一种基于无机热导管的严寒铁路隧道洞口自动除冰装置的制作方法

本发明涉及道路安全配套设施，具体涉及一种基于无机热导管的严寒铁路隧道洞口自动除冰装置。

背景技术：

1、严寒地区铁路隧道顶部容易发生渗漏滴水，在冬季低温环境和列车风综合作用下，洞口渗漏水逐渐结冰并发展为冰挂。当隧道洞顶冰柱较长时，会侵入建筑限界影响列车运行安全，同时接触网结冰也会引发电路故障，当冰柱坠落时还会危及列车安全。

2、目前，针对隧道洞口挂冰主要是采用人工法和电加热法进行清除，其中，人工法是指工务人员在列车运行间隔时间(通常为4h)，由上下通道道口步行至结冰位置，采用绝缘冰钎打冰直至冰柱落至地面，再将冰块装筐运出隧道。人工打冰法工作强度极大，在严寒天气、维护天窗时间短等条件下作业安全风险大，除冰的效果和及时性难以有效保证，且随着气温降低冰柱不停地生长，打冰人员需要反复作业；而，电加热法是指将电加热带安装在洞口隧道壁位置，冬季气温较低时启动电加热装置，将电能转换为热能，产生的热量以高温辐射的形式传到隧道结冰位置，冰块将以液态水的形式沿着隧道壁滴下，不再形成冰柱。该除冰装置运行可靠、升温快，但由于严寒地区铁路隧道冬季结冰期长，导致电加热法耗电量巨大，经济性和节能环保性差；同时，偏远山区隧道供电不便，电加热法能量来源受限；此外，当冰挂融化成水后经过电加热装置线路时，容易造成安全隐患。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于无机热导管的严寒铁路隧道洞口自动除冰装置。

2、本发明公开了一种基于无机热导管的严寒铁路隧道洞口自动除冰装置，包括：

3、隧道洞顶除冰装置，其包括位于隧道洞顶的冷凝段，所述冷凝段的弧度与所述隧道洞顶的拱顶弧度相适配；

4、基岩地热采集装置，其包括位于隧道两侧壁的蒸发段，两侧所述蒸发段的下端均埋入地面以下且置于基岩恒温层中，两侧所述蒸发段的上端分别与所述冷凝段相连通，埋入地面以下的两侧所述蒸发段在靠近所述地面的一段均设有绝热保温部，且该绝热保温部的设置长度与隧道洞口的基岩冻结深度一致；

5、所述冷凝段和两侧所述蒸发段均由无机热导管构成，所述无机热导管内部工质为相变材料，所述相变材料在两侧所述蒸发段内吸收基岩恒温层的热量后，沿着所述无机热导管携带热量输送至冷凝段放热，放热完后的所述相变材料经由所述无机热导管的管壁回流至地面以下的蒸发段内。

6、作为本发明的进一步改进，根据地下基岩热量存储和隧道洞顶除冰所需热负荷匹配原则，所述冷凝段与两侧所述蒸发段的组合模式包括多蒸发段与多冷凝段模式、多蒸发段与单冷凝段模式或单蒸发段与多冷凝段模式。

7、作为本发明的进一步改进，所述多蒸发段与多冷凝段模式包括由多根所述第一无机热导管构成的冷凝段及多根所述第二无机热导管构成的蒸发段；

8、多根所述第一无机热导管及多根所述第二无机热导管均由所述隧道洞口向内平行间隔设置，且多根所述第一无机热导管及多根所述第二无机热导管的设置间距一致；

9、位于两侧壁的多根所述第二无机热导管的下端分别伸入至所述基岩恒温层，多根所述第二无机热导管的上端分别与对应的所述第一无机热导管的端部连通，多根所述第二无机热导管在靠近所述地面的位置均设有所述绝热保温部。

10、作为本发明的进一步改进，所述多蒸发段与单冷凝段模式包括由单根所述第一无机热导管构成的冷凝段和多根所述第二无机热导管构成的蒸发段；

11、多根所述第二无机热导管由所述隧道洞口向内平行间隔设置，且位于两侧壁的多根所述第二无机热导管的上端并联后分别与对应的所述第一无机热导管的端部连通，位于两侧壁的多根所述第二无机热导管的下端分别伸入至所述基岩恒温层，多根所述第二无机热导管在靠近所述地面的位置均设有所述绝热保温部。

12、作为本发明的进一步改进，所述单蒸发段与多冷凝段模式包括由多根所述第一无机热导管构成的冷凝段和单根所述第二无机热导管构成的蒸发段；

13、多根所述第一无机热导管由所述隧道洞口向内平行间隔设置，且多根所述第一无机热导管的两端分别并联设置，位于两侧壁的所述第二无机热导管的上端分别与对应侧的所述第一无机热导管的并联端连通，位于两侧壁的所述第二无机热导管的下端伸入至所述基岩恒温层，所述第二无机热导管在靠近所述地面的位置设有所述绝热保温部；

14、所述第二无机热导管的管径大于所述第一无机热导管的管径。

15、作为本发明的进一步改进，所述第一无机热导管沿隧道壁绑扎固定于隧道二衬钢筋网上，并浇筑隧道二衬混凝土；

16、隧道侧壁与仰拱交接处与所述基岩恒温层之间沿竖直方向贯穿设置有安装孔，所述安装孔的孔径为5cm～10cm；所述第二无机热导管置于所述安装孔内，并在所述安装孔内浇筑水泥砂浆；

17、当多根所述第二无机热导管平行间隔设置时，多根所述第二无机热导管的下端可伸入所述基岩恒温层的不同深度，以获取不同深度的基岩地热。

18、作为本发明的进一步改进，所述无机热导管的极限热通量大于所述隧道洞顶除冰所需热负荷，所述无机热导管的极限热通量为：

19、q′＝f1f2f3ah1v(ρv)1/2[gσ(ρ1-ρv)]1/4

20、式中：f1，f2，f3为经验系数；ρ1为无机热导管内工质的液相密度；ρv为无机热导管内工质的汽相密度；a为无机热导管蒸发段轴向截面积；h1v为无机热导管内工质的相变潜热；σ为无机热导管内工质的表面张力。

21、作为本发明的进一步改进，所述无机热导管的管壁材质包括不锈钢或进行防腐处理的碳钢；

22、所述无机热导管的管径为3cm～7cm。

23、作为本发明的进一步改进，所述相变材料包括液态氨气；

24、所述液态氨气在两侧所述蒸发段内吸收基岩恒温层的热量后蒸发为汽态，沿着所述无机热导管携带热量输送至冷凝段放热后由汽态冷凝为液态，并经由所述无机热导管的管壁回流至地面以下的蒸发段内。

25、作为本发明的进一步改进，所述自动除冰装置可用于严寒地区新建铁路隧道易发生挂冰的洞口位置处，或运营铁路隧道冬季常年挂冰位置处。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

27、本发明对于隧道洞口除冰完全依靠基岩恒温层的地热能，无需外部电能消耗，具备绿色环保能耗低的优点；

28、本发明除冰效果好，通过设置隧道洞顶除冰装置及基岩地热采集装置，配合无机热导管内的相变材料，最大可提高冬季隧道洞口温度20℃，防止隧道洞口结冰，从源头上抑制冰挂的形成；

29、本发明无需人工干预，可实现自动运行，配合无机热导管内的相变材料，在冬季隧道洞顶与地下基岩温度差驱动下自主运行，无需人员操作，尤其适用于人员上下道不便的偏远山区，降低了人工在严寒天气、维护天窗时间短等条件下的作业安全风险，有效保证除冰效果和除冰及时性；

30、本发明可实现免维护，由于本发明中的隧道洞顶除冰装置及基岩地热采集装置并无机械零部件，且除冰装置安装在基岩和二衬混凝土内部，管道老化及遭受外部破坏的可能性低；

31、本发明安全性高，完全消除了打冰、运冰工作人员的安全隐患；通过无机热导管配合内部的相变材料，可以直接利用热能进行除冰，消除了电加热管线遇水漏电的安全风险；同时可有效消除因挂冰导致的接触网断电、冰块掉落砸车、混凝土衬砌冻胀开裂等问题。