CN104964994B - 双箱异步式混凝土冻融试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双箱异步式混凝土冻融试验装置及试验方法，所述装置包括两个冻融试验箱、双箱间的防冻液循环交换系统、双箱分别加热冷却系统、自动控制系统和存储系统；双箱间的防冻液循环交换系统通过交换管道分别与两个冻融试验箱连接，双箱分别加热冷却系统通过加热和冷却管道分别与两个冻融试验箱连接；两个冻融试验箱内均装有温度传感器，根据接收到的温度，自动控制系统分别控制交换管道、加热和冷却管道与两个冻融试验箱的连接或断开。本发明通过自动控制系统使两个冻融试验箱分别处于冻和融的不同运行状态，循环往复，异步运行，在同等试验量时的能量消耗约为单一试验箱装置的30‑35％，具有低能耗、低噪音的特点。

Description

双箱异步式混凝土冻融试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土冻融试验装置，具体是一种双箱异步式混凝土冻融试验装置及试验方法。

背景技术

混凝土的抗冻性能是评价混凝土长期耐久性指标的一个重要内容，在重要的混凝上工程中，每一个有抗冻要求的混凝土配比几乎都需要进行抗冻性能检测(包括配比设计和施工抽检)，因此每年有大量的抗冻试验要做。混凝土抗冻试验设备就是用于检验混凝土抗冻性能的试验设备，主要包括混凝土快速冻融试验设备、混凝土慢速冻融试验设备和混凝土单边冻融试验设备，其中应用最普遍的是混凝土快速冻融试验设备。

现有的混凝土快速冻融试验设备均采用单一冻融试验箱的结构形式，如图1所示，混凝土快速冻融试验设备分为室内运行主设备和室外散热设备两部分，冷凝放热器1一般放置在室外作为室外机部分，由于散热量比较大，通常采用室外散热水塔(或室外大型风冷设备)的方式进行散热。试验时将混凝土抗冻试件放入橡胶试件盒5，再将橡胶试件盒5放入冻融试验箱A6中，打开电源，在自动控制系统12的指令下，控制压缩机2和加热器4分别运行，通过制冷和加热防冻液，使管路中的防冻液分别处于制冷循环和加热循环状态，从而实现冻融试验箱A6内(包括防冻液和箱内物体)的冷热循环。混凝上快速冻融试验设备的国内标准的一次冻融循环历时一般2.5～4.0h，试件中心温度上下限一般分别控制在-18±2℃和5±2℃，防冻液的温度上下限一般分别控制在-25～-23℃和10～15℃。混凝土抗冻试件的尺寸为100mm×100mm×400mm，一般情况下，一组试件为三块。从上述国内标准中的温控范围和冻融循环历时短的要求看来，采用单一冻融试验箱整箱进行制冷和加热运行时的功率和能耗都是比较大的。

在JG/T 243-2009《混凝土抗冻试验设备》中，将混凝土快速冻融试验设备按公称容量分为三个档次：3组、5组和9组，且有要求“公称容量为9组、5组和3组的快速冻融试验设备的满载最大运行功率分别不应超过11kW、6kW和4kW，且满载运转时，每个冻融循环的耗电量分别不应超过33kWh、18kWh和12kWh”。该要求主要是受到试验室供电功率的限制，混凝土快速冻融试验设备的最大试件容量一般不超过9组，再大容量的设备需要特殊定制，并有特定供电保证。下面以某公司生产的公称容量为9组的混凝土快速冻融试验设备为例，举例说明混凝土快速冻融试验设备的能耗情况，该设备为单一冻融试验箱结构，其经历冷热温度循环的主要包括以下几部分：1)冻融试验箱容纳的9组试件，总重约为270kg(每个试件约10kg)；2)防冻液，重约120kg；3)橡胶试验盒(包含盒内的介质水)和不锈钢支架，重约60kg；4)试验箱内壁和部分循环管路，详细重量不详，低估按20kg计。在冻融循环的过程中，2、3、4部分(总重约200kg)全部经历防冻液温度上下限的温度循环，1部分总体约270kg经历稍低于防冻液温度上下限的温度循环。混凝土快速冻融试验设备消耗的大量电能就用于1、2、3、4部分的快速冷热循环过程中，该设备1天若进行8个冻融循环需要消耗两百多度电。

此外，混凝土快速冻融试验设备的噪音污染也是比较严重的。在JG/T 243-2009《混凝土抗冻试验设备》中还提到混凝土快速冻融试验设备满载运转的工作噪声不应大于70dB(A)。噪音主要来源于两个部位：大功率制冷压缩机和室外散热水塔(或室外大型风冷设备)。大功率制冷压缩机的噪音由于设备功率较大，运行噪音很大，很难降低，解决办法是尽量选用质量好噪音低的压缩机，必要时还需进行封闭降噪及其他降噪措施，若能降低功率消耗而使用功率较低的压缩机也可以降低部分噪音。室外散热水塔(或室外大型风冷设备)也是噪音的主要来源之一，其解决办法也是尽量选用质量好噪音低的风扇电机(这样成本会增加很多)，必要时还需进行封闭降噪及其他降噪措施，若能降低功率消耗而使用功率较低的风扇电机也可以降低部分噪音。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低能耗、低噪音的双箱异步式混凝土冻融试验装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双箱异步式混凝土冻融试验装置，采用了双冻融试验箱的结构形式，所述装置包括两个冻融试验箱、双箱间的防冻液循环交换系统、双箱分别加热冷却系统、自动控制系统和存储系统；所述两个冻融试验箱分别称作冻融试验箱A、冻融试验箱B；所述双箱间的防冻液循环交换系统通过交换管道分别与冻融试验箱A、冻融试验箱B连接，所述双箱分别加热冷却系统通过加热和冷却管道分别与冻融试验箱A、冻融试验箱B连接；所述两个冻融试验箱内均安装有温度传感器，根据接收到的温度数据，所述自动控制系统分别控制双箱间的防冻液循环交换系统的交换管道、双箱分别加热冷却系统的加热和冷却管道与两个冻融试验箱的连接或断开；存储系统用于存储自动控制系统接收到的温度数据和时间数据。

一种利用所述的双箱异步式混凝土冻融试验装置的试验方法，通过自动控制系统使两个冻融试验箱分别处于冻和融的不同运行状态，循环往复，异步运行。

作为本发明进一步的方案：异步运行时的能量交换主要包括两个过程：

第一个过程，当两个冻融试验箱异步运行到循环转换时，一个冻融试验箱处于高温状态，另一个冻融试验箱处于低温状态，通过双箱间的防冻液循环交换系统直接使两个冻融试验箱内的防冻液进行能量相互交换，从而达到对两个冻融试验箱分别制冷、加热的效果，直到两个冻融试验箱内的防冻液温度接近时为止。在这一过程中，高温防冻液和低温防冻液的温度都得到了利用，避免了这一部分原来需要电制冷和电加热的能量消耗。仅这部分节约的能量就达到了同条件单一试验箱能量消耗的50％以上，极大的降低了能源消耗。

第二个过程，当前面过程中两个冻融试验箱内的防冻液温度接近时，断开双箱间的防冻液循环交换系统的交换管路，启动双箱分别加热冷却系统，利用双箱分别加热冷却系统产生的冷能量和副产品热能量分别对两个冻融试验箱中需要继续降温的冻融试验箱进行制冷，对两个冻融试验箱中需要继续升温的冻融试验箱进行加热，直至需要降温的冻融试验箱降温至设定温度成为低温箱，需要升温的冻融试验箱升温到设定温度成为高温箱。在这一过程中，制冷系统产生的副产品热能量得到了利用，不再被白白浪费。

与现有技术相比，本发明的节能效果显著。与传统采用单一冻融试验箱不同，本发明采用了双冻融试验箱的结构形式，通过自动控制系统使两个冻融试验箱分别处于冻和融的不同运行状态，异步运行，能够使系统体系内的能源交换和利用更充分，从而达到大量节约能源的目的。

本发明的优点：

(1)实现了系统体系内的能源交换和利用，节约能源，在同等试验量时的能量消耗仅为同类现有的单一试验箱装置的30～35％；

(2)能突破原来供电限制下的设备容量，可以建造更大容量的设备；

(3)降低造价和减少设备体积，由于能量消耗的减少和制冷设备废热的利用，可以大大缩小或取消原制冷设备的室外水塔或室外大型风冷设备；

(4)能耗的减少促进了设备的小型化，进而降低设备噪音，改善运行环境。

附图说明

图1是现有的混凝土快速冻融试验设备的结构示意图；

图2是双箱异步式混凝土冻融试验装置的结构框图；

图3是双箱异步式混凝土冻融试验装置的冻融循环运行第一个步骤/第三个步骤的示意图；

图4是双箱异步式混凝土冻融试验装置的冻融循环运行第二个步骤的示意图；

图5是双箱异步式混凝土冻融试验装置的冻融循环运行第四个步骤的示意图；

图中：1-冷凝放热器、2-压缩机、3-蒸发制冷器、4-电加热器、5-橡胶试件盒、6-冻融试验箱A、7-循环泵A、8-膨胀阀、9-电磁阀、10-过滤器、11-贮液罐、12-自动控制系统、13-冻融试验箱B、14-阀门A、15-阀门B、16-循环泵B、17-阀门C、18-阀门D、19-循环泵C、20-循环泵D、21-第一管道、22-第二管道、23-第三管道、24-第四管道、25-混合交换器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2～5，本发明实施例中，双箱异步式混凝土冻融试验装置，采用了双冻融试验箱的结构形式，其装置包括两个冻融试验箱、双箱间的防冻液循环交换系统、双箱分别加热冷却系统、自动控制系统和存储系统；两个冻融试验箱分别称作冻融试验箱A6、冻融试验箱B13；双箱间的防冻液循环交换系统通过交换管道分别与冻融试验箱A6、冻融试验箱B13连接，双箱分别加热冷却系统通过加热和冷却管道分别与冻融试验箱A6、冻融试验箱B13连接；两个冻融试验箱内均安装有温度传感器，根据接收到的温度数据，自动控制系统12分别控制双箱间的防冻液循环交换系统的交换管道、双箱分别加热冷却系统的加热和冷却管道与两个冻融试验箱的连接或断开；存储系统作为自动控制系统12的辅助系统，用于存储自动控制系统12接收到的温度数据和时间数据。

双箱间的防冻液循环交换系统包括第一管道21、阀门A14、第二管道22、阀门B15、第三管道23、循环泵A7、第四管道24、循环泵B16和混合交换器25，具体结构为：冻融试验箱A6一侧的出口通过第一管道21与混合交换器25连接，冻融试验箱A6一侧的进口通过第三管道23与混合交换器25连接，冻融试验箱B13一侧的出口通过第二管道22与混合交换器25连接，冻融试验箱B13一侧的进口通过第四管道24与混合交换器25连接，循环泵A7设置在第一管道21上，循环泵B16设置在第二管道22上，阀门A14设置在第三管道23上，阀门B15设置在第四管道24上。

双箱分别加热冷却系统包括蒸发制冷器3、冷凝放热器1、压缩机2、过滤器10、贮液罐11、磁阀9等部件。冷凝放热器1的进液端与需要加热的冻融试验箱A6或冻融试验箱B13的出口连接，冷凝放热器1的出液端通过循环泵C19和阀门C17与需要加热的冻融试验箱A6或冻融试验箱B13的进口连接；蒸发制冷器3的进液端与需要制冷的冻融试验箱A6或冻融试验箱B13的出口连接，蒸发制冷器3的出液端通过循环泵C19和阀门C17与需要制冷的冻融试验箱A6或冻融试验箱B13的进口连接。

一种利用所述的双箱异步式混凝土冻融试验装置的试验方法，在进行混凝土冻融试验过程时，通过自动控制系统12使冻融试验箱A6或冻融试验箱B13分别处于冻和融的不同运行状态，循环往复，异步运行。

整个装置的循环运行可分成四个步骤：

第一个步骤，假设此时处于循环转换状态，冻融试验箱A6内的防冻液处于低温状态，冻融试验箱B13内的防冻液处于高温状态。断开双箱分别加热冷却系统的管路，启动双箱间的防冻液循环交换系统，如图3所示，冻融试验箱A6内的冷防冻液通过循环泵A7抽至混合交换器25内，冻融试验箱B13内的热防冻液通过循环泵B16抽至混合交换器25内，混合交换器25内的来自冻融试验箱A6的冷防冻液与来自冻融试验箱B13的热防冻液进行能量交换，经过能量交换后的防冻液一部分通过阀门A14和第三管道23流回冻融试验箱A6内，另一部分通过阀门B15和第四管道24流回冻融试验箱B13内，冻融试验箱A6内的防冻液逐渐升温，冻融试验箱B13内的防冻液逐渐降温，依次循环，直至冻融试验箱A6和冻融试验箱B13内防冻液的温度接近，第一个步骤结束。

第二个步骤，断开双箱间的防冻液循环交换系统的交换管路，启动双箱分别加热冷却系统，如图4所示，利用蒸发制冷器3产生的冷能量给需要继续降温的冻融试验箱B13进行降温，制冷副产品的废热通过冷凝放热器1给另一个需要继续升温的冻融试验箱A6进行升温，直至冻融试验箱A6升温到设定温度成为高温箱，冻融试验箱B13降温到设定温度成为低温箱。此时，冻融试验箱A6和冻融试验箱B13又处于循环转换状态。

第三个步骤，断开双箱分别加热冷却系统的管路，启动双箱间的防冻液循环交换系统，亦如图3所示，类似于第一个步骤，给变成高温箱的冻融试验箱A6降温，给变成低温箱的冻融试验箱B13升温，直至冻融试验箱A6和冻融试验箱B13内防冻液的温度接近。

第四个步骤，断开双箱间的防冻液循环交换系统的交换管路，启动双箱分别加热冷却系统，类似于第二个步骤，如图5所示，利用蒸发制冷器3产生的冷能量给需要继续降温的冻融试验箱A6进行降温，制冷副产品的废热通过冷凝放热器1给另一个需要继续升温的冻融试验箱B13进行升温，直至冻融试验箱A6降温到设定温度成为低温箱，冻融试验箱B13升温到设定温度成为高温箱。此时，冻融试验箱A6和冻融试验箱B13又处于循环转换状态，即回到了第一个步骤前的状态。

本发明异步运行时的能量交换主要分为两部分：(一)冻融试验箱A6和冻融试验箱B13内的冷、热防冻液相互交换；(二)双箱分别加热冷却系统产生的冷能量给其中一个冻融试验箱内的防冻液降温时，双箱分别加热冷却系统的废热给另一个冻融试验箱内的防冻液加温。

本发明的优点：

(1)实现了系统体系内的能源交换和利用，节约能源，在同等试验量时的能量消耗仅为同类现有的单一试验箱装置的30～35％；

(2)能突破原来供电限制下的设备容量，可以建造更大容量的设备；

(3)降低造价和减少设备体积，由于能量消耗的减少和制冷设备废热的利用，可以大大缩小或取消原制冷设备的室外水塔或室外大型风冷设备；

(4)能耗的减少促进了设备的小型化，进而降低设备噪音，改善运行环境。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.双箱异步式混凝土冻融试验装置，采用了双冻融试验箱的结构形式，其特征在于，所述装置包括两个冻融试验箱、双箱间的防冻液循环交换系统、双箱分别加热冷却系统、自动控制系统和存储系统；所述两个冻融试验箱分别称作冻融试验箱A、冻融试验箱B；所述双箱间的防冻液循环交换系统通过交换管道分别与冻融试验箱A、冻融试验箱B连接，所述双箱分别加热冷却系统通过加热和冷却管道分别与冻融试验箱A、冻融试验箱B连接；所述两个冻融试验箱内均安装有温度传感器，根据接收到的温度数据，所述自动控制系统分别控制双箱间的防冻液循环交换系统的交换管道、双箱分别加热冷却系统的加热和冷却管道与两个冻融试验箱的连接或断开；存储系统用于存储自动控制系统接收到的温度数据和时间数据；

其中，利用该试验装置进行试验的方法如下，通过自动控制系统使两个冻融试验箱分别处于冻和融的不同运行状态，循环往复，异步运行，异步运行时的能量交换主要包括两个过程：

第一个过程，当两个冻融试验箱异步运行到循环转换时，一个冻融试验箱处于高温状态，另一个冻融试验箱处于低温状态，通过双箱间的防冻液循环交换系统直接使两个冻融试验箱内的防冻液进行能量相互交换，从而达到对两个冻融试验箱分别制冷、加热的效果，直到两个冻融试验箱内的防冻液温度接近时为止；

第二个过程，当前面过程中两个冻融试验箱内的防冻液温度接近时，断开双箱间的防冻液循环交换系统的交换管路，启动双箱分别加热冷却系统，利用双箱分别加热冷却系统产生的冷能量和副产品热能量分别对两个冻融试验箱中需要继续降温的冻融试验箱进行制冷，对两个冻融试验箱中需要继续升温的冻融试验箱进行加热，直至需要降温的冻融试验箱降温至设定温度成为低温箱，需要升温的冻融试验箱升温到设定温度成为高温箱。