CN113028680A - 渗流-传热-传质-地埋管换热耦合的三维模拟装置及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可模拟三维条件下渗流‑传热‑传质‑地埋管换热耦合过程的实验装置和实现方法，由实验土箱、地埋管换热模拟系统、渗流系统、数据采集监测系统组成。实验土箱采用亚克力板加工而成。地埋管换热模拟系统主要由U型换热铜管、PVC管和恒温循环水箱组成。渗流系统是通过实验土箱两侧的上、下游水箱或者高、低位水箱所控制的水头差来实现。数据采集系统包括温度测量装置、水分测量装置、流量测量装置等，可实时监测并采集实验装置中的所有数据。本装置实现方法的原理简单、操作方便，适用性广，测量的结果准确且可靠，可为相关领域的研究与应用提供参考。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源开发技术领域，特别涉及一种可模拟三维状态下渗流-传热-传质-地埋管换热耦合过程和实现方法，该模拟装置及方法适用于能源、农业、林业、气象、科研等有关部门。
背景技术
地源热泵(GSHP)空调系统是一种利用地热能的节能技术，主要通过地埋管换热器中的循环液与恒温地层进行热量交换，将地能提取上来以供夏季制冷和冬季供暖。已有研究表明，地源热泵系统还具有清洁、稳定、环保等优点，在工程建设中取得了广泛的应用和长足发展。随着地源热泵技术的推广，其设计、运行过程中出现了一系列问题，如岩土体热特性参数的不确定性、岩土体的“冷热堆积”、地下水渗流对地埋管换热效果的影响等，特别是地下水渗流的影响尚需投入大量研究工作。由于地源热泵系统竖直地埋管的埋深大，穿越地层较多，在我国多数地下水比较丰富地区，甚至还可能存在地下水流动，而潜在的地下水渗流是否对该地区竖直埋管换热性能产生影响尚不清楚。为此，亟需研制一套可模拟三维状态下渗流-传热-传质-地埋管换热耦合过程的装置，并在此基础上开展一系列研究，相关的研究成果则可为该地复杂环境下地源热泵技术的推广使用提供参考。
发明内容
本发明的目的是为探明地下水渗流对地埋管换热影响提供一种实验模拟装置及实现方法，解决当前有关地源热泵技术研究中存在的不足，即地下水渗流对地源热泵系统竖直埋管换热影响科学问题的解决。
具体模拟装置的组成构件如下：
(1)设计一套渗流-传热-传质-地埋热管换热耦合实验装置，由实验土箱、地埋管换热模拟系统、渗流系统、数据采集监测系统组成；其中，实验土箱用于模拟地下岩土体层，U型换热铜管用于模拟地埋管换热器，上、下游水箱所提供的水头差驱动力用来模拟地下水渗流，整套实验系统可较好地模拟地埋热管换热过程中温度场、湿度场、渗流场共同作用下的多场耦合环境，并实时监测和采集实验数据。
(2)实验土箱是由耐候、耐酸碱性能好、抗冲击力强的亚克力板(20mm厚)加工而成，设计使用温度为80℃，设计承重为20吨。为确保实验箱体的稳固性，另可用不锈钢框架对箱体周围进行整体加固。实验土箱内部高为1600mm，截面长×宽尺寸为1200mm×1200mm。
(3)地埋管换热模拟系统主要由U型换热铜管、PVC管和恒温循环水箱组成。U型换热铜管由T2紫铜的锻件加工而成，可利用U型换热铜管与土层进行热交换。恒温循环水箱主要是提供恒定的冷热源，从而模拟地源热泵运行过程中的冷热负荷。恒温循环水箱具有稳定的内、外循环和高精度的智能控温装置，可精确调节循环水的温度，控温精度为±0.05℃。PVC管是用于连接U型换热铜管和恒温循环水箱，从而形成闭合的回路。为避免循环水流经PVC管时发生热量损失，该部分需进行保温处理，即需在PVC管外包裹上保温材料。换热铜管的内、外径分别为16mm，外径19mm，两支管中心间距为40mm。
(4)渗流系统可为实验土箱提供全区域和非全区域渗流场，渗流场可利用实验土箱两侧的上、下游水箱或者高、低位水箱所控制的水头差来直接控制。上、下水箱箱体内尺寸(长×宽×高)均为1.2×0.2×1.6m，位于实验土箱左右两侧，与土箱连成一体。高、低位水箱箱体内尺寸(长×宽×高)为0.4×0.4×0.6m，由2cm厚亚克力板制作而成，并在箱体外部包有保温材料，可分别向上、下游水箱提供恒定温度的渗流进水。
(5)数据采集系统包括温度测量装置、水分测量装置、流量测量装置等，可实时监测并采集实验台的所有数据。
本发明方法的优点：
(1)该装置可较好模拟复杂环境下地源热泵系统换热过程，是研究地热能开发利用问题的一种重要技术手段。
(2)该装置功能全面，可调控性能优越，实现方法也较易掌握，将在下文详细介绍。
(3)由于原位实验研究存在许多不可控因素，但这些因素却十分关键，该模拟模拟装置基本克服了这些缺点，同时还配备了比较人性化的采集系统，可准确并能够实时、连续的自动测量，大大提高了研究工作的效率。
附图说明
图1是本发明所使用装置的示意图。
图2是本发明实现方法的实物示例图。
图1中标记：1-实验土箱；2-上游水箱；3-下游水箱；4-U型换热铜管；5-出水孔；6-高位水箱；7-低位水箱；8-恒温循环水箱；9-采集系统。
具体实施方式
实施例：
(1)制备土样：将取回的土样风干、碾散、过5mm筛备用；利用喷雾法配制目标含水率的湿土样，并密封静置5天，以确保土样内水分均匀(图2a)。
(2)分层击实：土层填筑前，在实验土箱两侧铺设土工布，防止土颗粒在填筑和渗流过程堵塞多孔板。然后，根据既定的土层体积、含水率和干密度，称取一定质量润湿均匀后的土样，倒入实验土箱内，采用分层击实法将土样击至目标干密度和层位，共分15层击实，每层厚度为100mm，如图2(b)所示。
(3)埋设传感器：为确保传感器间相对位置不随击实过程发生变化，需将传感器固定在钢筋上。最后，按预设的布置位置进行埋设。同时，应尽可能确保传感器线揽沿箱侧走线，减小对测试区域的影响，如图2(c)所示。
(4)密封、保温处理：土层填筑完后，用塑料膜将土箱密封好，防止实验过程中土箱内水分流失。随后，将整个实验箱体用保温材料包裹2层，避免外界环境温度对箱内温度场造成影响(图2d)。
(5)开启渗流系统：将上游水箱的溢流孔和下游水箱对应水头差高度处的出水孔阀门打开，随后以恒定流量向箱体底部进行注水，待溢流孔和出水孔出水量稳定，即渗流场已稳定(图2e)。
(6)设置换热铜管入水(热源)温度：先将恒温循环水箱的外循环关闭，防止循环水流入换热铜管，从而与土层进行换热。然后，将水箱的温度调至目标值，待温度达到设定值且恒定，如图2(f)所示。
(7)调试自动采集设备：将传感器、采集器和电脑连接调试好，设置好传感器采集间隔和自动采集开始时间(图2g)。
(8)开始实验：确保渗流场和恒温水箱循环水温度达到稳定，再打开恒温循环水箱外循环的阀门，使恒温循环水流进换热铜管与土层进行热交换。实验过程中，重复测试渗流速度和渗流水的入渗温度，取多次测量结果的平均值作为最终结果(图2h)。
Claims (1)
1.一种渗流-传热-传质-地埋热管换热耦合模拟实验装置和实现方法，其特征在于具体的组成构件为：
(1)设置一套渗流-传热-传质-地埋热管换热耦合实验装置，由实验土箱、地埋管换热模拟系统、渗流系统、数据采集监测系统组成；其中，实验土箱用于模拟地下岩土体层，U型换热铜管用于模拟地埋管换热器，上、下游水箱所提供的水头差驱动力用来模拟地下水渗流，整套实验系统可较好地模拟地埋热管换热过程中温度场、湿度场、渗流场共同作用下的多场耦合环境，并实时监测和采集实验数据。
(2)实验土箱是由耐候、耐酸碱性能好、抗冲击力强的亚克力板(20mm厚)加工而成，设计使用温度为80℃，设计承重为20吨。为确保实验箱体的稳固性，另可用不锈钢框架对箱体周围进行整体加固。实验土箱内部高为1600mm，截面长×宽尺寸为1200mm×1200mm。
(3)地埋管换热模拟系统主要由U型换热铜管、PVC管和恒温循环水箱组成。U型换热铜管由T2紫铜的锻件加工而成，可利用U型换热铜管与土层进行热交换。恒温循环水箱主要是提供恒定的冷热源，从而模拟地源热泵运行过程中的冷热负荷。恒温循环水箱具有稳定的内、外循环和高精度的智能控温装置，可精确调节循环水的温度，控温精度为±0.05℃。PVC管是用于连接U型换热铜管和恒温循环水箱，从而形成闭合的回路。为避免循环水流经PVC管时发生热量损失，该部分需进行保温处理，即需在PVC管外包裹上保温材料。换热铜管的内、外径分别为16mm，外径19mm，两支管中心间距为40mm。
(4)渗流系统可为实验土箱提供全区域和非全区域渗流场，渗流场可利用实验土箱两侧的上、下游水箱或者高、低位水箱所控制的水头差来直接控制。上、下水箱箱体内尺寸(长×宽×高)均为1.2×0.2×1.6m，位于实验土箱左右两侧，与土箱连成一体。高、低位水箱箱体内尺寸(长×宽×高)为0.4×0.4×0.6m，由2cm厚亚克力板制作而成，并在箱体外部包有保温材料，可分别向上、下游水箱提供恒定温度的渗流进水。
(5)数据采集系统包括温度测量装置、水分测量装置、流量测量装置等，可实时监测并采集实验装置的所有数据。
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|---|---|---|---|---|
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