青藏铁路冻土层路基的“热管”技术（前沿科学）

中国科普作家协会会员 韩吉辰

青藏铁路风火山附近，一名当地村民看到铁路边上竖立的“热管”，感到新奇。这些热管的作用是将路基的热量导出来，从而使这个由冻土构成的路基不会融化。（图）

青藏铁路通车了！这是我国社会主义现代化建设取得的又一个伟大成就。青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路，沿线高寒缺氧，冻土广布，工程十分艰巨。我国科学家使用了最先进的科学技术，为保证青藏铁路路基的稳固度，采用了一种“热管”来进行地基冷却，效果奇特而且特别安全。

“如履薄冰”的青藏铁路

青藏铁路东起青海格尔木，西至西藏拉萨，全长1200公里，其中有600公里属于高海拔寒冷区冻土地质。高原寒冷区冻土层地基的稳定性是青藏铁路面临的最大难题！这也是一个“世界难题“啊！

为什么呢？我们知道，盖楼房需要打好地基，铺设铁路也需要稳定的路基。现在路基在冻土上面，就仿佛在冰上行走。随着温度的变化，冻土具有“顽皮好动”的特性。在寒季，冻土像冰一样冻结，并且随着温度的降低体积发生膨胀，建在上面的路基和钢轨就会被膨胀的冻土顶得凸起；到了夏季，冻土融化体积缩小，路基和钢轨又会随之凹下去。冻土的冻结和融化反复交替地出现，路基就会翻浆、冒泥，钢轨出现波浪形高低起伏，路基塌陷，铁路变形，那是非常可怕的！对铁路运营安全造成威胁，严重的时候会车毁人亡。解决的办法嘛，从理论上很简单：让冻土层保持恒低温，永远处于坚硬的冰冻状态。可是这说起来容易，实际做起来却是非常非常困难啊。

如今这个“世界难题”已经完全攻克，我国科学家使用了最先进的科学技术，为保证青藏铁路路基的稳固度，采用的热管、通风、遮阳、隔热保温等一系列降温措施，已建成的冻土层路段已安然度过今年夏季，我国成为少数几个掌握冻土层铁路路基施工技术的国家。青藏铁路使用的是一种神奇的“热管”，当气温低于冻土层时，外界冷气源源不断进入冻土层，而当气温高于冻土层时，“热管”会自动停止工作，加上隔热措施可以保证冻土层的稳定。

利用这种“热管”来进行地基冷却，效果奇特而且特别环保。那么，这是一种什么新奇的技术呢？你可能想不到，“热管”原来是从航天技术“下凡”而来！

“热管”解决宇航器的难题

在茫茫太空中航行的飞行器??人造卫星、太空航天站、宇宙飞船和航天飞机,都遇到一个共同的“冷热”难题：就是航天器面向太阳的一侧受到太阳的直接照射,而背向太阳的那一侧温度很低.由于太空里几乎没有空气,不可能通过空气来调节温度,因此,飞行器两侧的温度差很高，可以达到 275℃！尽管飞行器的材料是经过特殊处理的,但仍然承受不了这么大的温度差别,容易变形。这对飞行器来说,是极其危险的。尤其是航天器运动极快，不断变化方向，向阳面和背阴面也在变化，这种“冷热不均”的情况更加严重。

为了消除宇航器在太空温度差别的危险,科学家们经过长时间的研究,发明了一种神奇的“热管”换热器.通过热管,可以连续不断地把面向太阳一侧机身的热能,迅速引到背向太阳一侧的机身,使航天器两侧的温度差降到44℃以下。

“热管”的发明历史并不太长，1964年发明于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室。紧接着进入“热管”的理论研究高峰期，有千余篇论文发表。“热管”开始被应用在宇宙航行技术，由于热管在空间应用的神奇功效，成功地解决了宇航器的冷热难题，热管很快便如同仙女下凡一样，开始广泛地应用于冶金、化学、石化、电力、轻纺和机械等众多领域，尤其在节能和环保等领域大显身手。自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路。

如此神奇的“热管”,它的原理一定很深奥吧 不!实际上它利用的是我们中学课本中讲过的热学原理:液体蒸发时吸热，气体液化时放热。

热传递的第四种方式？

我们知道：热传递是热能由高温处传到低温处的现象，热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。传导为二个物体相接触时热由高温物体传到低温物体的现象。传导热量的大小主要是依靠温差及物体的传热?数而定。通常物体的导热?数以固体为最高，其次是液体，最次是气体，在固体中以金属为最高。这种热传导理论已经写入物理学教科书中。

但是有一种常见的现象，引起科学家的关注：医生给我们打针前,一定要用酒精消毒，涂在皮肤上的酒精很快就会蒸发掉，同时这块皮肤会感到十分凉爽，这是因为,液体蒸发时要从周围的物体吸收一定的热量。我们知道，液体达到沸点以后,如果继续吸收热量,本身温度也不再升高,所吸收的热量会使液体转变成气体。比如，1克100℃的水要变成100℃的蒸气,需要吸收539卡的热量。反过来，气体变为液体时也要放出热量，这就是人们感到100℃的水蒸气要比100℃开水烫的缘故。

“热管”就是利用液体蒸发制冷和冷凝放热，使热量得以快速传导。工作过程也不复杂：当热管一端受热时,吸液芯里的酒精等介质就会蒸发,这端就叫做"蒸发端"；酒精在汽化时会吸收大量的热,蒸气沿着热管中间的通道跑到另一端??冷凝端时,会遇冷凝结成酒精,放出同样多的热。而冷凝以后的液体酒精会很快渗进吸液芯里,由于毛细管作用,重又回到蒸发端。只要热管两端温度相差几度,酒精就可以在管内反复循环,将热量迅速地从蒸发端传到冷凝端。

“热管”的研制成功，使传统的热传导理论有了新的发展，过去人们将蒸发制冷和冷凝放热这一现象，归入热的“对流”传导之中。现在看起来有一些勉强，因此已经有科学家提出：将蒸发制冷和冷凝放热这一现象，称为热传递的第四种方式。这一种学说得到广泛的支持，如果真正能够成立，那么物理学教科书中“热传导理论”将需要改写！

“热管”的基本结构

下面,我们来看看“热管”的基本结构和工作过程吧。

热管是一个封闭的系统，它是一根密封的金属管,管壳内衬垫一层多孔材料??吸液芯,里面灌有酒精或别的容易蒸发的液体，叫做工作介质，常用的有酒精、氟里昂、氨水、联苯、水银……等。需要抽去管内的空气，使管内没有空气的压力,这样,液体在受热时很容易变成蒸气。

我们知道：在金属中铜和银的导热能力最强，而“热管”的导热效率更高,热传导系数比铜和银高1000倍呢！一根25毫米直径的热管(相当于普通自来水管粗细),传热的效果跟直径2.7米的铜棒差不多，是名副其实的导热冠军！

“热管”结构依导热量及温度的不同而异，目前已?成的热管有用黄铜、镍、不?钢、钨及其他合金做外壳的。热管工作液的种类更多，它包括钾、钠、?、?、?、?、水银、水、木酒精、丙酮、冷冻剂（Freons）液态氮、液态氧及其他一些无机盐等。热管的外壳及其工作液的选择都视热管的应用情况而定。譬如在摄氏一千度以上的高温时，热管内部多用钾、钠等液态金属，但热管用於零下一百九十度时，则内部多用液态氮等。

热管的体积可大可小、重量可轻可重、结构简单，形式及型体尺寸灵活多样，不用配备马达等动力传动设备，因此噪声低、使用寿命很长。热管的使用范围广泛，在－253℃低温到 2300℃高温之间的环境中都可导热，甚至还可以在有毒的恶劣环境中默默地工作，这些优点几乎可使热管取代所有的热传导装置。

按照热管管内工作温度区分 ，热管可分为低温热管( －253─0℃)、常温热管(0?250℃)、中温热管（250? 450℃）、高温热管(450?1000℃)等。热管个工作温度主要由管内流动的液体决定的，比如水在0℃??100℃之间可以工作，低于0℃时就结成冰，不能流动了；高于100℃时，水蒸气也不会凝结成水了，这样热管就会自动停止工作。

按照工作液体回流动力区分， 热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。按热管的功用划分，可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。

“热管”在 节能中大显身手

上面我们介绍了，热管的导热系数比铜和银高1000倍，有热超导体之称。 “热管”技术开始被应用在宇航行业，由于热管在空间应用的神奇功效，热管很快便如同仙女下凡一样，开始广泛地应用于冶金、化学、石化、电力、轻纺和机械等众多领域，尤其在节能和环保等领域大显身手。目前，热管应用的重点已由空间转移到地面，由工业化扩展到民用产品，并且进入了千家万户。

　　1969年科学家研制成功“带翅片热管束”的空气加热器, 用来回收工业排气中的热能。从而热管技术以其高效的传热性，为节能和环保找到了一条新路。

使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，因此“热管”的用途极其广泛，在各个领域,热管有越来越重要的作用。例如，现代电气化的主角??电动机的转速越来越高,产生的热量也越来越多,如果散热不及时,就有烧毁电动机的危险！普通电动机一般用气冷或水冷设备对转子进行冷却,效率低,冷却部件体积大,整个电机显得粗大笨重，而且往往噪声大污染环境。而利用“热管”对转子进行冷却,不但效率高,电动机的辅助设备的体积小,使用寿命延长了，成本也有所降低。

在生活和生产中离不开各种锅炉，最近一种“热管”锅炉异军突起，它将最先进的航天“热管”传热技术运用在常压热水锅炉上，炉体上方与超大型烟箱相通。超大型烟箱内设有超导“热管”换热器，可以充分利用二次热能，回收余热。这是一项安全、高效、节能、环保的高新技术产品。一些热管专家指出，利用热管调节温室温度，可以节约6.3％的电力……

微型“热管”在电脑中的应用，由于高速处理器和越来越小的体积使得散热成为一个难题，热设计成了这些产品完整设计周期的一部分。台式电脑的设计人员依靠功率强大的风扇把热量转移到具有更大空间的周围环境中。先进的“热管”技术首先在笔记本电脑中被广泛应用，笔记本中的热管，热端置于CPU上方的散热片上，三根8字型的细小“热管”就是散热器的主体，带走热量的速度快，噪音低。最近微型“热管”也开始走入台式电脑机中，受到欢迎。

美好的远景

2005年11月在上海召开的第13届国际热管会议，代表热管最高水平的国际会议上，来自24个国家和地区的170多名代表围绕热管的7个研究方向，从基础理论、实验技术、先进材料与制造技术、空间应用、工业应用、微电子的冷却及热管的发展展望等方面进行了广泛的交流。人们也从中领略到了热管给航天器带来的重大影响和与人们生活休戚相关的种种鲜为人知的传奇。

我国的热管研究在闵桂荣院士的倡导下，从1970年开始起步，1976年首先应用在第二颗返回式卫星上，如今已成功应用在近60颗卫星和5艘飞船上。我国空间热管的应用水平受到了各国同行的广泛赞誉，在本次会议上，欧洲的空间热管专家由衷地对记者说：“中国在热管研究的许多方面已超过了我们。”以侯增祺、李劲东和邵兴国为代表的中国空间热管专家将一种先进的热管技术应用在2003年12月30日发射的探测一号卫星上，使舱内仪器保持了合适的温度。我国航天热管的研制能力得到了极大的提高，热管生产能力提高了10倍，同时还满足航天热管在轨安全运行15年的性能需求。世界一些热管专家认为，中国在空间热管应用水平方面已位居世界前列，

热管在冻土带进行建筑和工程应用方面，在本次会议的产品展览上，人们看到了为保证青藏公路和青藏铁路路基的稳固度和安全使用，我国采用了大型“低温热管”来进行地基冷却。这种低温热管长7米，管子外径89毫米，1.4米长的翅片绕焊后，每根管子质量在100千克以上。热管埋入地下部分喷涂黑色防腐漆，地面部分喷涂白色抗磨漆，每根喷涂三遍，这些热管等距离地排列在青藏铁路某段的两侧，5米长埋入地下，地表外露2米多，在严寒季节，能将地下永冻土层的热量源源不断传递到路面，保持冻土的恒低温；而一旦气温升高，低温热管自动停止工作。今年经过一个夏天，目前仅有个别冻土区段出现的路基下沉和开裂情况，铁道部有关专家表示，这种情况属于列车运行磨合期间的正常现象，工程质量仍然符合国际规定的技术标准。目前，青藏铁路的线路和设备设施都保持了正常的运行状态。

在俄罗斯的西伯利亚铁路和美国在阿拉斯加铺设输油管道时，也曾通过“低温热管”对冻土层实施保护。有些热管也称热二极管，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。

随着对“热管”的进一步研究，导热冠军??“热管”的用途还会更加广泛进入我们的日常生活呢！

在青藏铁路两旁的“热管”整齐排列，形似“林带” 。“热管林”成了这条雪域“天路”上的别致风景。

工人在两边装有热棒的铁轨上巡查

天津红桥区佳宁里3号楼5门602（邮编：300134）电话：（022）26649012（宅）

【小贴士】冻土层 所谓冻土是指温度下降到零度或零度以下，土壤里的水分就会结成冰，并将土壤也冻结在一起，形成一层坚硬的冻土层。冻土有季节性冻土和多年冻土。冻土层的厚度与地表、地下温度关系密切。当天气变暖时冻土层就会融化，我们称这种冻土为季节冻土。但在有些地方存在一种持续多年不化的冻土，那就是多年冻土。在温度偏高的年份，表面一小层土壤被融化，深层仍然是坚硬的冻土。