CN102426149A - 一种用于土壤水热耦合试验的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于土壤水热耦合试验的系统，包括水温控制装置、水压模拟升降平台、外环境控制箱和数据采集与处理装置；水温控制装置包括保温储水箱及制冷、加热温控设备；外环境控制箱包括温度控制模块、湿度控制模块、降雨喷淋装置和土槽试验模型，降雨喷淋装置设于土槽试验模型的上方；水压模拟升降平台包括自动升降装置、上游水箱、下游水箱和引流输运管道，储水箱的恒温液输送到上游水箱，上游水箱中的溢流水再返回储水箱，所述上游水箱还经由引流输运管道连接土槽试验模型；流经土槽试验模型的渗滤液经其出口端进入下游水箱。此种系统可极大地提高试验量测精度，减少人为因素所带来的测量误差，降低试验人员的工作强度。

Description

一种用于土壤水热耦合试验的系统

技术领域

 本发明涉及一种试验系统，特别是指一种对恒温水入渗下土壤内水热环境与交互机理进行有效测试分析的试验系统。

背景技术

 在农田土壤学、地下水科学、油气田开采以及地热资源开发利用等研究应用领域，准确预测和分析含温流体（水、水汽、石油等）在各种类型的多孔介质土壤中的对流与热扩散过程是科研工作者们要解决的主要问题之一。由于含温流体在饱和-非饱和带土壤中的热质传输过程极为复杂，并且缺乏对流体-热量-介质骨架相互之间的交互作用机理的深入认识，饱和-非饱和带土壤内水热耦合机理成为了各学科相关研究人员的研究重点和难点。现场野外试验环境的复杂性、多因素性和不可控性，更加加重了定量刻画水热耦合关系的难度。因此，在实验室尺度下开展实验，形成人工干预的环境水流特征将是有效的解决方法。然而，长期以来，由于缺乏对试验样品所处环境气温的有效控制，含温流体在长时间的试验时段中温控精度难以保证，以及试验装置的系统性和自动化程度较差等因素，严重地制约了科研工作者对土壤等多孔介质内流-固-热等多场多相理化特性的深入认识。因此，迫切需要有一套完整的水热耦合模拟实验系统，该系统装置需立足于水土介质所处的多物理场的真实背景，一方面能够满足准确分析饱和-非饱和土壤内水热耦合过程中各单一因素变量的影响，并对其它环境变量进行有效地控制的要求；另一方面，需要能够还原水土介质所处的真实理化环境，具备开展多因素环境变量交叉影响下的水热耦合过程分析的功能。

基于以上分析，本发明人试图研发一种满足前述要求的试验系统，本案由此产生。

发明内容

 本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种用于土壤水热耦合试验的系统，其可极大地提高试验量测精度，减少人为因素所带来的测量误差，降低试验人员的工作强度。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种用于土壤水热耦合试验的系统，包括水温控制装置、水压模拟升降平台、外环境控制箱和数据采集与处理装置；

水温控制装置包括保温储水箱及分别设于其内部的制冷温控设备和加热温控设备；

外环境控制箱包括温度控制模块、湿度控制模块、降雨喷淋装置和土槽试验模型，降雨喷淋装置设于土槽试验模型的上方；

水压模拟升降平台包括自动升降装置、上游水箱、下游水箱和引流输运管道，上游水箱和下游水箱均设于自动升降装置上，其中，储水箱的恒温液通过磁力泵输送到上游水箱，上游水箱中的溢流水再经另一磁力泵返回储水箱，所述上游水箱还经由引流输运管道连接土槽试验模型；流经土槽试验模型的渗滤液经其出口端进入下游水箱；

数据采集与处理装置包括相互连接的组合式信号巡检仪和计算机。

上述水温控制装置还包括固定于保温储水箱的箱盖上的搅拌器。

上述温度控制模块包括温控仪、压缩机组和热敏元件，热敏元件设于外环境控制箱中，其输出端连接温控仪，而温控仪的输出端连接设于外环境控制箱中的压缩机组。

上述湿度控制模块包括湿度控制器、湿度传感器和加湿器，湿度传感器设于外环境控制箱中，其输出端连接湿度控制器，湿度控制器根据接收湿度传感器的电信号，控制设于外环境控制箱中的加湿器的工作状态。

综上，本发明的技术方案是：基于高精度传感器和信号转换技术，从水温控制装置中引出高精度恒温水，通过压力升降平台和高效的保温管道引至土槽试验模型的进水端，含温水体通过试验土样之后，经过滤回到水箱并形成循环；试验土样中预置了用于采集土壤理化特性的敏感元件，各种敏感元件所采集的信号再通过信号转换成为计算机可识别信号，通过数据分析程序将信号实时显示和处理分析；试验过程中，土样模型整体置于温度和湿度可控的封闭环境试验箱内，保证水热耦合相互作用的过程中，外界环境始终处于稳定状态。

采用上述方案后，本发明在水温恒定控制精度，管路保温与模型无缝对接程度、环境模拟真实度以及数据采集与处理的自动化程度上，均比现有类似试验装置有很大的改进与提高。该装置对于试验土样，在恒定（或变化）水头、降雨、冷热水（或溶液）入渗条件下，试样土内饱和-非饱和区水-热迁移分布规律可以进行全自动水分、温度及浓度监测和数据采集处理。这种自动化的数据采集处理，极大地提高了试验量测精度，减少了人为因素所带来的测量误差，显著地降低了试验人员的工作强度。因此，本试验系统为饱和-非饱和土壤水热环境与交互机理进行有效测试分析提供了较为先进的试验手段。

附图说明

 图1是本发明的整体架构图；

图2是本发明具体实施例的结构示意图。

图中标号说明如下：

1-保温储水箱；2-抽水泵；3-冷却塔；4-微型升降机；5-上游水箱；6-外环境控制箱；7-下游水箱；8-土槽模型；9-传感器布置孔；10-组合式巡检仪；11-RS485通讯协议；12-计算机；13-冷却池；14-制冷加热装置；15-钢丝网；16-过滤网；17-储水箱进水管；18-节流阀；19-电磁阀；20-电动伺服放大器；21-水位控制仪；22-搅拌器；23-超声波水位测量仪；24、60-蒸发器；25-控冷温度传感器；26-热电阻丝；27-控热温度传感器；28-膨胀阀；29、58-过滤器；30、57-冷凝器；31-压缩机； 32、38、62-温控仪；33、37、55、67-继电器； 34、39、40-磁力泵； 35、36、41、42、46、51-控制阀； 43-回流保温管；44-保温硅胶管； 45-冷却池进水管； 47-过滤钢丝网；48-泄水控制阀；49-泄水口；50-降雨储水箱进水管； 52-降雨储水箱；53-降雨控制阀；54-降雨流量计；56-风冷式压缩机组；59-单向节流阀；61-多孔板；63-温度传感器；64-流量计；65-降雨模拟器；66-雾化器储水箱；68-水雾转化器；69-湿度控制仪；70-雾化导流管；71-湿度计； 72-双层保温引流管。

具体实施方式

 

以下将结合附图和具体实施例，对本发明的结构及工作过程进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种用于土壤水热耦合试验的系统，主要包括水温控制装置、水压模拟升降平台、外环境控制箱和数据采集与处理装置，以下分别介绍。

1）水温控制装置。它的主要作用在于能够为长时间的试验过程提供高精度的恒温水，要求在整个实验过程中，水温波动在±0.02℃。根据水热耦合试验的时间、流量及温度要求，保温储水箱体内的有效可用水容积应至少控制在300L以上，水温可调范围在1℃～100℃之间。储水箱内胆及盖板采用优质SUS304不锈钢，内部夹层空间采用高密度聚氨酯发泡充填，其发泡厚度保证在5cm。保温储水箱内设置两套温控设备，分别为制冷温控和加热温控，制冷功率控制在9KW，加热功率控制在8KW。为提高制冷效率，减小压缩机工作对相对封闭的试验场所环境的干扰，采用水冷式压缩机，并配套设置冷却塔和冷却水池。箱体水温设置采用数码显示控制器，该控制器具备设置温度和显示温度两个数码屏，PID温度调控，设置分辨率为0.01℃，显示分辨率为0.01℃。由于水箱体积较大，为保证箱体内温场均匀，特设置3个搅拌器，固定于箱盖上，搅拌器使箱体内温度不一致的水体形成良好的对流和充分的混合。此外，为避免因储水箱内水量不足而导致其中的钛合金蒸发器和镍铬合金电阻丝暴露于水面之外，采用超声波水位量测仪自动监测水箱液位，水位信号输入水位控制仪后，偏差信号再经过电动伺服放大器，进而控制安装于储水箱进水管之上的电磁阀，以实施全自动补水。为更为直观地观察水箱水量，在水箱外部设置PU管，以显示箱内液位高度。

2）水压模拟升降平台。这是为试验土槽的进出口端提供稳恒水位差的自动升降平台，它包含自动升降装置、上下游溢流水箱以及特制引流输运管道。水位差是形成土槽试验模型内部渗流的驱动力，是水热耦合试验中的关键影响因素之一。自动升降装置采用微型电动升降机为主体，将上、下游水箱分别固定在两台微型升降机平台上，以控制电动机转速达到升降水箱目的，上下游水箱液面之间有效水位差范围在0～3m，上、下游水箱容积分别为30L和15L。储水箱的恒温液通过采用无轴封设计的磁力泵输送到上游水箱，溢流水再经过磁力泵返回储水箱，形成循环。由于土壤内渗流速度较小，因此从上游水箱到土槽试验模型之间的引流管内流速极小，管道中水温极易受到外界环境的影响，为此，联合采用三种措施以保证引流管的出口端水温精度：                                                

上游水箱采用双层不锈钢制作，在夹层中采用聚氨酯发泡充填以形成致密的保温层，减小上游水箱水温受外界环境的干扰；

在上游水箱出水口加设不锈钢多孔网罩，以减小上游水箱内引流管进水端附近的温场波动；

加强从上游水箱到土槽试验模型之间的引流管的保温，采用夹层保温套管实施保温，其原理是利用无轴封设计的磁力水泵把储水箱内的高精度恒温水注入夹层，使夹层的恒温水一直保持循环状态，并在套管外包裹一层反光锡箔纸，以减少管道吸热。下游水箱主要以稳定下游水位为主，在溢流板的一侧内设置过滤网以截留沙颗粒，经过滤的水回流到冷却池。

3）外环境控制箱。它是用来控制土槽试验模型外界环境变量的试验箱，具备温、湿度控制、降雨模拟和光照辐射功能。采用风冷式小型压缩机组对箱体内气温实施温控，基本原理与空调作用原理一致，通过温控仪控制机组的启闭，以调节箱内温度，选用监测箱体气温的热敏元件识别精度要求在±0.5℃。湿度控制器通过接收湿度传感器的电信号，进而控制加湿器的工作状态，实现整个箱体的湿度均匀的要求，相对湿度精度需控制在±2%。土槽正上方设置三角型降雨喷淋装置，降雨装置采用常规PVC材质制作，三角底面按一定密度均匀布置下渗孔，孔直径为4mm。降雨水箱与三角形喷淋装置间设置有流量计和控制阀，以便控制和监控降雨量。

4）数据采集与处理装置。该装置为水热耦合试验提供分析数据，并对试验过程中的异常温度点进行实时监测、报警。包括预置在土槽中的各种传感器（水分传感器、温度传感器、压力传感器、流量计等）、模拟信号采集器、RS485通讯转换器以及计算机处理器。水热耦合试验过程中，土槽试验模型内根据土壤内热湿环境，分别对非饱和区进行孔隙压力、温度及含水量参数进行监测，对饱和区则进行温度、水压参数的监测。此外，土槽试验模型出口端的流量也是需要监测的重要参数。由于各种传感器输出的信号不一致，如常见的温度传感器（PT-100型）属于热电阻式，输出为毫安级别的电信号；水压传感器则输出电压信号并需配备12～24伏外接电源，鉴于信号的复杂性，为避免信号的相互干扰而影响数据的准确性，采用组合式信号巡检仪作为数据采集装置，各通道数据经RS485通讯协议统一转换为计算机可识别信号输入计算机。

再请参考图2所示，是本发明一种具体实施例的结构示意图，介绍如下：

1）采用内胆尺寸为120cm×60cm×50cm双层不锈钢水槽作为保温储水箱1，在夹层中采用聚氨酯发泡充填，充填厚度为5cm左右。设置容积为2m×2m×1m的砖砌冷却池13，冷却池13的中心设置不锈钢滤网47，对进入电动水泵2的冷却水进行杂质过滤；冷却池13设置进水管45和进水控制阀46，在离基底20cm高度处，设置泄水控制阀48和泄水口49；由于水热耦合试验中，水流场和温度场通常需要数小时的时间才能达到相对稳定的状态，因此试验周期长，用水量亦较大，为实现对水循环利用，进入储水箱1的水直接通过磁力泵34从冷却池13抽取，在流经储水箱进水管17后到达控制阀18，最终进入储水箱1。

制冷加热装置14由制冷系统和加热系统组成：制冷系统选用两台额定功率为5匹的水冷式压缩机31作为制冷源，其中蒸发器24放置于保温储水箱1内，材料采用钛合金；从压缩机31出来的高温高压气体进入到冷凝器30内，向冷却介质（此处采用水）放热后，冷凝成高压的液体，经过滤器29和膨胀阀28降压后变成低温低压的液体，该液体进入到蒸发器24内蒸发吸热变成低温低压的气体后被压缩机31吸入，压缩成高温高压的气体，并如此进行反复不断的循环。从冷凝器30吸热的水体被输到冷却塔3冷却后回到冷却池13。热电阻丝26采用镍铬合金，功率为8KW，热电阻丝26与蒸发器24平行布置于保温储水箱中心位置，但由于水箱体积较大，保证水箱内温场均匀是难题，为此需要加设搅拌器22加速箱体内水的对流速度：三个搅拌器22沿水箱中心剖面直线布置，搅拌器叶片应保证处于蒸发器24和热电阻丝26上方。制冷系统由控冷温度传感器25采集的信号输入温控仪32与设定温度比对之后，再将信号传输到继电器33以控制压缩机31的启闭；加热系统由控热温度传感器27采集的信号输入温控仪38与设定温度比对之后，再将信号传输到继电器37以控制热电阻丝26的工作与否，制冷系统和加热系统额定电压电流配置均为AC380V，35A；为保证压缩机31和热电阻丝26不出现空载和干烧现象，需要对储水箱1内水位加以控制，此处采用超声波水位量测仪23自动监测水箱液位，水位信号输入水位控制仪21后，偏差信号再经过电动伺服放大器20放大，进而控制安装于储水箱进水管17之上的电磁阀19，以实施全自动补水。为方便阶段性清理储水箱1内垢污，在水箱底部设置泄水阀35，水流经泄水管排至冷却池13内。

2）在开启控制阀36后，储水箱1内的水经设于保温硅胶管44上的磁力泵40的抽取，进入到位于微型升降机4升降平台之上的上游水箱5，水箱内设置溢流板以控制上游水位的恒定，流出水再经设于回流保温管43上的磁力泵39回流到储水箱1，并在回流保温管43与上游水箱5之间设有控制阀42，用于间接调节回流管43中的流量，由此可见，这种水循环系统使得上游水箱5内水体一直处于与储水箱1内流体快速交换的状态，形成了储水箱1的第二温场；这种“第二温场”的设置概念极大地保证了通过双层保温管道72而进入土槽试验模型8的水体水温与储水箱1内水温的一致性；上游水箱5采用经聚氨酯发泡充填的夹层不锈钢保温板制作，但不采用全封闭式的箱盖设计，为便于观察上游水箱5的水位和清理水箱，箱盖制作成可活动式箱体，箱体容积控制在30L，尺寸为50cm×20cm×30cm；此外，为增强第二温场的稳定性，在上游水箱5出水口加设不锈钢多孔网罩15，以减小上游水箱5内引流管进水端附近的温场波动，并采用夹层保温管道72加强从上游水箱5到土槽试验模型8之间的引流管的保温；流经土槽试验模型8的渗滤液经安装在其出口端的电磁流量计64后进入下游水箱7，下游水箱7主要以稳定下游水位为主，置于微型升降机4升降平台之上，容积为15L，尺寸为30cm×25cm×20cm，其结构与上游水箱5相似，有所不同的是在溢流板的一侧内设置水平过滤网16以截留沙颗粒，经过滤的水回流到冷却池13。在实验室空间高度满足条件下，上下游升降机的提升高度差控制在0～3.5m，可满足多组水位差试验要求。

3）外环境控制箱6有效容积尺寸设置为140cm×60cm×900cm，外框架采用高强度角钢，以便有足够的强度承受土槽模型的荷载；采用厚度为7cm的泡沫充填式夹层轻质铝箔板封闭，但其中一面采用门式保温真空钢化玻璃，便于观察。并在底部设置金属全刹车脚轮，以便移动和固定。采用3台风冷式小型压缩机组56对箱体内气温实施温控，从压缩机组56排出的高温高压气体进入到冷凝器57内被冷凝成高温高压的液体，经过滤器58和单向节流阀59后变成低温低压的液体，该液体进入到蒸发器60内蒸发吸热变成低温低压的气体后被压缩机组56吸入，压缩成高温高压的气体，从而形成封闭的循环，其基本原理与空调作用原理一致。通过温控仪62控制压缩机组56的启闭以调节箱内温度，温控仪62与压缩机组56通过继电器55连接在220伏交流电源上。用于监测箱体气温的温度传感器63选用PT100型，其识别精度在±0.1℃。

湿度控制器69通过接收湿度传感器71的电信号，进而控制水雾转化器68的工作状态，实现整个箱体的湿度均匀的要求，水雾转化器68从雾化器储水箱66内汲取水源雾化后，再经雾化导流管70输入多孔板61之下的实验操作空间内；土槽试验模型8正上方设置三角型降雨喷淋装置65，降雨装置采用常规PVC材质制作，三角底面按一定密度均匀布置下渗孔，孔直径为4mm。降雨储水箱52上有独立的进水管50和控制阀51，它与三角形喷淋装置之间则设置有流量计54和控制阀53，以便控制和监测降雨量，湿度控制器69和水雾转化器68通过继电器67连接在常规的220伏交流电源上。

4）数据的自动化采集与处理。待上游水箱5与保温储水箱1温场一致后，缓慢开启阀门41，将水流引入试验土槽一端开始试验。对于土壤水热耦合试验，土壤饱和带和非饱和带所需要监测的物理量有所不同，以饱和带水热耦合试验为例，至少需要对试验土样内的三个基本物理量：水压力、温度以及流经土柱试样的渗流量进行测试。在土槽试验模型8内设有多个传感器布置孔9，用于放置各种传感器，传感器输送的电流电压信号，采用组合式信号巡检仪10采集后，再经RS485通讯协议11统一转换为计算机可识别信号输入计算机12。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于土壤水热耦合试验的系统，其特征在于：包括水温控制装置、水压模拟升降平台、外环境控制箱和数据采集与处理装置；

水温控制装置包括保温储水箱及分别设于其内部的制冷温控设备和加热温控设备；

外环境控制箱包括温度控制模块、湿度控制模块、降雨喷淋装置和土槽试验模型，降雨喷淋装置设于土槽试验模型的上方；

水压模拟升降平台包括自动升降装置、上游水箱、下游水箱和引流输运管道，上游水箱和下游水箱均设于自动升降装置上，其中，储水箱的恒温液通过磁力泵输送到上游水箱，上游水箱中的溢流水再经另一磁力泵返回储水箱，所述上游水箱还经由引流输运管道连接土槽试验模型；流经土槽试验模型的渗滤液经其出口端进入下游水箱；

数据采集与处理装置包括相互连接的组合式信号巡检仪和计算机。

2.如权利要求1所述的一种用于土壤水热耦合试验的系统，其特征在于：所述水温控制装置还包括固定于保温储水箱的箱盖上的搅拌器。

3.如权利要求1所述的一种用于土壤水热耦合试验的系统，其特征在于：所述温度控制模块包括温控仪、压缩机组和热敏元件，热敏元件设于外环境控制箱中，其输出端连接温控仪，而温控仪的输出端连接设于外环境控制箱中的压缩机组。

4.如权利要求1所述的一种用于土壤水热耦合试验的系统，其特征在于：所述湿度控制模块包括湿度控制器、湿度传感器和加湿器，湿度传感器设于外环境控制箱中，其输出端连接湿度控制器，湿度控制器根据接收湿度传感器的电信号，控制设于外环境控制箱中的加湿器的工作状态。

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