CN109831836A - 一种基于面状加热装置的层状物理模型及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于面状加热装置的层状物理模型，包括模型本体，模型本体内设有多个面状加热装置，多个面状加热装置在模型本体内呈层状均匀分布；所述面状加热装置包括由两层导热纸粘合构成的传热层以及为传热层供热的两根电热丝，两根电热丝相互平行地设于两层导热纸之间，且电热丝的走向沿着导热纸的宽度方向。本发明还公开了上述层状物理模型的制备方法。本发明可以将物理模型制作成层状结构，利用面状加热装置对模型进行加热，与传统单头模具加温管相比，本技术加温元件尺寸明显减小，减小对模型结构的影响，加热装置为面状，增加了温度传递的面积，提高传温的均匀性，减小加热温度不均引起的温度梯度对试验结果的影响。

Description

一种基于面状加热装置的层状物理模型及其制备方法

技术领域

本发明属于岩土工程、地质工程技术领域，具体涉及一种面状加热装置、层状物理模型及其制备方法。

背景技术

自然界中具有层状结构的沉积岩占陆地面积的2/3，在层状岩体中进行高地温隧道的建设、石油的开采、地热资源的开发利用等工程活动时，岩体会由于高温的影响导致其变形破坏特征具有明显的复杂性，而物理模型试验在比例缩小的模型上进行相应的试验，试验结果比较直观，可定性或定量地反映高地温作用下层状围岩的受力特征，对探讨围岩的变形与破坏机理具有无可比拟的优越性。

对于物理模型加温方式，现有单头模具加温管采用不锈钢圆柱管作为外壳，外壳内布置电热丝并充填入氧化镁，避免电热丝和外壳接触产生短路，氧化镁中的电热丝通过耐高温导线连接，导线接入电源实现加温。

现有的加温方式，存在以下缺陷：1、单头加温管径较大，对模型结构产生了很大的破坏，导致物理模型试验数据误差较大；2、其次模具单头加温管功率大，加温时升温较快，导致模型温度局部聚集，加温效果不均匀，使模型温度梯度较大，温度梯度对高温物理模型试验数据具有较大的影响，进一步扩大误差。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种面状加热装置、层状物理模型及其制备方法。

本发明所采用的技术方案为：一种基于面状加热装置的层状物理模型，包括模型本体，模型本体内设有多个面状加热装置，多个面状加热装置在模型本体内呈层状均匀分布；所述面状加热装置包括由两层导热纸粘合构成的传热层以及为传热层供热的两根电热丝，两根电热丝相互平行地设于两层导热纸之间，且电热丝的走向沿着导热纸的宽度方向。

可选地，所述导热纸采用锡箔纸或是铝箔纸。

可选地，所述的两层导热纸通过导热硅脂粘合。

可选地，所述电热丝采用镍铬电热丝，且镍铬电热丝外套有绝缘且导热的保护管，保护管为硅胶管或四氟管。

可选地，所述镍铬电热丝的直径为0.1mm-0.3mm；所述硅胶管或四氟管的外径0.8mm-1.2mm，内径为0.4mm-0.6mm。

可选地，所述的两层导热纸上分别设有相对应的多个浇筑孔，多个浇筑孔在导热纸上均匀分布。

本发明还公开了一种基于面状加热装置的层状物理模型的制备方法，包括以下步骤：

S1、首先将导热纸裁剪成矩形，每次需要两张，再将裁剪好的导热纸均匀挖去部分面积作为浇筑孔，以便模型浇筑时层与层之间的粘结使用；

S2、剪取镍铬电热丝和绝缘且导热的保护管，将镍铬电热丝穿入保护管内，使保护管对镍铬电热丝进行绝缘保护，其中，保护管为硅胶管或四氟管；

S3、选取一张剪切好的导热纸，将两根套有保护管的镍铬电热丝放在导热纸的设计位置，镍铬电热丝的走向为导热纸的宽度方向；

S4、在导热纸上涂上导热硅脂，将两张导热纸粘结在一起，组成面状加热装置；

S5、使用模型箱浇筑模型时，将多个面状加热装置按照每层相同的间距浇筑。

本发明的有益效果为：

本发明可以将物理模型制作成层状结构，用于研究热-力作用下层状岩体隧道、石油开采及地热资源开采利用等工程中的物理模型试验，将模型中的层理结构和面状加热装置进行组合，镍铬电阻丝和硅胶管绝缘材料直径较小，对模型结构影响很小，可以减小对模型内部结构的破坏，进而减小模型结构被破坏所造成的误差，面状锡箔纸或铝箔纸传热增加了温度传递的面积，使得传热更均匀，进而减小因存在较大温度梯度所造成的试验误差；与传统单头模具加温管相比，本技术加温元件尺寸明显减小，减小对模型结构的影响，加温装置为面状，增加了温度传递的面积，提高传温的均匀性，减小加热温度不均引起的温度梯度对试验结果的影响。

附图说明

图1是面状加热装置的结构示意图；

图2是图1另一视角的示意图；

图3是另一实施例中面状加热装置的结构示意图；

图4是图3另一视角的示意图；

图5是利用图1中面状加热装置制备的层状物理模型的主视图；

图6是图5中层状物理模型的俯视图；

图7是图5中层状物理模型的侧视图；

图8是利用图3中面状加热装置制备的层状物理模型的主视图；

图9是图8中层状物理模型的俯视图；

图10是图8中层状物理模型的侧视图；

图11是图7或10中模型加载电源后的示意图。

图中：1-锡箔纸，11-浇筑孔，1a-铝箔纸；2-电热丝；3-热硅脂；4-硅胶管， 4a-四氟管；5-模型本体。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供一种面状加热装置，包括由两层锡箔纸 1粘合构成的传热层以及为传热层供热的两根电热丝2，两根电热丝2相互平行地设于两层锡箔纸1之间，且电热丝2的走向沿着锡箔纸1的宽度方向。

所述的两层锡箔纸1通过导热硅脂3粘合。

所述电热丝2采用镍铬电热丝，且镍铬电热丝外套有用于绝缘保护的硅胶管4。电热丝2也可采用铁铬铝合金、铜镍合金或是碳纤维电热丝。

所述镍铬电热丝的直径为0.2mm，也可为0.1mm或是0.3mm；所述硅胶管 4的外径1mm，也可为0.8mm或是1.2mm，内径为0.5mm，也可为0.4mm或是0.6mm。

所述的两层锡箔纸1上分别设有相对应的多个浇筑孔11，多个浇筑孔11 在锡箔纸1上均匀分布。

所述锡箔纸1的长度为500mm，也可为550mm或是650mm，宽度为200mm，也可为150mm或是250mm。

实施例2：

如图3和图4所示，本实施例提供一种面状加热装置，包括由两层铝箔纸 1a粘合构成的传热层以及为传热层供热的两根电热丝2，两根电热丝2相互平行地设于两层铝箔纸1a之间，且电热丝2的走向沿着铝箔纸1a的宽度方向。

所述的两层铝箔纸1a通过导热硅脂3粘合。

所述电热丝2采用镍铬电热丝，且镍铬电热丝外套有用于绝缘保护的四氟管4a。电热丝2也可采用铁铬铝合金、铜镍合金或是碳纤维电热丝。

所述镍铬电热丝的直径为0.2mm，也可为0.1mm或是0.3mm；所述四氟管 4a的外径1mm，也可为0.8mm或是1.2mm，内径为0.5mm，也可为0.4mm或是0.6mm。

所述的两层铝箔纸1a上分别设有相对应的多个浇筑孔11，多个浇筑孔11 在铝箔纸1a上均匀分布。

所述铝箔纸1a的长度为500mm，也可为550mm或是650mm，宽度为 200mm，也可为150mm或是250mm。

实施例3：

如图5、图6和图7所示，以及图8、图9和图10所示，本实施例提供一种层状物理模型，包括模型本体5，模型本体5内设有多个如实施例1或实施例2提供的面状加热装置，多个面状加热装置在模型本体5内呈层状均匀分布。

相邻两层所述的面状加热装置之间的间距D1为18mm-22mm。

实施例4：

本实施例提供一种层状物理模型的制备方法，包括以下步骤：

S1、首先将锡箔纸1裁剪成长为550mm-650mm、宽为150mm-250mm的矩形，每次需要两张，再将裁剪好的锡箔纸1均匀挖去部分面积作为浇筑孔11，以便模型浇筑时层与层之间的粘结使用；

S2、剪取长度为280mm-320mm的镍铬电热丝和硅胶管4，将镍铬电热丝穿入硅胶管4内，使硅胶管4对镍铬电热丝进行绝缘保护；

S3、选取一张锡箔纸1，将两根套有硅胶管4的镍铬电热丝放在锡箔纸1 的设计位置，镍铬电热丝的走向为锡箔纸1的宽度方向，两根镍铬电热丝分别距离锡箔纸1边缘的距离D2为80mm-120mm；

S4、在锡箔纸1上涂上导热硅脂3，将两张锡箔纸1粘结在一起，组成面状加热装置，制备的面状加热装置如图1和图2所示；

S5、使用模型箱浇筑模型时，将多个面状加热装置按照每层18mm-22mm 的间距浇筑在模型内，制备的层状物理模型如图5、图6和图7所示，等模型成型后，试验时将模型内部的镍铬电热丝串联起来，串联后两端分别与电源的正负极相连，可实现对模型的加温，如图11所示。

实施例5：

本实施例提供一种层状物理模型的制备方法，包括以下步骤：

S1、首先将铝箔纸1a裁剪成长为550mm-650mm、宽为150mm-250mm的矩形，每次需要两张，再将裁剪好的铝箔纸1a均匀挖去部分面积作为浇筑孔11，以便模型浇筑时层与层之间的粘结使用；

S2、剪取长度为280mm-320mm的镍铬电热丝和四氟管4a，将镍铬电热丝穿入四氟管4a内，使四氟管4a对镍铬电热丝进行绝缘保护；

S3、选取一张铝箔纸1a，将两根套有四氟管4a的镍铬电热丝放在铝箔纸 1a的设计位置，镍铬电热丝的走向为铝箔纸1a的宽度方向，两根镍铬电热丝分别距离铝箔纸1a边缘的距离D2a为80mm-120mm；

S4、在铝箔纸1a上涂上导热硅脂3，将两张铝箔纸1a粘结在一起，组成面状加热装置，制备的面状加热装置如图3和图4所示；

S5、使用模型箱浇筑模型时，将多个面状加热装置按照每层18mm-22mm 的间距浇筑在模型内，制备的层状物理模型如图8、图9和图10所示，等模型成型后，试验时将模型内部的镍铬电热丝串联起来，串联后两端分别与电源的正负极相连，可实现对模型的加温，如图11所示。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (7)

1.一种基于面状加热装置的层状物理模型，其特征在于：包括模型本体，模型本体内设有多个面状加热装置，多个面状加热装置在模型本体内呈层状均匀分布；所述面状加热装置包括由两层导热纸粘合构成的传热层以及为传热层供热的两根电热丝，两根电热丝相互平行地设于两层导热纸之间，且电热丝的走向沿着导热纸的宽度方向。

2.根据权利要求1所述的基于面状加热装置的层状物理模型，其特征在于：所述导热纸采用锡箔纸或是铝箔纸。

3.根据权利要求1所述的基于面状加热装置的层状物理模型，其特征在于：所述的两层导热纸通过导热硅脂粘合。

4.根据权利要求1所述的基于面状加热装置的层状物理模型，其特征在于：所述电热丝采用镍铬电热丝，且镍铬电热丝外套有绝缘且导热的保护管，保护管为硅胶管或四氟管。

5.根据权利要求4所述的基于面状加热装置的层状物理模型，其特征在于：所述镍铬电热丝的直径为0.1mm-0.3mm；所述硅胶管或四氟管的外径0.8mm-1.2mm，内径为0.4mm-0.6mm。

6.根据权利要求1所述的基于面状加热装置的层状物理模型，其特征在于：所述的两层导热纸上分别设有相对应的多个浇筑孔，多个浇筑孔在导热纸上均匀分布。

7.一种基于面状加热装置的层状物理模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、首先将导热纸裁剪成矩形，每次需要两张，再将裁剪好的导热纸均匀挖去部分面积作为浇筑孔，以便模型浇筑时层与层之间的粘结使用；

S2、剪取镍铬电热丝和绝缘且导热的保护管，将镍铬电热丝穿入保护管内，使保护管对镍铬电热丝进行绝缘保护，其中，保护管为硅胶管或四氟管；

S3、选取一张剪切好的导热纸，将两根套有保护管的镍铬电热丝放在导热纸的设计位置，镍铬电热丝的走向为导热纸的宽度方向；

S4、在导热纸上涂上导热硅脂，将两张导热纸粘结在一起，组成面状加热装置；

S5、使用模型箱浇筑模型时，将多个面状加热装置按照每层相同的间距浇筑。