CN204718769U - 一种可实现差热式上升流的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可实现差热式上升流的实验装置。本实用新型包括实验水箱、模拟热源系统、上层冷却装置、温度测量系统四个部分。实验水箱是一个底部打孔、上部未封闭的玻璃箱，并安放在金属支撑台架上。所述模拟热源系统由自动温控装置与加热单元两部分所组成；所述自动温控装置实现对加热单元的自动和手动控制。上层冷却装置采用紫铜管连续弯曲制作而成，并通过软水管与冷却水池连接成一个循环系统。温度测量系统由一个数据采集仪和若干个K 型热电偶组成；K 型热电偶以一定的间隔沿一根细直金属杆均匀分布。本实用新型结构简单，能有效模拟差热式人工上升流，从而确定其产生机理。

Description

一种可实现差热式上升流的实验装置

技术领域

本实用新型属于海洋技术装备领域，涉及一种可实现差热式上升流的实验装置。

背景技术

我国近海海域辽阔，拥有富饶的渔场，海洋渔业资源丰富。但是近年来，由于我国近海生态环境急剧恶化，渔业资源严重衰退。透光层内海水营养成分的补充是改善海水鱼类食物链的环境条件和海水野生鱼类自然增产的关键，如果营养盐能够被上升海流带至海洋表面，再经光合作用产生大量浮游生物，该海域就会成为适合鱼类等海洋生物生存的环境，世界上主要渔场大多分布在上升流发生频繁的海域。

人工上升流就是通过人工的方式产生上升的海流，从而将海水深处的营养盐带到透光层。现有的人工上升流技术有以下几种：在海床上构建某种功能结构，将海洋底层海水的水平流动部分转变为向上的上升流，这种方法可能会破坏原本的海洋生态且实施的难度较高；该装置采用浮在海上的大型海洋平台，以水泵吸水的方式来抽取深层海水形成上升流，这种方式效率低；将压缩空气打入海中形成气泡群，气泡在浮升力的作用下向上运动，带动周围海水向上运动形成上升流，气泡的运输问题很难解决。除此之外还有一种全新的人工上升流技术——差热式人工上升流，所谓差热式人工上升流技术是指通过人工的方式加热较深处低温水层的海水，在低温水层形成局部热温区，根据流体力学原理，流体内的温度梯度会引起密度梯度，通常高温流体密度低，低温流体密度高，因此热温区的低密度海水将在因重力而产生的浮生力作用下自然上升，产生上升流。

为了研究差热式人工上升流的产生机理，并在实验室进行模拟实验，开发相关实验台迫在眉睫。目前，差热式人工上升流是一种全新的技术，用于科研的较完善的可实现差热式人工上升流的实验台未见大范围的推广。

发明内容

本实用新型目的是克服现有技术的不足，提供一种可实现差热上升流的实验装置，可实现模拟海洋环境下，不同形式差热式人工上升流基础特性的实验研究。

本实用新型包括实验水箱、模拟热源系统、上层冷却装置、温度测量系统四个部分。

所述实验水箱是一个底部打孔、上部未封闭的玻璃箱，并安放在金属支撑台架上；玻璃箱周围四个面和底面选用超白玻璃，水箱底部的通孔用来安装固定加热热源。

所述模拟热源系统由自动温控装置与加热单元两部分所组成；所述自动温控装置实现对加热单元的自动和手动控制；所述加热单元在上升流实验系统中作为热源提供实验所需的加热功率或加热温度，加热单元由加热棒和石英玻璃管两部分所组成，加热棒是圆柱形单头加热棒；石英玻璃管和加热棒之间用螺纹连接；石英玻璃管外部嵌套一个空心橡胶塞，该橡胶塞通过AB胶与实验水箱底部通孔相连，在连接处涂有密封脂确保有效密封；石英玻璃管外表面贴有刻度纸，方便观察加热热源在实验水箱中所处的高度。

所述上层冷却装置采用紫铜管连续弯曲制作而成，并通过软水管与冷却水池连接成一个循环系统。

所述温度测量系统由一个数据采集仪和若干个K 型热电偶组成；K 型热电偶以一定的间隔沿一根细直金属杆均匀分布，细直金属杆上端固定在上层冷却装置上，细直金属杆最下端的热电偶距离热源最上端10mm。

本实用新型的有益效果是：

1、实验水箱的材料选用超白玻璃，能够保证清晰完整的观测整个上升流流场流态。

2、加入了上层冷却装置用来防止因为热源连续加热而导致的水箱整体水温升高，从而保持实验水箱上层水温恒定，以模拟实际的海洋环境。

3、根据实验要求，可通过温控装置自动或手动调控加热棒的加热功率和加热温度，从而便于研究上升流产生的临界条件和不同的加热单元加热功率（或加热温度）下的上升流流场特性。

4、根据实验要求，可以使加热棒于密封条件下在水箱底部实现上下移动，从而调节热源距离水面或水底的高度。

5、温度数据采集装置能够获得上升流中心区域沿高度方向上的温度数据，并利用相关显示软件形象的分析温度变化。

6、在本实用新型的系统基础上，可增加图像采集系统或流场测试系统，进而研究上升流的速度场和温度场。

附图说明

图1是本实用新型的实验台总体设计布局图；

图2是本实用新型的实验水箱结构示意图；

图3是本实用新型的模拟热源系统结构示意图；

图4是本实用新型的上层冷却装置结构示意图；

图5是本实用新型的温度数据采集装置结构示意图。。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，差热上升流实验装置，包括实验水箱01、模拟热源系统02、上层冷却装置03、温度数据采集装置04。

如图2所示，实验水箱01包括水箱玻璃外壳101、铁架102，其中水箱玻璃外壳101由超白玻璃密封而成，水箱所用玻璃都有抗高压、不易变形、透光性好的特点，采用超白玻璃更有利于实验人员观察，拍照记录；底面玻璃被铁架支撑起来，玻璃中心位置加工出一个孔，用于模拟热源系统02的安装。

如图3所示，模拟热源系统02包括自动温控装置201、加热单元202，所述自动温控装置201由温度控制器2011、温度传感器2012、过温保护继电器2013、过温保护开关2014、固态继电器2015和电位器2016组合而成，温度控制器2011要求测量精度高，具备标准PID、AI人工智能调节APID或MPT等多种调节方式，具有自整定、自学习功能，无超调及无欠调的优良控制特性，也可以使用位式控制（ON-OFF）功能，这样既可以实现自动温度控制，也可以满足人工手动调节；固态继电器2015具有单相可调压的特点，与电位器2016配合实现对负载电压的人工控制，可在0-220V电压范围内无级调节；温度传感器2012采用微型K型热电偶，能减小热电偶的存在对上升流流场的影响；过温保护开关2014处于关闭状态时，人工手动调节电位器2016，通过改变输出电压来改变热源202加热功率，此时温控器2011通过继电器2015控制热源202以设定功率加热周围冷水，热源202以恒定功率模式加热，过温保护开关2014处于打开状态时，如果热源202表面温度达到温控器2011设定的温度上限，则温控器2011会通过继电器2015控制热源202以设定温度对周围水进行加热，此时热源202以恒定温度模式加热，这个控制过程是通过智能温控器PID算法实现的。所述加热单元202由单头加热棒2021、石英玻璃管2022、空心橡胶塞2023、刻度纸2024组成，单头加热棒2021通过螺纹连接固定在石英玻璃管2022；石英玻璃管2022外部嵌套一个空心橡胶塞2023，用AB胶与实验水箱连接，连接处涂有密封脂用来确保密封性，石英玻璃管2022通过固定的空心橡胶塞2023实现上下移动，就可以调节热源距离水面或水底的高度；石英玻璃管2022外表面贴有刻度纸2024，用来观察加热热源202在实验水箱中所处的高度，石英玻璃具有耐高温、化学稳定性和电绝缘性能良好等特性，可以满足实验环境需要。

如图4所示，上层冷却装置03由一个紫铜管301制作而成，将紫铜管301连续弯曲成U型，增大了接触面积，提高了换热效率。紫铜管301通过软水管与冷却水池连接成一个循环系统，冷却水池根据实验需要提供相应水温的冷却水，并利用小功率水泵实现冷却水的循环利用，减少水资源的消耗。冷却装置可以用来防止因为热源连续加热而导致的水箱整体水温升高，从而保持实验水箱上层水温恒定，以模拟实际的海洋环境

如图5所示，温度数据采集装置04包括数据采集仪401、K型热电偶402、金属杆403，其中K 型热电偶402以一定的间隔沿一根细直金属杆403均匀分布，细直金属杆403上端可以固定在上层冷却装置上，细直金属杆最下端的热电偶距离热源最上端10mm。热电偶402能够获得上升流中心区域沿高度方向上的温度数据，并利用数据采集仪401里的显示软件形象的分析温度变化。

使用这种差热上升流实验装置的方法包括实验水箱的装配、水箱注水、安装冷却装置、安装温度测量系统、上升流的产生五个部分，具体步骤如下：

步骤一 装配实验水箱，用铁架102支撑玻璃水箱101，再将模拟热源系统中的自动温控装置201和加热单元202两部分组装好，自动温控装置201由温度控制器2011、温度传感器2012、过温保护继电器2013、过温保护开关2014、固态继电器2015和电位器2016组合而成，加热单元202是一个用螺纹连接固定在石英玻璃管2022上的单头加热棒2021，在石英玻璃管2022外部嵌套一个空心橡胶塞2023，之后用AB胶与实验水箱连接，确保有效的密封。

步骤二 水箱注水，将工作水池与实验水箱01用软水管连接起来，通过软水管向水箱注水。

步骤三 安装冷却装置，将紫铜管301连续弯曲制成的冷却装置装在实验水箱01的上层水位中，冷却装置通过软水管与冷却水池组成一个循环系统，用来保持实验水箱上层水温恒定。

步骤四 安装温度测量系统，选取一根细直的金属杆403，将K 型热电偶402以一定的间隔固定在金属杆上，而金属杆的上端固定在上层的冷却装置。

步骤五 上驱动上升流产生，将模拟热源系统02接上电源，自动温控装置201可对加热单元202的加热功率和表面温度进行调控，温装置周围的水被加热后，密度变小，就会在浮升力作用下自然上升，从而产生上升流。

以上对本实用新型专利所提供的一套系统进行了详细的介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的构思，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本套系统的限制，凡依本实用新型设计思想所做的任何改变都在本实用新型专利的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可实现差热式上升流的实验装置，包括实验水箱、模拟热源系统、上层冷却装置、温度测量系统四个部分，其特征在于：

所述实验水箱是一个底部打孔、上部未封闭的玻璃箱，并安放在金属支撑台架上；玻璃箱周围四个面和底面选用超白玻璃，水箱底部的通孔用来安装固定加热热源； 

所述模拟热源系统由自动温控装置与加热单元两部分所组成；所述自动温控装置实现对加热单元的自动和手动控制；所述加热单元在上升流实验系统中作为热源提供实验所需的加热功率或加热温度，加热单元由加热棒和石英玻璃管两部分所组成，加热棒是圆柱形单头加热棒；石英玻璃管和加热棒之间用螺纹连接；石英玻璃管外部嵌套一个空心橡胶塞，该橡胶塞通过AB胶与实验水箱底部通孔相连，在连接处涂有密封脂确保有效密封；石英玻璃管外表面贴有刻度纸，方便观察加热热源在实验水箱中所处的高度；

所述上层冷却装置采用紫铜管连续弯曲制作而成，并通过软水管与冷却水池连接成一个循环系统；

所述温度测量系统由一个数据采集仪和若干个K 型热电偶组成；K 型热电偶以一定的间隔沿一根细直金属杆均匀分布，细直金属杆上端固定在上层冷却装置上，细直金属杆最下端的热电偶距离热源最上端10mm。