2006年，我国青藏铁路全段正式开通，成为了世界上海拔最高、路线最长的高原铁路。

值得注意的是，在青藏铁路的两旁，插着一根根高达2米的“铁棒”，其数量多达1.5万根。其实，这些都不是一般的“铁棒”，更准确地说，它们是具有导热功能的热棒。

为什么高原铁路要使用热棒？

这还要从青藏高原地区的气候条件说起。当气温等于或低于0℃的时候，土壤里的水分就会凝结成冰，顺便将土壤也冻结起来，于是就形成了一层坚硬的土层，也称“高原冻土层”。

高原冻土层对温度的变化非常敏感，虽然青藏高原常年温度都在0℃以下，深层的大部分冻土可以常年保持固态，但在表面的一小层土壤，会受到季节性太阳辐射热变化的影响，产生形态上的变化。与此同时，冻土结构的变化，也对青藏铁路产生了巨大影响。

在寒冷的季节，土壤中的水分会冻结成冰，冰晶和土壤紧密结合在一起，土层就会发生“冻胀”，体积不断增大，同时路基也会变得十分坚硬；相反，当暖季来临的时候，冻土表层的冰又会开始融化，土壤体积就会变小，地基变软，引起局部地面的下沉，导致地基塌陷。

许多冻土地区的路基病害，也都是由于冻土反复地冻胀和融沉变化引起的。

例如俄罗斯全长9446千米的贝加尔铁路，有2200千米的道路，都修建在了冻土层上，在运营多年后，该路线的病害率就高达40%。

还有我国东北地区修建在冻土地区的铁路线，也曾深受其害。在1962年，还曾发生因冻土层发生变化，路基在4小时内迅速下沉1.4米，导致机车掉道的事故。

再来看，全长1956公里青藏铁路，途中穿越的多年冻土层地段就长达550公里，占到了总长度的4分之一。据统计，青藏铁路85%的路基病害，都是由于冻土层融化引起的。

所以，如果不能解决冻土膨胀、融沉的问题，在长年的反复冻融作用下，耗费多年心血的青藏铁路工程，将会功亏一篑。冻土工程一度成为了世界性难题，许多国家都在着手研究，如何避免冻土层随温度变化发生改变的问题。

既然冻土融化是导致问题的关键，那解决方案就从温度入手，于是青藏铁路两旁的15000根热管，就此诞生。

热棒工作原理

热棒也叫无芯重力热管和两相封闭式虹吸管。热管是一根密封的管子，里面填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物质，只需要依靠工作液体的汽化和液化过程，就可以进行散热工作。

而且，热管的导热能力很强，甚至是铜和银导热能力的1000倍。一根直径为25毫米的热管，其导热能力就和一根直径2.7米的铜棒相当。我国青藏铁路使用的热管，是典型的低温热虹吸管，可以用于-60—80℃的环境中。

在冬季，热管可以有效散出600W以上的热量，而地面冻土层为热管传递的热量，其实也只在20—120W之间，完全超出了热管的使用需求。

可以说，热管不但能很好地增强冻土层路基的稳定性，而且热传递速度极快，非常适合用于巩固路基的。

一根热管由三部分组成，其两端分别是蒸发段和冷凝段，中间则是过渡的绝热段。只要温度超过变相温度，铁棒底部的工作介质就会汽化。

这时，在半真空热管内的气体受到气压作用，就会通过绝热段，迅速扩散上升，进入最上端的冷凝段，然后释放出热量后又凝结成为液体。

接着，气体凝结的液体受到重力的作用，又会沿热管再次回到蒸发段。无论如何放置热管，工作液体都会不断在气体和液体间，不断变化，管内热量就会传输出去。

高原“魔法棒”如何发挥作用

热管的使用方法也很简单，只需要将热管的散热段和绝热段插入土壤，冷凝段裸露在外，热管就可以发挥作用了。

所以，我们平时能看到的，只是热管的一小部分，整根热管全长可达7-8米，露出地面的其实只有2米左右，还有近三分之二埋藏在土壤之下。

在冬天，冻土层的温度会高于土层上方的环境温度，此时，热管就会吸收冻土层中的热量，管内的工作介质开始汽化，在蒸气压的作用下，蒸汽向上流动，热量也随之散出。

当到蒸汽到达冷凝段的时候，会因为气温的骤降遇冷凝结，在重力的作用下，凝结液再次回到底部的蒸发段，进行下一个循环。在反复的过程后，地下的热量就会被源源不断地传送到空气中，以此给土地降温。

我们在青藏铁路所看到的热棒，都是重力热管，这类热管只能将底部作为加热段，上端作为冷凝段。

所以在暖季，即使空气中的温度会高于冻土层，但因为热管内的液体，受到重力影响，全部堆积在热管底部，靠近空气一端的管道内，并没有液体，所以热管没有办法吸热，就不会出现热量反向导入冻土层，让冻土融化的情况。

简单来说，热管就是将土壤中的热量吸走，使地下的土体膨胀抬升，以此加固冻土的强度，减小铁路冻土路基在运行时的下沉。

热管的用途

除了寒冷的高原地区，热管的用途也十分广泛。

早在20世纪60年代，美国就开始对应用于冻土层的热管技术进行研究，而中国也从20世纪80年代，就开始研发和使用热棒技术，但全世界首次大规模应用热棒技术，就是在青藏铁路的建设上。

目前，热管技术已经运用到了民用建筑、公路工程、铁路工程、机场跑道、水库大坝等诸多工程。

例如，航天器在宇宙中，会因为过大的温差，影响到设备的安全，此时，热棒就发挥了极大作用。

当航天器面对太阳时，温度会立刻升高，但背阳一面的温度却极低，对航天器的影响极大。为了尽可能地保持两面温度的平衡，科研人员便将热管安装到了航天器中，让面对太阳的一面成为蒸发段，背对太阳那面则是凝结段。

于是，当热管吸收到太阳的热量后，就可以将热量传递到背阳的冷凝段，并在冷凝段释放热量后，再次回到蒸发段，这样就能实现航天器两侧温度的平衡，避免因为两侧温差多大，导致系统出现故障。

目前，在我国青藏铁路冻土层地区采用热管，不但有效保障了土层的稳定性，还避免了对环境造成的破坏。相信在未来，热管也会应用到更多的领域，推动工业工程的快速发展。