CN202974904U

CN202974904U - 可变加热负荷岩土热物性测试仪器

Info

Publication number: CN202974904U
Application number: CN 201220652937
Authority: CN
Inventors: 李广鹏; 张磊
Original assignee: Shandong Institute of Commerce and Technology
Current assignee: Shandong Institute of Commerce and Technology
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2022-11-30

Abstract

本实用新型涉及一种可变加热负荷岩土热物性测试仪器，它结构合理，使用方便。它包括加热器、循环水泵、温度测量装置、流量测量装置、信号变送装置、微机控制与处理装置，循环水泵与安装在地下的埋管连接，形成循环回路；在循环管路上分别设置温度测量装置、流量测量装置，并在至地下的管路上设置加热器，温度测量装置、循环水泵、流量测量装置均通过信号变送装置与微机控制与处理装置连接。

Description

可变加热负荷岩土热物性测试仪器

技术领域

本实用新型涉及一种可变加热负荷岩土热物性测试仪器。

背景技术

目前，我国土壤源热泵岩土热物性测试仪的很大一部分都是建立在加热负荷恒定的基础上，对地埋管的进出口温度，流量等参数进行测定、记录、分析。由于各地的地质结构和构成相差很大，恒定的加热器加热功率与所测量的当地的地埋管每延米换热量数值上相差很大，最终导致测量结果与实际偏差有着很大的差距。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为解决上述问题，提供一种可变加热负荷岩土热物性测试仪器，它结构合理，使用方便。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种可变加热负荷岩土热物性测试仪器，它包括加热器、循环水泵、温度测量装置、流量测量装置、信号变送装置、微机控制与处理装置，循环水泵与安装在地下的埋管连接，形成循环回路；在循环管路上分别设置温度测量装置、流量测量装置，并在至地下的管路上设置加热器，温度测量装置、循环水泵、流量测量装置均通过信号变送装置与微机控制与处理装置连接。

所述温度测量装置为温度传感器。

所述流量测量装置为流量传感器。

所述微机控制与处理装置还设有打印机。

由于循环泵的压力作用，埋管内的流体经过与测试仪相连接的地上回路进入，流量传感器采集其量信号。测试仪内部的温度传感器采集温度信号T₁，流体通过泵以后，经电加热器加热升温，加热后的管内流体温度信号记为T₂，经温度传感器采集后，经与测试仪相连接的地下回路流入埋置在钻孔内的PE管中，PE管中经过加热的流体与地下深层岩土进行热交换，又从连接地上测试仪回路返回到仪器中，形成一个封闭的循环。自某一时刻起对水加热一定的时间（数十小时）。测量回路中水的温度及其对应的时间，根据已知的数据反推钻孔周围岩土的导热系数和钻孔内热阻。将通过传热模型得到的流体平均温度与实际测得的结果进行对比，当计算得到的结果与实测的结果误差最小时，对应的导热系数值即为所求的结果。方差最小值可以通过最优化技术求得。

f = Σ_{i = 1}^{N} {(T_{cal, i} - T_{\exp, i})}^{2} - - - (1)

式中：

f--流体模型平均温度与实际测结果方差，℃²；

T_cal,i--第i时刻由传热模型计算出的埋管中流体的平均温度，℃；

T_exp，i--第i时刻实际测量的埋管中流体平均温度（取出口和入口流体温度的平均值），℃；

N--实验测量数据的组数。

对于本仪器的数据采集功能，采用的是中断子程序。它每秒执行一次，对循环水流量、进出口温度、加热器电流和电压信号进行采集，在显示屏中可实时观测到各个数据值，并进行相应的数据处理处理。流量、功率进行累加，温度实行平均处理，可设置间隔时间对数据进行打印，同时，该数据也将存储到存储器中。该仪器的数据存储器容量4GB，可支持30天连续存储，并存储的测试数据在系统停电后数据不会丢失。设计的外置USB插口支持用U盘把数据导出在电脑中进行数据分析。仪器中打印机打印的纸数据可用于永久的保存。

本实用新型的使用过程为：

第一步：保证在整个热响应测试实验过程中供电的持续，给用电控制柜通电；

第二步：将钻孔中的PE管通过绝缘软管与热响应测试仪连接，将软管保温，必要时搭建帐篷进行遮盖，避免阳光的直射或雨雪天气对测试仪照成损坏，影响测试效果；

第三步：通过补水桶向试验系统中注满水，保证系统的正常运行；

第四步：接通电源，启动仪器循环水泵，排尽系统中的空气。仪器安装完毕运行，空循环（未开启加热器）4个小时左右，待仪表显示器上的初始温度值稳定后，开启加热。

第五步：如果需要重复测量钻孔，则需要等地下岩土温度恢复到初始温度时再进行测试。如果进行了48小时的测试，对于中、高导热系数的地质就需要延后10～12天进行测试，对于较低导热系数的地质就需要延后14天左右开始测量。如果测试的时间较短，等待周期可以适当的缩短。

本岩土热物性测试仪以可变加热负荷钻孔内埋管与周围岩土的换热模型，以目前已有的岩土类型的为基础，根据钻孔提供的岩土类型，开启不同的加热功率，并结合参数估计方法，在复杂地质条件条件下对地下岩土热物性参数进行现场测试，该方法显著降低了测试现场数据的误差，更适用于由于不同的地质结构导致的地埋管每延米换热量的数值上的差异，以此计算出的数值更接近工程的实际值。

本实用新型的有益效果是：

1本仪器结构紧凑，便于携带，现场运行稳定、测试数据准确。

2本仪器以可变加热负荷钻孔内埋管与周围岩土的换热模型为基础，大大拓宽了测试设备的应用场合，适合在不用的地质结构场合下进行岩土热物性的测量，并且出现加热功率不恒定的情况依然可以对地下岩土热物性进行测量，大大的缩短测试时间和降低测试成本。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2为本实用新型与埋管连接示意图。

其中，1.加热器，2.循环水泵，3.温度测量装置，4.流量测量装置，5.信号变送装置，6.微机控制与处理装置，7.埋管，8.水箱，9.打印机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

图1中，它包括循环水泵2，循环水泵2通过管路与水箱8连接，同时循环水泵2还通过管路与埋在地下的埋管7连接，从而构成循环管路（进水管路与出水管路、埋管构成循环的路径）。

在与埋管7连接的两管路上分别温度测量装置3，它为温度传感器；以及流量测量装置4，它为流量传感器；在进入地下的管路上还设有加热器1。

温度测量装置3、流量测量装置4以及循环水泵、加热器1均与信号变送装置5连接，信号变送装置5与微机控制与处理装置6连接，微机控制与处理装置6还与打印机9连接。

在现场热响应测试中，埋管内流体温度、流量等状态参数可以通过设备直接测得，而埋管周围岩土导热系数必须通过测量得到的温度、热流量，才用相关传热模型进行传热逆运算得出。

用来做热响应测试实验的试验井结构尺寸及相关参数应于拟设计的地热换热器尺寸等一致，它包括钻井孔的深度、半径、回填材料，U型管材料以及U型管管间距等。

测试中，设备以近似恒定功率对U型管内循环水进行加热，加热后的循环水以一定的流速在U型管内流动，与周围土壤进行换热。水具有较大的导热系数和非常小的体积比热，假定水的内热阻和热容量忽略不计，导管内壁与循环水具有相同的平均温度。

加热器对U型管内的循环水开始加热的同时，开始计时，以十分钟为间隔记录U型管的进出口水的温度T₁、T₂，以其温度的平均值T_f当作循环水的平均温度用于计算。

T_{f} = \frac{T_{1} + T_{2}}{2}

式中T_f--U型管内水温平均值，℃；

T₁--U型管进口水温，℃；

T₁--U型管出口水温，℃。

测试设备运行数天后，关闭加热器，实验停止。记录的实验数据，运用地埋管数值传热模型结合参数估计法，反推出岩土的导热系数。

Claims

1.一种可变加热负荷岩土热物性测试仪器，其特征是，它包括可变负荷加热器、循环水泵、温度测量装置、流量测量装置、信号变送装置、微机控制与处理装置，循环水泵与安装在地下的埋管连接，形成循环回路；在循环管路上分别设置温度测量装置、流量测量装置，并在至地下的管路上设置加热器，温度测量装置、循环水泵、流量测量装置均通过信号变送装置与微机控制与处理装置连接。

2.如权利要求1所述的可变加热负荷岩土热物性测试仪器，其特征是，所述温度测量装置为PT100温度传感器。

3.如权利要求1所述的可变加热负荷岩土热物性测试仪器，其特征是，所述流量测量装置为涡轮流量传感器。

4.如权利要求1所述的可变加热负荷岩土热物性测试仪器，其特征是，所述微机控制与处理装置还设有打印机。