基于热管技术的飞机场跑道融雪系统的长期热分析

苏晟 郝文琦（北京航空航天大学 能源与动力工程学院，北京 102206）

1 背景

世界上超过60%的机场都位于降雪地区。机场跑道上的积雪减少了飞机轮胎的摩擦力，在降雪和冰雹（冰雹）发作期间威胁机场运营的安全[1]。防止全球机场跑道表面被积雪覆盖的最常见方法是除冰剂的扩散和除雪机的使用。据报道，除冰剂和除雪剂的年度成本在美国约为60 亿美元，在欧洲为90 亿美元，在中国为100 亿美元，而且近年来这笔费用显然已经增加了。除冰剂和除雪剂的使用还会加速飞机场-跑道结构的恶化[2]，并造成环境污染。因此，更清洁，更可持续的融雪技术已成为近年来的热门话题。

20世纪60年代的美国，Los Alamos 国家实验室的工作人员发明了一种导热元件，这就是热管技术的基础模型[3]。初期的热管主要应用于人造卫星、宇宙飞船或热离子发电机等当时的尖端行业，到1970年左右，开始用于工业机械的散热或温度均衡。而到目前为止，热管已经在电器设备散热、金属模具冷却、空调、换热器、等温炉和家用电器等方面广泛应用，我国最近修建的青藏铁路，为了路基的防冻，其两侧也使用了数以万计的热管。

利用可再生能源在飞机场跑道上融化雪的可用技术分为三类：将加热电缆嵌入人行道中，将水力管道嵌入人行道中（热量通过泵使用循环流体从热源传递到人行道上），以及将热管嵌入路面内部（热量通过自由使用的热管的内部工作流体相变从热源传递到路面）。其中，热管飞机场跑道系统由于其可持续性[17]，环境友好[18]而引起了最多的关注。

自1960年代以来，就已经建设了热管融雪路面项目。1969年，Nydahl等人。在美国率先报道了使用热管技术的融雪路面系统，如下图所示：

图1 热管

热管铺面的观测表面温度比正常铺面的表面温度高2—4°C，在-5°C的环境温度下融雪速度为10 mm∕h。当环境温度为-5℃时，人行道表面的温度为5.5℃，人行道上的雪完全融化。

2 基于热管技术的全尺寸融雪机场跑道实验系统

为了研究配备热管系统的机场跑道的长期热状况，并讨论气候条件对系统融雪性能的影响，我们设计了一个大型融雪机场跑道实验系统于2015 年秋季建成，位于北京中部（N40°04′∕E116°35′），冬季经常降雪，该地区使用的全尺寸融雪机场跑道系统的结构，如图2所示。

图2 尺寸融雪机场跑道系统

在系统中使用了150 多个热管。热管为L 形，在飞机场跑道中冷凝段为水平，绝热和蒸发段在地面土壤中为垂直。热管的冷凝段，绝热段和蒸发段的长度分别为2.2 m，1.5 m 和12.0 m。考虑到系统的工作温度，碳钢是热管壁的材料，氨是内部流体的材料，工作流体的填充率为60%。对于工作流体流，冷凝段的水平倾斜角为1°。砂浆被选作地面土壤中热管孔的灌浆材料，以改善传热性能和机械性能。

用于记录机场跑道温度的180个热电偶温度传感器它们被嵌入到各种深度（0.02 m，0.05 m，0.08 m，0.15 m，0.25 m 和0.42 m）的机场跑道中，并放置在管道上方和两管道之间。温度传感器的精度为±0.1°C，测量范围为-50至+120°C，连续的温度监控时间间隔为10分钟。气象数据（例如，环境温度，太阳辐射，风速和湿度）是从自动气象站获得的，该气象站的安装间隔为10分钟，距全尺寸实验系统约10 m。在降雪事件中使用了四个视频监视器来记录融化过程，从而评估飞机场跑道的融雪性能。该方法证实了依赖于机场跑道融雪系统的长期工作特性热管技术可以得到有效监控。

3 结果与讨论

蓝线表示已安装特定深度的热管系统的机场跑道温度，绿线表示非热管系统温度，红线表示环境温度。有趣的是，蓝色线条在每个夏季（3月至11月）几乎与绿色线条重合，但在每个冬季（11月至3月）则更高。以哈尔滨2厘米深度的机场跑道温度为例，表明夏季两条线的平均温差为0.6°C。这可以算是温度传感器测量误差。但是，在有和没有热管系统的情况下，机场跑道温度在冬天的平均差为9.1°C。这种现象可归因于热管系统的不连续运行。

北京的热管系统平均机场跑道温度升高分别为6.4°C。冬季的热管系统运行时间在85 天，但北京整个冬季几乎接近0°C。因此，地理因素对除冰有重要影响热管机场跑道系统的性能。

融雪时间随着周围空气温度的降低而增加。对于相同的降雪条件，当周围空气温度为-4°C或更高时，机场跑道表面始终没有积雪，因为表面温度高于1.5°C C。当周围空气温度从-5°C降到-8°C时，热管机场跑道的平均融雪速率从5.0 mm∕h降低到3.7mm∕h，结果降雪时间清除时间延长了2-4小时。但是，机场跑道表面总是被雪覆盖。表面温度已经低于-2.5°C，因此周围空气温度为-10°C或更低。这些结果表明，环境空气温度在确定热管机场跑道系统的可行性中起着主导作用，并且当环境空气温度低于-10°C时，系统的融雪性能将受到限制。

4 结语

热管的应用领域非常广泛，发展前景广阔。随着热管技术的不断发展，研发水平和制造工艺的不断提高，热管的应用在各类行业中将会占有非常重要的地位。

当冬天冬季机场跑道温度降至约5°C以下时，热管系统将自动运行，地面土壤中的热量通过管道连续地传递到机场跑道。热管内部的工作流体相变。在哈尔滨，热管系统的运行时间超过了约120天。在春季，由于周围空气温度升高，飞机场跑道温度升高到5°C以上，热管系统不再运行，因为热管的蒸发段（地面土壤）和冷凝段（机场跑道）之间的温差低于启动阈值。这样，具有热管系统的机场-跑道温度逐渐趋向于没有热管的系统。

同时，热管的应用领域非常广泛，发展前景广阔。随着热管技术的不断发展，研发水平和制造工艺的不断提高，热管的应用在各类行业中将会占有非常重要的地位。