CN106841286B - 一种混凝土与冷却水管换热试验方法 - Google Patents

一种混凝土与冷却水管换热试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混凝土与冷却水管换热试验方法。本发明的试验原理简单，具备可操作性，通过改变热流强度、改变水管材质得到混凝土试块与冷却水管的换热效率，以期通过对试验结果分析研究，从中寻求换热系数与热流变化、材料常物性等因素的一般性规律，以便建立换热系数计算模型，弄清混凝土与冷却水管在试验期全过程的换热行为，为今后对相同水管的应用进行仿真研究时提供关键参数。

Description

一种混凝土与冷却水管换热试验方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土与冷却水管换热试验方法。
背景技术
混凝土是热性材料，浇筑后由于水泥水化放热反应，温度不断上升，内部最高可达30℃～70℃；它同时又是惰性材料，内部热量散失迟于表面，形成了内部温度高于表面的情形。过大的基础温差和内外温差的存在均易导致混凝土的开裂，因此从根本上防止混凝土裂缝出现就是及时地将其内部的热量导出，其中水管冷却技术是一种行之有效的混凝土内部降温方法，其中水管冷却效率一定程度上取决于水管与混凝土的热交换能力，通常由换热系数表征，同时该系数也是水管冷却混凝土数值仿真的关键参数，其精度直接决定了仿真计算的精度。但换热系数目前仍由经验确定，尚缺乏有效的试验手段来获取。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种混凝土与冷却水管换热试验方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种混凝土与冷却水管换热试验方法，包括以下步骤：
(1)制作多棱柱混凝土试块，多棱柱混凝土试块的棱数为n，n≥5，在试块中间设有冷却水水管Ⅰ，冷却水管Ⅰ的两端伸出混凝土试块；
(2)多棱柱混凝土试块有n个面，每个面沿长度方向分为4个区域，分别为A区、B区、C区和D区，在每个面对应的每个区域上设置有薄膜加热器；
(3)在冷却水管Ⅰ的内壁和外壁上、多棱柱混凝土试块内均设有贴片式热电偶，贴片式热电偶沿着冷却水管Ⅰ呈环形辐射均匀设置，贴片式热电偶与中央处理器配套使用；
(4)将多棱柱混凝土试块和冷却水管Ⅰ放置在试验箱内；
(5)将多棱柱混凝土试块的n个面和每个面上4个区域的薄膜加热器的加热情况进行随机组合，薄膜加热器的加热温度在设定范围内进行变化，由贴片式热电偶测得各点的温度值，得出各点混凝土试块与冷却水管Ⅰ的换热效率；
(6)制作多棱柱混凝土试块，在试块中间设有与冷却水水管Ⅰ材质不同的冷却水水管Ⅱ，重复上述步骤，得出各点混凝土试块与冷却水管Ⅱ的换热效率；
(7)将步骤(5)和步骤(6)中得出的换热效率进行回归分析，得到混凝土试块与冷却水管的换热效率模型。
所述多棱柱混凝土试块的外表面设有石棉层，石棉层与试验箱内壁之间设有聚四氟乙烯隔层，冷却水管Ⅰ伸出的两端外表面设有聚四氟乙烯隔层，试验箱内剩余的空隙内填充细沙。
所述薄膜加热器的加热温度为30℃～70℃。
所述冷却水管Ⅰ为铁管，冷却水水管Ⅱ为HDPE管。
所述试验箱是由玻璃纤维板制成的，试验箱设置在支撑座上。
所述多棱柱混凝土试块为五棱柱混凝土试块，五棱柱混凝土试块有5个面，分别为Ⅰ面、Ⅱ面、Ⅲ面、Ⅳ面和Ⅴ面。
本发明的试验原理简单，具备可操作性，通过改变热流强度、改变水管材质得到混凝土试块与冷却水管的换热效率，以期通过对试验结果分析研究，从中寻求换热系数与热流变化、材料常物性等因素的一般性规律，以便建立换热系数计算模型，弄清混凝土与冷却水管在试验期全过程的换热行为，为今后对相同水管的应用进行仿真研究时提供关键参数。
附图说明
图1是本发明的试验装置结构示意图。
图2是图1的A-A截面图。
具体实施方式
如图1～图2所示的混凝土与冷却水管换热试验方法，包括以下步骤：
(1)制作多棱柱混凝土试块6，多棱柱混凝土试块6的棱数为n，n≥5，在试块中间设有冷却水水管Ⅰ7，冷却水管Ⅰ7的两端伸出混凝土试块；
(2)多棱柱混凝土试块6有n个面，每个面沿长度方向分为4个区域，分别为A区、B区、C区和D区，在每个面对应的每个区域上设置有薄膜加热器5，通过薄膜加热器5对混凝土试块进行加热；
(3)在冷却水管Ⅰ7的内壁和外壁上、多棱柱混凝土试块6内均设有贴片式热电偶1，贴片式热电偶1沿着冷却水管Ⅰ7呈环形辐射均匀设置，贴片式热电偶1与中央处理器配套使用，可直接测量液体和固体温度，中央处理器可以为安装有配套软件的计算机；
(4)将多棱柱混凝土试块6和冷却水管Ⅰ7放置在试验箱8内，试验箱8是由玻璃纤维板制成的能够起到固定混凝土试块和冷却水管以及隔绝它们与外部环境的热交换的作用，试验箱8设置在支撑座2上；
(5)将多棱柱混凝土试块6的n个面和每个面上4个区域的薄膜加热器5的加热情况进行随机组合，薄膜加热器5的加热温度在设定的30℃～70℃范围内进行上下缓慢变化，由贴片式热电偶1测得各点的温度值，得出各点混凝土试块与冷却水管Ⅰ7的换热效率；
(6)制作多棱柱混凝土试块6，在试块中间设有与冷却水水管Ⅰ材质不同的冷却水水管Ⅱ，重复上述步骤，得出各点混凝土试块与冷却水管Ⅱ的换热效率；
(7)将步骤(5)和步骤(6)中得出的换热效率进行回归分析，得到混凝土试块与冷却水管的换热效率模型。
所述多棱柱混凝土试块6的外表面设有石棉层4，用于绝缘、保温，石棉层4与试验箱8内壁之间设有聚四氟乙烯隔层3，起到绝缘的作用，冷却水管Ⅰ7伸出的两端外表面设有聚四氟乙烯隔层3，试验箱8内剩余的空隙内填充细沙9，用于固定隔热。
通过上述试验，能够得到在非均匀热流强度下，水管管壁与混凝土试块的实际换热效率，换热效率公式为：式中，hj,i为混凝土测点j作用下水管i点的换热效率；Tj为混凝土测点j温度；Tw,i为水管i点的水温；Tex,i为水管i点的外壁面温度；k为水管导热系数；χj为测点j到水管外壁面垂直距离，αj,i为测点j到水管i点的法相转角。通过换热效率公式，可以得到上述不同工况的换热效率值，将得出的换热效率进行回归分析，得到混凝土试块与冷却水管的换热效率模型。
根据试验成果，通过热平衡分析特定工况下的水管瞬态换热能力，并依据牛顿冷却定律，计算水管的瞬态局部换热系数值，通过分析其与热流变化的基本规律，构建一个考虑热流变化的换热系数试验模型，该关系式避开传统热阻理论，除物性条件外，将同时考虑冷却水管在混凝土瞬态热流场的作用，这一思路与现有关于热阻概念的探讨结论相符。考虑到单一的试验结果所构建的模型缺乏一般性，我们进行两组不同材质水管在上述组合工况下的试验，采用的冷却水管Ⅰ为铁管，冷却水水管Ⅱ为HDPE管，以便建立一个更具一般性的换热系数模型，以期通过对试验结果分析研究，从中寻求换热系数与热流变化、材料常物性等因素的一般性规律，以便建立换热系数计算模型。
将换热系数试验模型整合到水管冷却场、混凝土温度场与徐变应力场的耦合分析程序中，并利用该耦合程序和PSO算法反分析程序对水管冷却混凝土试验成果进行精细仿真，以期弄清混凝土与冷却水管在试验期全过程的换热行为，并得到换热系数试验模型中相关参数的反演数据，为今后对相同水管的应用进行仿真研究时提供关键参数。
实施例
多棱柱混凝土试块6可以为五棱柱、六棱柱或七棱柱混凝土试块，混凝土试块每个面上4个区域的薄膜加热器的加热情况进行随机组合；多棱柱混凝土试块6为五棱柱混凝土试块时，五棱柱混凝土试块有5个面，分别为Ⅰ面、Ⅱ面、Ⅲ面、Ⅳ面和Ⅴ面，五棱柱混凝土试块的5个面和每个面上4个区域的薄膜加热器的加热情况进行随机组合，组合工况如表1所示。
表1铁管和HDPE管的试验工况
附：表中√表示加热，×表示不加热。

Claims (6)

1.一种混凝土与冷却水管换热试验方法，包括制作多棱柱混凝土试块，在试块中间设有冷却水水管Ⅰ，其特征在于：还包括以下步骤：
（1）所述多棱柱混凝土试块的棱数为n，n≥5，冷却水管Ⅰ的两端伸出混凝土试块；
（2）多棱柱混凝土试块有n个面，每个面沿长度方向分为4个区域，分别为A区、B区、C区和D区，在每个面对应的每个区域上设置有薄膜加热器；
（3）在冷却水管Ⅰ的内壁和外壁上、多棱柱混凝土试块内均设有贴片式热电偶，贴片式热电偶沿着冷却水管Ⅰ呈环形辐射均匀设置，贴片式热电偶与中央处理器配套使用；
（4）将多棱柱混凝土试块和冷却水管Ⅰ放置在试验箱内；
（5）将多棱柱混凝土试块的n个面和每个面上4个区域的薄膜加热器的加热情况进行随机组合，薄膜加热器的加热温度在设定范围内进行变化，由贴片式热电偶测得各点的温度值，得出各点混凝土试块与冷却水管Ⅰ的换热效率；
（6）制作多棱柱混凝土试块，在试块中间设有与冷却水水管Ⅰ材质不同的冷却水水管Ⅱ，重复上述步骤，得出各点混凝土试块与冷却水管Ⅱ的换热效率；
（7）将步骤（5）和步骤（6）中得出的换热效率进行回归分析，得到混凝土试块与冷却水管的换热效率模型。
2.根据权利要求1所述的混凝土与冷却水管换热试验方法，其特征在于：所述多棱柱混凝土试块的外表面设有石棉层，石棉层与试验箱内壁之间设有聚四氟乙烯隔层，冷却水管Ⅰ伸出的两端外表面设有聚四氟乙烯隔层，试验箱内剩余的空隙内填充细沙。
3.根据权利要求1所述的混凝土与冷却水管换热试验方法，其特征在于：所述薄膜加热器的加热温度为30℃～70℃。
4.根据权利要求1所述的混凝土与冷却水管换热试验方法，其特征在于：所述冷却水管Ⅰ为铁管，冷却水水管Ⅱ为HDPE管。
5.根据权利要求1所述的混凝土与冷却水管换热试验方法，其特征在于：所述试验箱是由玻璃纤维板制成的，试验箱设置在支撑座上。
6.根据权利要求1所述的混凝土与冷却水管换热试验方法，其特征在于：所述多棱柱混凝土试块为五棱柱混凝土试块，五棱柱混凝土试块有5个面，分别为Ⅰ面、Ⅱ面、Ⅲ面、Ⅳ面和Ⅴ面。
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