CN204662991U - 一种大体积混凝土水冷管道系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大体积混凝土水冷管道系统，在大体积混凝土中从上到下或者从下到上，每间隔0.8‐1m的纵向高度布置一层水冷管道；每一层水冷管道有多根管道，每一层水冷管道中，从大体积混凝土的边沿到中心，每间隔0.8‐1m的水平距离布置一根管道，每层第一根管道保持其距离大体积混凝土外边界0.8‐1m的距离，沿着混凝土外围边界布置。本实用新型在混凝土内部同一平面上采用回式管道布局，同一根管道可以在管道进出口两端交替进水，循环换热，可以精确控制每一根管道中冷却水的进水温度和速率，有针对的对混凝土内部所呈现的温度特点进行控制，避免引入新的温度梯度，在改善传统控制手段的同时提高混凝土温度控制效果及精度。

Description

一种大体积混凝土水冷管道系统

技术领域：

本实用新型涉及混凝土冷却，特别是涉及一种大体积混凝土水冷管道系统。

技术背景：

大体积混凝土在浇筑成型过程中会产生大量的热量，由于混凝土表面热量散发较快而中心热量散发缓慢，故会在混凝土中心与混凝土表面形成明显温度梯度，产生对应的温度应力，把混凝土拉裂形成裂缝。在控制大体积混凝土裂缝产生的诸多技术手段中，最为实用和有效的控制方法就是水冷技术。自从1931年美国垦务局第一次在欧瓦希(Owyhee)拱坝上试验了混凝土水冷技术开始，混凝土水冷技术已经在各种大体积混凝土建设项目中得到广泛的应用和认可。

传统的水冷技术方案自身其实是存在缺陷的：传统的水冷管道铺设方法采用单进单出、在混凝土中迂回通过的方式，这样的设置方法既不能有针对地控制混凝土内部呈径向的温度梯度特点，也会在顺着冷却水流向的路径中产生新的温度梯度(进水口温度低吸热快，而出水口温度高吸热慢)，这样不仅不利于降低原有的温度梯度，还会使得原本呈径向的温度梯度变得更为复杂，难以预测和控制；再者冷却用水所适宜的温度一般在30℃左右，温度太低会在管道周边形成“冷击”效应，加剧裂缝的形成，而温度太高又失去了换热的效率，所以如何制备并储存适宜温度的冷却水也是施工过程中的一道难题，传统水冷方法为求实用多直接使用常温水进行冷却，亦或者少数使用温水进行换热但又无法精确控制其给水温度，给控制过程带来不确定性；另外传统单进单出的水冷方案对换热后的热水往往直接排放掉，无法加以利用，既浪费了其物力资源，又对环境产生了不好影响。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种实时地对水冷速率进行智能、准确地控制的大体积混凝土智能水冷系统。

一种大体积混凝土水冷管道系统，在大体积混凝土中从上到下或者从下到上，每间隔0.8‐1m的纵向高度布置一层水冷管道；每一层水冷管道有多根管道，每一层水冷管道中，从大体积混凝土的边沿到中心，每间隔0.8‐1m的水平距离布置一根管道，每层第一根管道保持其距离大体积混凝土外边界0.8‐1m的距离，沿着混凝土外围边界布置。

为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述管道为76mm内径的镀锌钢管，管道转角处设接头，每处转角均保持角度为90°。

优选地，同一根管道的出口端与进口端的水平距离控制在2m以内。

优选地，每一层的管道纵向上下措置在10cm内。

优选地，同一层不同管道的进出口开口端间隔设置，分散地布置在混凝土的侧面上。

优选地，在大体积混凝土中从上到下或者从下到上，每间隔1m的纵向高度布置一层水冷管道。

相对于现有技术，本实用新型具有如下优点：

1)本实用新型热交换管道在平面上呈回形布置，每一平面层布置有若干根管道，最外围管道保持其距离外边界0.8‐1m的距离沿着混凝土外围布满整个边界，较里层管道依次向里递进设置，保持其与外层管道在径向距离上0.8‐1m的间隔，使四边的管道都与之平行，此间隔距离有利于冷却水的吸热。

2)本实用新型热交换管道的同一根管道两根进出水口的距离控制在2m以内，便于管道的检查和管理；同一层不同管道的端口间隔开来分散地布置在混凝土的侧面上，避免管道端口的集中造成局部冷却速度过大，产生温度梯度。

3)为保证水冷效果，相邻两根管道之间在径向平面上保持0.8‐1m的距离；每个水平层各个管道的布置尽量保持在同一高度，如果施工条件不允许可将不同管道在纵向上措置10cm；按照实际工程体量情况设定若干水平层管道，不同水平层的管道布置在纵向上保持0.8‐1m的距离，利于混凝土整体均匀散热。

4)同一根管道可以在管道进出口两端交替进水，循环换热，可以精确控制每一根管道中冷却水的进水温度和速率，有针对的对混凝土内部所呈现的温度特点进行控制，避免引入新的温度梯度，在改善传统控制手段的同时提高混凝土温度控制效果及精度。

附图说明：

图1为一种大体积混凝土水冷管道系统的结构示意图；

图2为图2中的A‐A截面图；

图3为应用本实用新型的在建大体积混凝土的智能化水冷系统的结构示意图。

图中示出：热水箱1‐1、冷水箱1‐2、第一分流器2‐1、第二分流器2‐2、第三分流器2‐3、第四分流器2‐4、第一电动三通阀门4‐1、第二电动三通阀门4‐2、第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5、第四电动球阀4‐6、第一电磁阀4‐7、第二电磁阀4‐8、温度传感器6、第一管道3‐1、第二管道3‐2、第三管道3‐3、第四管道3‐4、第五管道3‐5、第六管道3‐6、第七管道3‐7、第八管道3‐8、第九管道3‐9和第十管道3‐10。

具体实施方式

为更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限如此。

如图1、2所示，一种大体积混凝土水冷管道系统，为设置在大体积混凝土1中的多根管道；在大体积混凝土1从上到下或者从下到上，每间隔0.8‐1m的纵向高度布置一层水冷管道，每一层水冷管道有多根，从大体积混凝土1的边沿到中心，每间隔0.8‐1m的水平距离布置一根水冷管道，每层水冷管道中，第一根管道保持其距离大体积混凝土外边界0.8‐1m的距离，沿着混凝土外围边界布置，如图1中的第七管道3‐7和第八管道3‐8，其中第七管道3‐7为去程管道，第八管道3‐8为回程管道，第七管道3‐7和第八管道3‐8是连通的；管道依次向内递进设置，与外层相邻管道的距离为0.8‐1m；相邻水平层管道之间纵向的高差为0.8‐1m；优选管道为76mm内径的镀锌钢管，管道转角处设接头，每处转角均保持角度为90°。优选同一根管道的出口端与进口端的水平距离控制在2m以内，便于管道的检查和管理；优选同一水平层不同管道的进出口开口端间隔开来分散地布置在混凝土的侧面上，避免管道端口的集中造成局部冷却速度过快，产生温度梯度。

每层水冷管道的布置尽量保持在同一平面，如果施工条件不允许可将不同管道在纵向上下措置10cm。

如图3所示，应用上述大体积混凝土水冷管道系统的在建大体积混凝土的智能化水冷系统还包括交换辅助装置和控制装置。

控制装置包括控制器3、温度传感器6、第一电动三通阀门4‐1、第二电动三通阀门4‐2、第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5、第四电动球阀4‐6、第一电磁阀4‐7、第二电磁阀4‐8；控制器3分别与温度传感器6、第一电动三通阀门4‐1、第二电动三通阀门4‐2、第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5、第四电动球阀4‐6、第一电磁阀4‐7和第二电磁阀4‐8连接；温度传感器6有多个，分别安装在第一分流器2‐1、第三分流器2‐3和大体积混凝土1中，在大体积混凝土1中多个温度传感器6间隔设置在两根管道之间；大体积混凝土1中在同一水平层两根间隔管道之间水平距离各0.4‐0.5m的位置预埋温度传感器6，使其分布在相邻两根管道中间，保持沿管道长度每间隔4‐6m长度在管道两侧各安置一处温度传感器6，管道拐角处增加一个温度传感器6，温度传感器6的整体布置上在大体积混凝土1的平面上呈放射形分布。

热交换辅助装置包括热水箱1‐1、冷水箱1‐2、第一分流器2‐1、第二分流器2‐2、第三分流器2‐3、第四分流器2‐4；热水箱1‐1分别通过第一管道3‐1、第九管道3‐9和第十管道3‐10与第一电动三通阀门4‐1、第一分流器2‐1和第二分流器2‐2连接，第一电动三通阀门4‐1分别通过第二管道3‐2和第五管道3‐5与第一分流器2‐1和第二分流器2‐2连接；冷水箱1‐2通过第三管道3‐3与第二电动三通阀门4‐2连接，第二电动三通阀门4‐2分别通过第四管道3‐4和第六管道3‐6与第三分流器2‐3和第四分流器2‐4连接；热水箱1‐1和冷水箱1‐2内设有水泵，泵送水到第一管道3‐1和第三管道3‐3中。

热水箱1‐1与第一分流器2‐1和第二分流器2‐2连接的管道上分别设有第二电磁阀4‐8和第一电磁阀4‐7；第一分流器2‐1和第三分流器2‐3分别通过多根管道与大体积混凝土1中多根去程管道连接；第一分流器2‐1与大体积混凝土1中多根去程管道连接的管道上设有第一电动球阀4‐3，第三分流器2‐3与大体积混凝土1中多根去程管道连接的管道上设有第二电动球阀4‐4；第二分流器2‐2和第四分流器2‐4分别通过多根管道与大体积混凝土1中多根回程管道连接；第二分流器2‐2与大体积混凝土1中多根回程管道连接的管道上设有第四电动球阀4‐6，第四分流器2‐4与大体积混凝土1中多根回程管道连接的管道上设有第三电动球阀4‐5；第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5和第四电动球阀4‐6都包含多个阀门，每根管道上都有一个阀门。

上面的去程管道和回程管道都是瞬时的，因为通过阀门控制，水流的方向不时变换，只是为了表述方便，将首次的水流去程的管道定义为去程管道，将首次回流的管道定义为回程管道，去程管道和回程管道没有明显的分界点，是连通在一起的。

第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5和第四电动球阀4‐6为流量控制阀，控制相应管道中的水流流量；第二电磁阀4‐8和第一电磁阀4‐7为开闭控制阀门，控制相应管道的开闭状态。温度传感器6优选PT100型温度传感器。

本实用新型安装于大体积混凝土内部的多根管道用于实现混凝土内部的热量交换，将热量从大体积混凝土中导出，以控制大体积混凝土整体的温度梯度。

冷水箱1‐2用于对低温水的储备；热水箱1‐1用于对高温水的储备和经过换热的热水回收；其中每个水箱配备一台水泵，其功率示总共所需的管道条数而定。

在水冷工作开始之前通过有限元软件优化出整体进度控制方案，提取其各个时间节点大体积混凝土1整体和局部的温度信息，储存在控制器3中，设为实际水冷进度目标；根据实际工程特性人工制定合理的大体积混凝土1内部温度梯度控制水平，预存取在控制系统3中作为控制标准。

控制器3通过分析预埋在大体积混凝土1中的温度传感器6采集的温度数据获得整体水冷控制速率参数及温度梯度参数，由整体水冷控制速率参数比对预设在控制器3中的进度目标，修正得出当前所需的冷却水总体温度T及速率V；进一步由温度梯度参数比对预设的温度梯度控制水平分配出各个管道冷却水的个体温度T₀及速率V₀。

对应于大体积混凝土1内部温度分布内高外低呈径向分布的特点，设置中心层管道冷却水流以较快的冷却速度，即较低的温度T₀和较大的速率V₀；外层管道冷却水流以较小的冷却速率，即较高的温度T₀和较小的速率V₀。

控制器3通过实时采集预埋在各个分流器中的温度传感器6的数据，获得冷热水流即时温度值T₁和T₂。

控制器3根据分析得出的各股冷却水流控制温度T₀及速率V₀，结合冷热水流的即时温度T₁和T₂，反算出所需的冷热水即时流量V₁和V₂(算法如下)，并将其指令发送至电动球阀。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{T_1{V}_1+T_2{V}_2}{V_1+V_2}=T_0\\ V_1+V_2=V_0\end{array}\right.$

式中T₁和T₂为实测数据，T₀和V₀为控制系统分析得出的控制参数，也是已知量。则以上方程组变为V₁和V₂未知量的线性方程组，便于解出。

该系统中所示阀门均为电气化控制阀门，包括各电动三通阀门、电动球阀及电磁阀门，用于接受控制器3发回的指令，并自发响应。

控制器3协同控制第一电动三通阀门4‐1、第二电动三通阀门4‐2、第一电磁阀4‐7、第二电磁阀4‐8的开闭状态，用以实现冷却水流的循环变向。

控制器3通过控制第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5、第四电动球阀4‐6的流量，实现对混合冷却水温度T₀及速率V₀的控制，进而控制水冷速率。

以一股在第七管道3‐7中混合的冷却水为例说明水流循环及控制过程：

热水箱1‐1中的水泵将热水送至进第一管道3‐1，通过第一电动三通阀门4‐1的控制将热水转送至第二管道3‐2，随后热水进入第一分流器2‐1(第二电磁阀4‐8闭合)，分流成若干股热水流(示工程实际需要而定)；

冷水箱1‐2中的水泵将冷水送至进第三管道3‐3，通过第二电动三通阀门4‐2的控制将冷水通过第四管道3‐4进入第三分流器2‐3，分流成若干股冷水流(与热水流相对应)；

通过第一电动球阀4‐3(流量控制阀门)后特定流量的热水与通过第二电动球阀4‐4后特定流量的冷水在第七管道3‐7中混合，得到预定温度T₀及速率V₀的冷却用水，实现对冷却用水温度和流量的精确控制；

第七管道3‐7中的冷却用水在通过换热系统换热后回到第八管道3‐8中，在吸收了换热系统混凝土内部的热量后换热水被加热，此时第四电动球阀4‐6状态为全开，第一电动三通阀门4‐1在第五管道3‐5的方向关闭，第一电磁阀4‐7状态为打开，故水流被引入第二分流器2‐2，进而通过第十管道3‐10被导入热水箱1‐1实现重复利用；

以上所述为单根管道的单向循环及控制实例，其他管道情况与上述相似，不一一赘述。

本实用新型可方便实现在换热系统同一管道内水流的变向，换热辅助系统是一个上下对称的结构，故通过相反与上述阀门的开合情况的操作即可实现。

以一股在第八管道3‐8中混合的冷却水为例说明水流反向循环及控制过程：

热水箱1‐1中的水泵将热水送至进第一管道3‐1，通过第一电动三通阀门4‐1的控制将热水转送至第五管道3‐5，随后热水进入第二分流器2‐2(第一电磁阀4‐7闭合)，分流成若干股热水流(示工程实际需要而定)；

冷水箱1‐2中的水泵将冷水送至进第三管道3‐3，通过第二电动三通阀门4‐2的控制将冷水通过第六管道3‐6进入第四分流器2‐4，分流成若干股冷水流(与热水流相对应)；

通过第四电动球阀4‐6(流量控制阀门)后特定流量的热水与通过第三电动球阀4‐5后特定流量的冷水在第八管道3‐8中混合，得到预定温度T₀及速率V₀的冷却用水，实现对冷却用水温度和流量的精确控制；

第八管道3‐8中的冷却用水在通过换热系统换热后回到第七管道3‐7中，在吸收了换热系统混凝土内部的热量后换热水被加热，此时第一电动球阀4‐3状态为全开，第一电动三通阀门4‐1在第二管道3‐2的方向关闭，第二电磁阀4‐8状态为打开，故水流被引入第一分流器2‐1，进而通过第九管道3‐9被导入热水箱1‐1实现重复利用；

水流变向的循环时间间隔与换热系统整体换热速率相对应，是一个先快后慢的过程，考虑到单向通水时间较长将导致大体积混凝土1内部出现明显的局部温度梯度，优选变向的时间间隔设为5min、10min，分别对应于大体积混凝土1内部升温及温度较高阶段、温度较低阶段；与之对应的，控制系统在每次水流变向的时刻重新分析各温度传感器的实时数据，更新出新的控制参数，对水冷速率自动进行调整。

Claims (6)

1.一种大体积混凝土水冷管道系统，其特征在于，在大体积混凝土中从上到下或者从下到上，每间隔0.8‐1m的纵向高度布置一层水冷管道；每一层水冷管道有多根管道，每一层水冷管道中，从大体积混凝土的边沿到中心，每间隔0.8‐1m的水平距离布置一根管道，每层第一根管道保持其距离大体积混凝土外边界0.8‐1m的距离，沿着混凝土外围边界布置。

2.根据权利要求1所述的大体积混凝土水冷管道系统，其特征在于，所述管道为76mm内径的镀锌钢管，管道转角处设接头，每处转角均保持角度为90°。

3.根据权利要求1所述的大体积混凝土水冷管道系统，其特征在于，同一根管道的出口端与进口端的水平距离控制在2m以内。

4.根据权利要求1所述的大体积混凝土水冷管道系统，其特征在于，每一层的管道纵向上下措置在10cm内。

5.根据权利要求1所述的大体积混凝土水冷管道系统，其特征在于，同一层不同管道的进出口开口端间隔设置，分散地布置在混凝土的侧面上。

6.根据权利要求1所述的大体积混凝土水冷管道系统，其特征在于，在大体积混凝土中从上到下或者从下到上，每间隔1m的纵向高度布置一层水冷管道。