向下部传递很慢。故热棒具有单向传热的特点。

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