CN109092587A - 控制用于混凝土仓面降温的喷雾机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制用于混凝土仓面降温的喷雾机的方法，即，本发明根据喷雾机的高度距离混凝土仓面的距离是否超过4.5米，调节喷雾机向下摆动的角度；根据实测的喷雾用水水温、混凝土仓面外环境温度、浇筑仓面所在区域太阳辐射控制喷雾机喷雾量和喷雾机风机风速。本发明对混凝土仓面的喷雾降温优化、混凝土仓面防裂效果显著。

Description

控制用于混凝土仓面降温的喷雾机的方法

技术领域

本发明涉及一种控制喷雾机的方法，具体地说，涉及一种控制用于混凝土仓面降温的喷雾机喷雾量、风机风速和上下摆动角度的方法。本发明属于水利水电工程技术领域。

背景技术

在水利水电工程中，一些大坝是由混凝土浇筑而成的，如何保障浇筑后的混凝土仓面无裂纹至关重要！控制浇筑温度是混凝土温控防裂的重要措施之一，控制混凝土仓面环境温度又是控制浇筑温度的重要手段。

为了控制混凝土仓面的环境温度，通常，在混凝土仓面附近安装若干台喷雾机。如中国专利CN201520908963.1公开的一种混凝土仓面小气候控制系统。该系统能够实现根据混凝土仓面的各设计参数实时控制喷雾机构动作，实现混凝土仓面环境温度的控制。即，根据混凝土仓面的温度，调节喷雾机的喷雾量，从而实现对混凝土仓面环境温度的控制。

但是，中国专利CN201520908963.1没有考虑浇筑仓面所在区域太阳辐射、仓面外环境温度、喷雾用水水温等外在的因素，只是根据混凝土仓面环境温度的设计要求控制喷雾机的喷雾量和喷雾机风机风速，控制不够精准！

发明内容

鉴于上述原因，建立在试验的基础上，本发明的目的在于提供一种根据实测的喷雾用水水温、混凝土仓面外环境温度、浇筑仓面所在区域太阳辐射控制喷雾机喷雾量、风机出风口风速和上下摆动角度的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种控制用于混凝土仓面降温的喷雾机的方法，其特征在于：当喷雾机的高度与混凝土仓面距离≥4.5m时，喷雾机向下摆动的角度为15°；当喷雾机的高度与混凝土仓面距离为0时，喷雾机向下摆动的角度为0°；当喷雾机的高度与混凝土仓面距离为0-4.5m时，喷雾机向下摆动的角度为：

其中：h喷雾机高度与混凝土仓面的距离，单位为m。

根据实测的喷雾用水水温、混凝土仓面外环境温度、浇筑仓面所在区域太阳辐射控制喷雾机喷雾量和喷雾机风机风速，具体方法如下：

(1)计算混凝土仓面内部环境和外部环境的温差比

其中，△T为喷雾所形成的小环境中心点的温度降低幅度，单位为℃；

△T_iw为外界环境温度和水温的温差，单位为℃；

△T_r为太阳辐射引起的物体表面温度增量，单位为℃；

T_z为外界环境温度和喷雾水温相同情况下水汽蒸发引起的小环境气温降低，单位为℃；

上述式子中，△T按设计要求取值，△T_iw和△T_r根据现场实测取值，经试验总结T_z取值为3.5℃。

(2)计算喷雾量和喷雾机风机出风口风速最大情况下能达到的温差比：

其中：Q_wmax单台喷雾机最大喷雾量，单位为m³/h；

V_wmax风机最大出风口风速，单位为m/s；

经试验总结，A为2.5168；B为0.04354；C为2.4；D为1.25；

D_r为风机的出风口直径，单位为m。

(3)风机为最小允许出风口风速的情况下，单台喷雾机喷雾量达到最大时的温差比：

其中，V_wmin风机运行的最小允许出风口风速，单位m/s；经现场经验表明，对于长度为20m的施工仓面，如需要通仓降温，则需要的风机最下出风口风速不应低于

(4)如果φ_iw<φ_iwmax02，风机的出风口风速为V_wmin，需要单台喷雾机的喷雾量为：

(5)如果φ_iw>φ_iwmax02且φ_iw<φ_iwmax01，单台喷雾机的喷雾量为Q_wmax，风机的运行风速为：

(6)如果φ_iw>φ_iwmax01，那么：

风机的出机口风速为V_wmax，单台喷雾机的喷雾量为Q_wmax。

本发明的优点是：

1、填补了该领域研究的空白。

本发明人对喷雾用水水温、混凝土仓面外环境温度、浇筑仓面所在区域太阳辐射与喷雾机喷雾量、喷雾机风机风速之间的关系进行了深入地研究，填补了该领域研究的空白。

2、本发明通过大量的试验，确定了喷雾机喷雾量、喷雾机风机风速、喷雾机上下摆动角度与仓面内环境温度、浇筑仓面所在区域太阳辐射、仓面外环境温度、喷雾用水水温之间的关系，科学、严谨，对保障混凝土仓面质量和节能环保有重要作用。

3、本发明提供的喷雾机控制方法对混凝土仓面的喷雾降温优化、混凝土仓面防裂效果显著。

4、本发明为混凝土仓面喷雾自动化控制提供模型，为混凝土仓面喷雾自动化奠定基础。

附图说明

图1是本发明试验现场喷雾机、测量点平面位置图；

图2为该发明现场应用时内外环境温度和喷雾量的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

为监测雾化效果，研究喷雾量和温降关系，以及研究喷雾和小环境内部降雨量的关系，申请人于2017年4月份到2017年9月份进行了喷雾相关的试验。试验地点为中国水利水电科学研究院大兴试验基地，基地位于北京市大兴区半壁店森林公园附近。

如图1所示，在试验现场即模拟的混凝土仓面四周修建4个平台，每个平台上放置1台喷雾机，即1#喷雾机、2#喷雾机、3#喷雾机、4#喷雾机。在喷雾过程中喷雾机左右摆动。试验目的：为满足大坝混凝土仓面环境温度的控制要求，研究喷雾机上下摆动的角度、喷雾机的喷雾量、喷雾机风速与混凝土仓面内、外部环境的温差、以及浇筑仓面所在区域太阳辐射的关系。

如图1所示，本发明试验现场选取了6个测量点，#1测量点距离模拟混凝土仓面外20米处，#2测量点为模拟混凝土仓面中心点，#3-#6测量点位于模拟混凝土仓面的四周。另外，由于本发明重点考虑浇筑仓面所在区域太阳辐射对控制喷雾设备的喷雾量(以下简称喷雾量)和喷雾设备风机的频率(以下简称喷雾机风速)的关系，而，试验现场边上有一高层建筑物，受高层建筑物的遮蔽影响，试验场地上午部分区域无阳光照射，中午和下午阳光照射情况较好，为获得准确的试验数据，试验地点需要避免部分区域有阳光而部分区域阴暗情况，故试验主要在中午后进行。

在试验的过程中，对喷雾机的上下摆动角度按如下控制，当喷雾机的高度与模拟混凝土仓面距离≥4.5m时，喷雾机向下摆动的角度为15°，当喷雾机的高度与模拟混凝土仓面距离为0时，喷雾机向下摆动的角度为0°，当喷雾机的高度与模拟混凝土仓面距离为0-4.5m时，喷雾机向下摆动的角度为：

其中：h喷雾机高度与模拟混凝土仓面的距离，单位m。

根据本领域技术人员的常识，混凝土仓面浇筑后温度的升高取决于两个方面原因：浇筑过程中气温和混凝土温差引起的温度回升；以及，太阳辐射引起的混凝土温度回升。将气温和太阳辐射引起的物体温度回升之和定义为环境温度。选取喷雾形成的小环境的中心点(即图1中的2#测点)为研究对象，那么混凝土仓面内部环境和外部环境的温差比为：

其中：△T为喷雾所形成的小环境中心点的温度降低幅度，单位为℃；△T_iw为外界环境温度和水温的温差，单位为℃；△T_r为太阳辐射引起的物体表面温度增量，单位为℃；T_z为外界环境温度和喷雾水温相同情况下水汽蒸发引起的小环境气温降低，单位为℃。

在气温和水温相同的情况下，内部环境的温度明显低于外部环境温度时，根据观测数值，T_z的数值可为3.5℃。

其中，太阳辐射引起的物体表面温度增量△T_r为：

其中，R_a为太阳辐射值，单位为W/m²；为太阳辐射温升系数，根据实测结果，取值为0.005。

基于现场测量数据(3分钟监测一次)，根据式(2)和式(3)，计算出值，并总结各种喷雾量(4台喷雾机总喷雾量)和风机频率情况下温差比的平均值，汇总见表1。

表1：

表1所列的数据中，9月11日晚上数据较为异常，在喷雾量0.96m³/h和风机频率40H_Z的情况下，温差比数值可达到0.82；在风机频率较低且喷雾量没有提高的情况下，所测的温差比明显高于9月10日中午和9月12日下午的观测结果。

异常数据的主要原因为外界风速和太阳辐射的监测方式：

(1)温差比和外界风速有一定关系，本次试验期间，根据气象记录和实地间断性的测试，试验地的外界风速均为1～4级风；风速基本为零时少量的喷雾即可达到很好的喷雾效果，9月11日晚上和9月14日傍晚，外界风速基本为零，温差比和其余监测时刻差异较大。不考虑外界风速为零和外界风速超过4级风的情况下，外界风速对喷雾降温的影响很小。

(2)太阳辐射半个小时测试一次，9月14日测量过程中云量变化较大，测试的太阳辐射可能出现和实际太阳辐射差异较大情况，对温差比出现波动也可造成一定的影响。

根据表2可知，在外界风速在1-4级的情况下，喷雾量小于1.0m³/h的情下，喷雾量和温差比的关系为线性关系。

表2

喷雾量	风机频率	温差比	湿度	温差比
					0.96	40	0.42	46	0.50
0.66	40	0.29	42	0.32
					0.47	40	0.20	37	0.24

根据表3可知，在风机的频率为30HZ-50HZ的过程中，风机频率越高温差比越大，但风机频率达到40HZ后，温差比趋于平稳，温差比和风机频率为指数关系。

表3

喷雾量	风速频率	温差比
			0.93	30	0.39
0.93	40	0.48
			0.93	50	0.50

根据观测结果(表1～表3)，在外界气温与水温的温差小于18℃，喷雾量小于1.0m³/h，外界环境湿度在35～50％，外界风速为1～4级的情况下，喷雾量和温差比的关系可以表示为：

其中：Q_wa为四台喷雾机的总喷雾量，单位m³/h；φ_w为风机频率，单位HZ。

表4中的温差为四周测点的平均温度和中心的温度的差值。

根据表4可知，中心温度明显低于四周温度，四周点的温度和中心点温度差异并没有明显规律，两者之间的最大温差为2.42℃，最小温差为0.5℃，平均温差为1.26。考虑到四周点与中心点的距离，并认为温度降低的幅度和与喷雾机的距离为线性分布，则任意位置的温度降低可用以式表示：

△T_b＝△T+0.134D_f (5)

其中：△T_b为任意位置的温降幅度，△T为中心处的温降幅度，D_f为测点位置和喷雾机的距离。

式(5)建立了任意位置和中心位置的温降关系，如需仓面温度调控以非中心位置点为标准，那么需要利用式(5)推导出所需要的中心位置的温降幅度。

表4

本次试验采用的喷雾设备的风机(后简称为风机)的出风口直径为0.7m，风机的频率和风速关系如表5所示，因此式(4)可以表示为：

其中：Q_wa四台喷雾机总喷雾量，单位m³/h；V_w为风机的出风口风速，单位为m/s，D_r为风机出风口直径，单位为：m。

考虑到公式(6)为四台喷雾机的总喷雾量，计算单台喷雾机喷雾量时，温差比按如下考虑：

其中：Q_w单台喷雾机喷雾量，单位m³/h；V_w为风机出机口风速，单位为m/s，D_r为风机出风口直径，单位为：m。

经现场验证，只要喷雾机间距按20m均匀布置，公式(7)对各种型号的喷雾设备的风机均具备普遍适用性。

表5风机频率和风机的出风口风速的关系

频率	50HZ	45HZ	40HZ	35HZ	30HZ
						风速	28.63m/s	26.35m/s	24.46m/s	20.51m/s	17.54m/s

根据上述试验和数据分析，为计算喷雾机需要的喷雾量和风机的出风口风速，需要进行以下步骤：

(1)计算混凝土仓面内部环境和外部环境的温差比具体计算方法为：

其中，△T为喷雾所形成的小环境中心点的温度降低幅度，单位为℃；

△T_iw为外界环境温度和水温的温差，单位为℃；

△T_r为太阳辐射引起的物体表面温度增量，单位为℃；

T_z为外界环境温度和喷雾水温相同情况下水汽蒸发引起的小环境气温降低，单位为℃。

上述式子中，△T按设计要求取值，△T_iw和△T_r根据现场实测取值，经试验总结T_z取值为3.5℃。

(2)计算喷雾量和喷雾机风机出风口风速最大情况下能达到的温差比：

其中：Q_wmax单台喷雾机最大喷雾量，单位为m³/h；

V_wmax风机最大出风口风速，单位为m/s；

经试验总结，A为2.5168；B为0.04354；C为2.4；D为1.25；

D_r为风机的出风口直径，单位为m。

(3)风机为最小允许出风口风速的情况下，单台喷雾机喷雾量达到最大时的温差比：

其中，V_wmin风机运行的最小允许出风口风速，单位m/s；经现场经验表明，对于长度为20m的施工仓面，如需要通仓降温，则需要的风机最下出风口风速不应低于

(4)如果φ_iw<φ_iwmax02，风机的出风口风速为V_wmin，需要单台喷雾机的喷雾量为：

(5)如果φ_iw>φ_iwmax02且φ_iw<φ_iwmax01，单台喷雾机的喷雾量为Q_wmax，风机的运行风速为：

(6)如果φ_iw>φ_iwmax01，那么：

风机的出机口风速为V_wmax，单台喷雾机的喷雾量为Q_wmax。

目前该模型已经在乌东德大坝上得到广泛使用，该模型能较好的稳定仓面内的温度，如图2所示，喷雾机喷雾量可以随着仓面外环境变化而调节，仓面外环境温度发生剧烈变化时，仓面内的温度可维持相对稳定。

Claims (2)

1.一种控制用于混凝土仓面降温的喷雾机的方法，其特征在于：

当喷雾机的高度与混凝土仓面距离≥4.5m时，喷雾机向下摆动的角度为15°；

当喷雾机的高度与混凝土仓面距离为0时，喷雾机向下摆动的角度为0°；

当喷雾机的高度与混凝土仓面距离为0-4.5m时，喷雾机向下摆动的角度为：

其中：h喷雾机高度与混凝土仓面的距离，单位为m。

2.根据权利要求1所述的控制用于混凝土仓面降温的喷雾机的方法，其特征在于：根据实测的喷雾用水水温、混凝土仓面外环境温度、浇筑仓面所在区域太阳辐射控制喷雾机喷雾量和喷雾机风机风速，具体方法如下：

(1)计算混凝土仓面内部环境和外部环境的温差比

其中，△T为喷雾所形成的小环境中心点的温度降低幅度，单位为℃；

△T_iw为外界环境温度和水温的温差，单位为℃；

△T_r为太阳辐射引起的物体表面温度增量，单位为℃；

T_z为外界环境温度和喷雾水温相同情况下水汽蒸发引起的小环境气温降低，单位为℃；

上述式子中，△T按设计要求取值，△T_iw和△T_r根据现场实测取值；

(2)计算喷雾量和风机出风口风速最大情况下能达到的温差比：

其中：Q_wmax单台喷雾机最大喷雾量，单位为m³/h；

V_wmax风机最大出风口风速，单位为m/s；

经试验总结，A为2.5168；B为0.04354；C为2.4；D为1.25；

D_r为风机的出风口直径，单位为m；

(3)风机为最小允许出风口风速的情况下，单台喷雾机喷雾量达到最大时的温差比：

其中，V_wmin风机运行的最小允许出风口风速，单位m/s；经现场经验表明，对于长度为20m的施工仓面，如需要通仓降温，则需要的风机最下出风口风速不应低于

(4)如果φ_iw<φ_iwmax02，风机的出风口风速为V_wmin，需要单台喷雾机的喷雾量为：

(5)如果φ_iw>φ_iwmax02且φ_iw<φ_iwmax01，单台喷雾机的喷雾量为Q_wmax，风机的运行风速为：

(6)如果φ_iw>φ_iwmax01，那么：

风机的出机口风速为V_wmax，单台喷雾机的喷雾量为Q_wmax。