CN103147421A - 一种水温层化动态实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水温层化动态实验装置，其特征在于，所述水温层化动态实验装置包括外循环水池、位于所述外循环水池下游的多个内循环水箱、位于所述多个内循环水箱下游的分布式用水供给控制系统、位于所述分布式用水供给控制系统下游的实验水槽以及位于所述实验水槽下游的回水系统，所述水温层化动态实验装置可将加热后的水体循环利用，运行稳定可靠，能量消耗少，受外界干扰小，可大幅延长有效实验时间，可以用于深水水库的温度层化的模拟实验及相关改善措施的研究工作。

Description

一种水温层化动态实验装置

技术领域

本发明涉及一种水温层化动态实验装置。

背景技术

水库的修建带来了防洪、发电、灌溉、航运、水产养殖和旅游等一系列综合效益，但水库在发挥巨大社会经济效益的同时，对水质和生态环境也将产生一定的影响，水体温度即是其中一个重要的基础指标。水库蓄水后将改变原有天然河道水温的时空分布，特别是大型水库建成后，库区水体的水温参数、流动状态以及热量输运过程也随之发生改变，形成特有的水温分层分布特性，可能给下游的生态环境带来重大影响。为了充分发挥水利工程的综合效益，需要进行大量分析研究工作，分析水库建成后水温分布的影响因素和变化规律，准确预测水温的时空分布，以期采用合理的工程并采取一定的工程措施，把低温水下泄的不利影响降到最低限度。

为此，对水库库内水温分布进行室内实验显得异常重要，如高学平等人发明了水库水温分层模拟方法（申请(专利)号:CN201010119521.0），为静态水库水温分层的室内实验提供了方法和装置。但实际实验发现，该装置存在如下不足：1）实验装置只能模拟静止（无出流）状态下水库的温度分布，实际上的研究多需要分析不同工程措施下出水口温度，水流须循环；2）若将该装置直接加出水口，改制成循环装置，加热、稳定耗时较长，无法满足实验要求；不仅如此，外界环境对实验区的温度分布影响极大，实际有效实验时间过短；研究动水状态下水温的分布，水槽在实验时的稳定性应足够大且受外界干扰应足够小。因此需要发明一种新的实验装置，研究水温的层化及采取相应工程措施后动水作用下水温的分布及层化效应。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述缺点并且提供一种水温层化动态实验装置，所述水温层化动态实验装置可将加热后的水体循环利用，运行稳定可靠，能量消耗少，受外界干扰小，可大幅延长有效实验时间，可以用于深水水库的温度层化的模拟实验及相关改善措施的研究工作。

本发明涉及一种水温层化动态实验装置，其特征在于，所述水温层化动态实验装置包括外循环水池、位于所述外循环水池下游的多个内循环水箱、位于所述多个内循环水箱下游的分布式用水供给控制系统、位于所述分布式用水供给控制系统下游的实验水槽以及位于所述实验水槽下游的回水系统。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述多个内循环水箱在水平方向上依次呈阶梯状排布，并且每一个内循环水箱包括位于其一个侧面上的常温水注入孔和位于相对侧面上的水泵抽水孔和回水孔，所述常温水注入孔的位置在竖直方向上高于所述水泵抽水孔和回水孔的位置。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述分布式用水供给控制系统包括供水水泵、位于所述供水水泵下游的回水管道以及多个并联的供水管道，每一个供水管道上依次设置流量调节阀、流量计、自动感应开关以及温度传感器。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述实验水槽包括加热区、位于所述加热区下游的分层水体热交换区、位于所述分层水体热交换区下游的水体整流区、位于所述水体整流区下游的实验区、位于所述实验水槽上方的水槽顶盖以及位于所述水槽顶盖上方的水温保障系统。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述加热区包括分层加热系统，所述分层加热系统包括多个加热装置、温度控制装置以及水平分层隔板。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述多个并联的供水管道的数目小于或等于所述分层加热系统的层数。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述水槽顶盖与所述实验水槽中的水面间距为5-10cm，并且在所述加热区、分层水体热交换区、水体整流区和实验区之间的过渡之处具有气口。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述水温保障系统保障所述实验水槽中的表层水温与实验要求的表层水温相同。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述分层水体热交换区包括多个水平分层隔板，所述多个水平分层隔板具有孔洞。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述水体整流区包括多个水平分层隔板，并且所述多个水平分层隔板在接近所述实验区边缘处为翼形。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述分布式用水供给控制系统和所述实验水槽之间通过软管连接。

根据本发明的一个优选的具体实施方案，所述供水水泵与所述实验水槽位于不同区域从而保障所述供水水泵的震动不影响所述实验水槽。

本发明的有益效果是：所述水温层化动态实验装置可将加热后的水体循环利用，运行稳定可靠，能量消耗少，受外界干扰小，可大幅延长有效实验时间，可以用于深水水库的温度层化的模拟实验及相关改善措施的研究工作。

附图说明

图1是本发明的水温层化动态实验装置的示意图。

图2是本发明的水温层化动态实验装置中的实验水槽的示意图。

图3是本发明的水温层化动态实验装置中的多个内循环水箱的排布示意图。

图4是本发明的水温层化动态实验装置中的单个内循环水箱的结构示意图。

图5是本发明的水温层化动态实验装置中的分布式用水供给控制系统的示意图。

图6是本发明的水温层化动态实验装置中的具有孔洞的水平分层隔板的示意图。

具体实施方式

参考图1，其显示了本发明的水温层化动态实验装置的示意图，所述水温层化动态实验装置包括外循环水池1、位于所述外循环水池1下游的多个内循环水箱2、位于所述多个内循环水箱2下游的分布式用水供给控制系统3、位于所述分布式用水供给控制系统3下游的实验水槽11以及位于所述实验水槽下游的回水系统13。

参考图2，其显示了本发明的水温层化动态实验装置中的实验水槽的示意图，所述实验水槽11包括加热区4、位于所述加热区4下游的分层水体热交换区5、位于所述分层水体热交换区5下游的水体整流区6、位于所述水体整流区6下游的实验区7、位于所述实验水槽11上方的水槽顶盖28以及位于所述水槽顶盖28上方的水温保障系统27。所述加热区4包括分层加热系统10，所述分层加热系统10包括多个加热装置22、温度控制装置23以及水平分层隔板24。所述分层水体热交换区5和所述水体整流区6同样包括多个水平分层隔板24，然而位于所述分层水体热交换区5内的多个水平分层隔板24具有孔洞25，以促进不同层水体之间的热交换，使上下层水体间的水温连续分布，并且位于所述水体整流区6内的多个水平分层隔板24在接近所述实验区7边缘处为翼形26，以减少水平分层隔板24对水体的扰动。所述水温保障系统27保障所述实验水槽11中的表层水温与实验要求的表层水温相同，保障实验尽可能少受外界环境影响。所述水槽顶盖28与所述实验水槽11中的水面间距为5-10cm，并且在所述加热区4、分层水体热交换区5、水体整流区6和实验区7之间的过渡之处具有气口9，从而保障实验水槽11内的水流为无压流。回水系统13位于水槽出水口下方，以回收循环实验产生的温水，并采用回水水泵29将其抽到内循环水箱2，形成水流循环。将内循环水箱2中无法重复利用的温水通过管道返回外循环水池1，水体循环不足部分由外循环水池1补充。

参考图3和图4，其分别显示了本发明的水温层化动态实验装置中的多个内循环水箱的排布示意图以及本发明的水温层化动态实验装置中的单个内循环水箱的结构示意图，所述多个内循环水箱2在水平方向上依次呈阶梯状排布，并且每一个内循环水箱2包括位于其一个侧面上的常温水注入孔30和位于相对侧面上的水泵抽水孔31和回水孔32，所述常温水注入孔30的位置在竖直方向上高于所述水泵抽水孔31和回水孔32的位置。每个内循环水箱2从高温到低温连通排布，存储来自实验水槽11出水口来水的内循环水箱2的水温最高，其它内循环水箱2的水温由实验水槽11出水口来水与常温来水混合确定。

参考图5，其显示了本发明的水温层化动态实验装置中的分布式用水供给控制系统的示意图，所述分布式用水供给控制系统3包括供水水泵14、位于所述供水水泵14下游的回水管道19以及多个并联的供水管道18，每一个供水管道18上依次设置流量调节阀16、流量计17、自动感应开关15以及温度传感器21。分布式用水供给控制系统3通过供水水泵14分别与每个内循环水箱2连接。通过温度传感器20从高温内循环水箱2到低温内循环水箱2依次判断各个内循环水箱2内的水温是否低于供水层所需的温度，如果低于供水层所需的温度，则打开自动感应开关15，使供水水泵14抽水的内循环水箱2温度不大于所在层所需的温度，且在所有内循环水箱2中其与所需温度之间的温差最小。通过流量调节阀16调节抽水量，并通过流量计17读数，使每层的供水量都满足实验要求。供水水泵19提供的多余水量通过回水管道19返回内循环水箱2。多个并联的供水管道18分别通过软管21连接至分层加热系统10且其数目小于或等于所述分层加热系统10的层数。软管21保证实验水槽11不受供水管道18震动的影响。此外，供水水泵14及回水水泵29与所述实验水槽11位于不同区域从而保障所述供水水泵14及回水水泵29的震动不影响所述实验水槽11。

参考图6，其显示了本发明的水温层化动态实验装置中的具有孔洞的水平分层隔板的示意图，这种具有孔洞25的水平分层隔板24位于分层水体热交换区5内，以促进不同层水体之间的热交换，使上下层水体间的水温连续分布。

实施例

在实验前，先根据模型相似准则，模型水库的表底温差应与实际水库相等，确定实验水槽11内水温初始分布、分层层数及表层最高加热温度，例如需要模拟的水库表底温差为10℃，室内正常水温为18℃，则水槽表层水体的温度应为28℃，若分层加热系统10有5层且在竖直方向上等距排布，则根据实验要求的温度分布，由温度控制装置23设置的温度从上到下依次为：28℃，25℃，22℃，20℃，19℃，最低层为常温18℃，同时将水槽顶盖28上的水温保障系统27的温度设为28℃；根据实验要求，模型出水流量为5L/s，则根据明渠水流的流速分布特征，注入加热系统各层的流量近似相等，即每层都为1L/s；先将分层加热系统10的电源打开，使低温水加热，预热后，将循环水泵打开，使水体先从外循环水池1抽出，注入分层加热系统10进行加热，在分层水体热交换区5使竖直方向上的温度连续分布，后经整流区6过渡后进入实验区7。实验后经混合温水进入回水系统13，经回水水泵29抽取送入内循环水箱2，通过分布式用水供给控制系统3为分层水体热交换区5供水，并调整各流量调节阀16，使各流量计17的读数为1L/s。待循环系统稳定后（各层流量、水温分布满足实验要求），即可在实验区7进行相关实验，分析现有工况下温度的分布情况。

若需要研究其它工况，只需要适当调整分层加热系统10的温度控制装置23的控制温度以及进入各加热层的流量，待工况稳定即可。实际操作发现，在所述的工况下，分层加热系统10单层功率为5kw的情况下，仅需要10分钟左右的时间系统即可达到平衡状态，达到平衡后，分层加热系统10仅是断续开启，所述装置可起到较好的节能作用。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落入本发明要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种水温层化动态实验装置，其特征在于，所述水温层化动态实验装置包括外循环水池、位于所述外循环水池下游的多个内循环水箱、位于所述多个内循环水箱下游的分布式用水供给控制系统、位于所述分布式用水供给控制系统下游的实验水槽以及位于所述实验水槽下游的回水系统。

2.根据权利要求1所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述多个内循环水箱在水平方向上依次呈阶梯状排布，并且每一个内循环水箱包括位于其一个侧面上的常温水注入孔和位于相对侧面上的水泵抽水孔和回水孔，所述常温水注入孔的位置在竖直方向上高于所述水泵抽水孔和回水孔的位置。

3.根据权利要求1所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述分布式用水供给控制系统包括供水水泵、位于所述供水水泵下游的回水管道以及多个并联的供水管道，每一个供水管道上依次设置流量调节阀、流量计、自动感应开关以及温度传感器。

4.根据权利要求3所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述实验水槽包括加热区、位于所述加热区下游的分层水体热交换区、位于所述分层水体热交换区下游的水体整流区、位于所述水体整流区下游的实验区、位于所述实验水槽上方的水槽顶盖以及位于所述水槽顶盖上方的水温保障系统。

5.根据权利要求4所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述加热区包括分层加热系统，所述分层加热系统包括多个加热装置、温度控制装置以及水平分层隔板。

6.根据权利要求5所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述多个并联的供水管道的数目小于或等于所述分层加热系统的层数。

7.根据权利要求4所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述水槽顶盖与所述实验水槽中的水面间距为5-10cm，并且在所述加热区、分层水体热交换区、水体整流区和实验区之间的过渡之处具有气口。

8.根据权利要求4所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述水温保障系统保障所述实验水槽中的表层水温与实验要求的表层水温相同。

9.根据权利要求4所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述分层水体热交换区包括多个水平分层隔板，所述多个水平分层隔板具有孔洞。

10.根据权利要求4所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述水体整流区包括多个水平分层隔板，并且所述多个水平分层隔板在接近所述实验区边缘处为翼形。

11.根据权利要求1所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述分布式用水供给控制系统和所述实验水槽之间通过软管连接。

12.根据权利要求3所述的水温层化动态实验装置，其特征在于，所述供水水泵与所述实验水槽位于不同区域从而保障所述供水水泵的震动不影响所述实验水槽。

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