CN103924548A - 一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，包括模型水库、空调主机、若干环形冷凝管、温度感应器和若干温度探头；其中，若干环形冷凝管从上至下均匀设置在模型水库底层，空调主机用于通过与其相连的各个环形冷凝管对模型水库底层的水进行制冷；温度感应器与空调主机相连接，用于实测模型水库底层水温，实现对空调主机的启动或停止的自动控制；若干温度探头分别置于模型水库底层水体，用于校核制冷后期等温层水体温度的均匀性。采用本发明的模拟装置形成的分层水体具有垂向分层稳定，同一水平面水温均匀，制冷速度快、能耗低、装置简单、实施方便，水体流场不受控温部件干扰等特点。

Description

一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置

【技术领域】

本发明属于湖泊水库水质污染控制领域，涉及分层湖泊水库中试研究，具体涉及一种基于自然传热的水库水温分层模拟装置。

【背景技术】

深水型湖泊水库水体温度具有明显的季节性沿深度成层分布的特点，一般夏季自上而下形成变温层、跃温层和等温层的典型水温分层结构，水温逐渐降低、密度逐渐增加，跃温层内温度梯度夏季可高达0.7℃/m左右。在分层湖库底层水体，溶解氧受跃温层浮阻力的作用而得不到补充，而各种微生物和化学作用则会使水中的溶解氧逐渐被消耗，当水中溶解氧浓度低于2mg/L时，底泥中的有机质、氮、磷、铁、锰会释放进入水体，形成湖库的内源污染。当季节更替导致表层与底层水温相近时，湖库易发生“翻库”现象，水质污染严重的等温层水体与中上部水体发生混合，污染整个湖库水质。内源污染使表层水体磷、氮含量增加，在夏秋季节水温、光照合适时，会引起藻类的大量繁殖和水体富营养化。水温分层是导致分层湖库水质内源污染和富营养化的重要诱因之一。由于缺乏能模拟实际分层湖库的装置，目前分层湖库内源污染和富营养化控制技术的研究基本都处于实验室静态机理研究和受限条件下的现场观测研究，致使湖库水质污染控制技术的应用效果难以在可控试验环境中进行实质性的系统研究。

目前涉及湖泊水库水温分层的主要模拟装置有三类。一是在模型水池内注入盐水和淡水形成类似于水温分层的密度分层水体，即淡咸水模拟装置；二是在模型水池内利用热水和冷水流入水槽形成一定的水温分层水体，即冷热水模拟装置；三是通过在模型水池上方用加热器使水体升温的方法形成一定的水温分层水体，即加热模拟装置。在淡咸水模拟装置内，利用盐、淡水组成的密度差通常仅能模拟两层，很难形成稳定的连续水温分层水体，不能真实地再现实际湖库水温沿水深的连续分布。在冷热水模拟装置内，利用热水、冷水流入水槽以形成水温分层，虽然能在一定条件下形成相对稳定的水温分层结构，但其对冷、热水输入系统的控制要求非常高。在加热模拟装置内，利用加热器升温虽然理论上在水平向密度流的作用下，热量能被水平传输，使等高面上的水温趋于均匀，但存在以下几个明显不足：1）受加热器性能的影响，水温分层空间分布的均匀性难以保证；2）底层水温多数条件下无法降低至实际分层湖库等温层的常见水温5℃左右，难以在任何季节都能进行与实际湖库水温分层条件相近的分层水环境试验；3）加热棒本身也会影响模型湖库内的水流状态。目前的水温分层模拟装置均存在各自的缺陷和不足，很难经济、有效、简便地形成不影响水流状态的，符合实际湖泊水库水温分布特点的稳定水温分层结构。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有水温分层模拟装置的不足，提供了一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，包括模型水库、空调主机、温度感应器、若干温度探头和若干环形空调冷凝管；其中，若干环形冷凝管从上至下设置在模型水库底层，空调主机用于通过与其相连的各个冷凝管对模型水库中的底层水体进行制冷；温度感应器与空调主机相连接，用于自动控制空调主机的开启或关闭；若干温度探头分别置于模型水库底层水体不同位置，用于测量等温层水体各处水温。

本发明进一步改进在于，还包括设置在模型水库底层的出流口。

本发明进一步改进在于，模型水库中环形冷凝管的数量为N-1个，其从上至下分别为第1层冷凝管、第2层冷凝管、……、第N-1层环形冷凝管，N-1层冷凝管通过支架支撑。

本发明进一步改进在于，模型水库中还设置有刻度尺。

本发明进一步改进在于，还包括缓冲水池，其通过进水槽与模型水库相连通。

本发明进一步改进在于，还包括水箱，其通过加水管以及设置在加水管上的水泵与缓冲水池相连通。

本发明进一步改进在于，还包括设置在加水管上的流量计，且流量计设置在靠近水泵出水口的一端。

本发明进一步改进在于，加水管上还设置有开关。

与现有技术相比，本发明的优点是：采用本发明的模拟装置形成的水温分层水体具有垂向水温分层稳定，同一水平面水温均匀，制冷速度快、能耗低、

装置简单、水体分层界面无物体干扰实验测量等特点。

【附图说明】

图1为本发明冷凝系统示意图；

图2是本发明一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置的结构示意图；

图3为本发明的不同室温下温度分层示意图；

图4为西安黑河金盆水库实际水温季节变化。

其中：1、水箱；2、加水管；3、水泵；4、流量计；5、刻度尺；6、第1层环形冷凝管；7、第2层环形冷凝管；8、第N-1层环形冷凝管；9、支架；10、模型水库；11、出流口；12、温度探头；13、温度感应器；14、空调主机；15、进水槽；16、缓冲水池；17、开关；18、测温仪主机。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，其核心思想是通过对模型水库底层水体制冷的方法，首先在模型水库底层形成等温层，然后利用自然传热机制，在模型水库内自上而下形成变温层、跃温层和等温层，即形成与实际湖泊水库类似的水温分层结构。

参照图2，本发明一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，包括水箱1、模型水库10、空调主机14、温度感应器13、若干温度探头12、缓冲水池16和若干环形空调冷凝管；其中，若干环形冷凝管从上至下设置在模型水库10底层，模型水库10底层根据实际分层型湖泊水库水温分布的特点，按比例在模型水库10中确定，即为模型水库10的等温层；空调主机14用于通过与其相连的各个冷凝管对模型水库10中的底层水体进行制冷；温度感应器13与空调主机14相连接，用于自动控制空调主机的开启或关闭；若干温度探头12分别置于模型水库底层水体不同位置，用于测量等温层水体各处水温，确保等温层水温各处相等。缓冲水池16通过进水槽15与模型水库10相连通。水箱1通过加水管2以及设置在加水管2上的水泵3与缓冲水池16相连通。在加水管2上设有流量计3，且流量计3设置在靠近水泵3出水口的一端。此外，加水管2上还设置有开关17。

其中，模型水库10中环形冷凝管的数量为N-1个，其从上至下分别为第1层冷凝管6、第2层冷凝管7、……、第N-1层环形冷凝管8，N-1层冷凝管通过支架9支撑。此外，在模型水库10中的还设有出流口11和刻度尺5。

为了对本发明一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置进一步了解，现对其工作原理做进一步详细说明。

参见图1，本发明核心思想是在模型水库底层做N-1层环形空调冷凝管对底层水体进行降温处理，当底层水体被制冷达到指定温度时，空调停止工作；当加底层水体温度高于指定温度时，空调开始工作。通过长时间的制冷，逐渐在模型水库底层形成水温较低的稳定等温层水体；在室温下利用自然传热，模型水库表层水温随着气温的变化而变化，在模型水库表层形成水温变化较小的变温层，在表层变温层和底层等温层之间形成温度和密度变化较为剧烈的跃温层，以近似模拟实际湖泊水库的水温分层结构。

参见图2，环形空调冷凝管对模型水库底层水体进行降温处理，当底层水体被制冷达到指定温度时，温度感应器13给空调主机14一个停机信号，空调主机14停止工作；当底层水体温度高于指定温度时，温度感应器13给空调主机14一个开机信号，空调主机14开始工作。直到模型水库下层水体温度达到指定要求。具体说明如下：

1）首先根据实际分层湖泊水库水温分布的特点，结合模型水库的规格（长L/m、宽B/m、高H/m），按一定比例确定模型水库底层等温层水体的所需高度h1（m），将模型水库底层高度为h1的等温层分为N层，相应均匀设置N-1层环形空调冷凝管，空调主机的功率视模型水库的规格确定。例如，模型水库底层等温层高度被确定为0.4m，沿水深方向将等温层分为4层，则需设置3层环形冷凝管，由低到高依次为第3层、第2层、第1层，距离库底的高度依次为0.1m、0.2m、0.3m。

2）根据分层湖泊水库的实际等温层水温，确定模型水库等温层所需的水温，设置温度感应器的指定温度值；在模型水库底层等温层水体中间放置温度感应器，温度感应器和空调主机组成联动系统，温度感应器对模型水库等温层中的水温进行实时监控，并及时给空调主机发出启动或关闭信号，空调主机自动启动或停止；温度感应器的控温精度为-0.5℃～+0.5℃，空调主机启停的控温范围为-1℃～+1℃。

3）模拟装置的具体工作程序为：开启空调主机，通过N-1个冷凝管对模型水库底层等温层水体进行降温处理，温度感应器实时测量等温层中部水层水体的温度，当等温层水体被制冷达到指定的温度时，温度感应器给空调主机发出一个关机信号，空调停止工作；当等温层水体温度高于预期的指定温度，温度感应器给空调主机发出一个开机信号，空调主机开始工作，如此不断重复循环，直至等温层水体水温均匀达到指定温度，模拟过程结束。长时间的制冷形成了水温较低的稳定等温层水体，室温下利用自然传热，表层水温随着气温的变化而变化，在表层一定范围内形成水温差别较小的变温层；在表层变温层和底部等温层之间，形成温度梯度很大的跃温层，以近似模拟实际水库的水温分层结构。

4）为了在确保制冷后期模型水库等温层水温各处均达到指定要求，当制冷一定时间以后，温度感应器实测的水体温度稳定达到指定温度时，在模型水库高度为h1的等温层水体中，水平方向均匀选定8个点，采用由4个温度探头组成的探头阵列分别测量各点处的垂向水温分布，如果模型水库等温层水体内各处水温均达到指定温度，模型水库等温层正式稳定形成。

5）采用该水温分层模拟装置，可以实现用户所要求的不同水温分层结构；在室温固定的情况下，可以通过设置温度感应器的不同温度，自然实现具有不同跃温层温度梯度的稳定水温分层结构；在设置温度感应器的固定温度的情况下，可以依据室温的季节性变化，自然实现具有不同跃温层温度梯度的稳定水温分层结构，便利地进行分层水体试验研究。

6）为使表层水体能够很好地和空气对流，缓冲水池16、模型水库10均为无盖水槽。

对比图3和图4，可以看出利用本发明的模拟装置，可以在可控的试验条件下，使模型水库水体达到较为稳定的，与实际湖泊水库水温分层结构类似的水温分层状态。

以往水温分层水体模拟装置，通常在水池内以盐淡水为介质形成两层的密度分布，或是在水池内利用热水或冷水流入水槽形成一定的水温分布，或是在水池内或外通过加热器加热水形成一定的水温分布，很难模拟与实际的湖泊水库类似的自然水温分布结构。本发明提供一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，将直接形成稳定的多层连续性水温分层水体，进行水温分层模拟实验。

本发明可根据需要，扩大或缩小模型水库尺寸，配置不同功率的空调主机，进行不同尺度条件下水温分层模拟实验的研究。本发明所说的基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，具有结构简单，易于实施，操作方便，功能丰富等优点，具有推广应用价值。

Claims (8)

1.一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，其特征在于，包括模型水库（10）、空调主机（14）、温度感应器（13）、若干温度探头（12）和若干环形空调冷凝管；其中，若干环形冷凝管从上至下设置在模型水库（10）底层，空调主机（14）用于通过与其相连的各个冷凝管对模型水库（10）中的底层水体进行制冷；温度感应器（13）与空调主机（14）相连接，用于自动控制空调主机的开启或关闭；若干温度探头（12）分别置于模型水库底层水体不同位置，用于测量等温层水体各处水温。

2.根据权利要求1所述的一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，其特征在于，还包括设置在模型水库（10）底层的出流口（11）。

3.根据权利要求1所述的一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，其特征在于，模型水库（10）中环形冷凝管的数量为N-1个，其从上至下分别为第1层冷凝管（6）、第2层冷凝管（7）、……、第N-1层环形冷凝管（8），N-1层冷凝管通过支架（9）支撑。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，其特征在于，模型水库（10）中还设置有刻度尺（5）。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，其特征在于，还包括缓冲水池（16），其通过进水槽（15）与模型水库（10）相连通。

6.根据权利要求5所述的一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，其特征在于，还包括水箱（1），其通过加水管（2）以及设置在加水管（2）上的水泵（3）与缓冲水池（16）相连通。

7.根据权利要求6所述的一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，其特征在于，还包括设置在加水管（2）上的流量计（3），且流量计（3）设置在靠近水泵（3）出水口的一端。

8.根据权利要求7所述的一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置，其特征在于，加水管（2）上还设置有开关（17）。