CN214628247U - 一种粮仓能源桩试验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种粮仓能源桩试验平台；该试验平台包括控温隔热系统、能源桩模型、粮仓模型、筏板模型、能源转换系统以及热、力学监控制系统；所述控温隔热系统包括叠加设置的上控温隔热箱和下控温隔热箱，所述粮仓模型设置于所述上控温隔热箱内，所述能源桩模型设置于所述下控温隔热箱内，所述能源桩模型和所述粮仓模型之间设置有所述筏板模型，所述能源桩模型和所述粮仓模型分别与所述能源转换系统连接；所述热、力学监控制系统分别用于监测所述控温隔热系统、能源桩模型、粮仓模型和能源转换系统。本实用新型基于上述试验平台，达到了利用试验平台模拟粮仓运行，从而研究系统循行过程中热力学变化的目的。

Description

一种粮仓能源桩试验平台

技术领域

本实用新型涉及粮食的热力学特性测试领域领域，特别是涉及一种粮仓能源桩试验平台。

背景技术

中国是一个粮食生产大国。粮食安全关乎国计民生。随着人们生活水平的日益提高，对于食物品质的要求也在逐步加强。粮食在储藏的过程中会产生高温、霉变、虫害等问题，传统的方式采用人工制冷和熏蒸对这些问题进行防治。这就造成粮食在储存的过程中会消耗大量的能源，这与我国的绿色发展理念相悖。因此，寻求一种可替代的清洁能源就成为目前迫切需要解决的问题。

地热能作为一种分布广、储量大并且可再生的清洁能源，发展利用的潜力极大。能源桩技术是将建筑桩基变成地源热泵系统的一部分，在桩基内埋置换热管，通过泵机实现地热的循环。目前能源桩在一般建筑中也有应用，而众多学者对能源桩热力响应的研究也从未停止。能源桩技术与现代粮仓相结合是一种新的储粮方式。然而环境温度等影响，对粮仓和能源桩之间的换热效率会产生一定影响，制约着能源桩和粮仓的结合，为此，研究环境温度对粮仓、能源桩之间的换热效率的影响规律，为粮仓设计，粮食绿色储藏等提供理论依据成为亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种粮仓能源桩试验平台，以解决上述现有技术存在的问题，通过模拟不同温度下能源桩、粮仓的热循环，可以研究不同工况下能源桩的换热能力，为能源桩在仓储领域的应用提供一个试验研究平台。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种粮仓能源桩试验平台，包括控温隔热系统、能源桩模型、粮仓模型、筏板模型、能源转换系统以及热、力学监控制系统；所述控温隔热系统包括叠加设置的上控温隔热箱和下控温隔热箱，所述粮仓模型设置于所述上控温隔热箱内，所述能源桩模型设置于所述下控温隔热箱内，所述能源桩模型和所述粮仓模型之间设置有所述筏板模型，所述能源桩模型和所述粮仓模型分别与所述能源转换系统连接；所述热、力学监控制系统分别用于监测所述控温隔热系统、能源桩模型、粮仓模型和能源转换系统。

可选的，所述上控温隔热箱和下控温隔热箱结构相同，均包括有机玻璃层，所述有机玻璃层外贴附有加热片，所述有机玻璃层和所述加热片之间设置有保温材料层。

可选的，所述热、力学监控制系统包括温度传感器、数据采集器和温度控制器；所述温度传感器均匀设置于所述控温隔热系统内，所述数据采集器和所述温度控制器分别设置于所述能源转换系统上，所述温度控制器与所述加热片连接；所述温度传感器和温度控制器分别与所述数据采集器连接。

可选的，所述能源桩模型包括均匀填充于所述下控温隔热箱内的填料，所述填料内插设有多个能源桩，所述填料内均匀插设有多个所述温度传感器。

可选的，所述能源桩包括通过管材模浇筑的混凝土柱，所述混凝土柱内设置有钢筋笼，所述钢筋笼内绑定有U型结构的换热管，所述换热管自上至下依次连接有三个振弦式应变计，所述换热管和振弦式应变计均位于所述混凝土柱内；所述能源桩底部放置有土压力盒。

可选的，所述粮仓模型包括粮仓，所述粮仓包括截面为圆形的仓壁，所述仓壁顶部设置有锥形结构的仓顶，所述仓顶上部设置有环形提手；所述仓壁上自上至下均匀布置有多个温湿度传感器，所述温湿度传感器与所述数据采集器连接；所述仓壁上方和下方均开设有一个通风口；所述粮仓内底部设置有十字交叉形结构的地上笼。

可选的，所述筏板模型包括筏板基础和能源桩安装凹槽；所述筏板基础与所述粮仓底部连接；所述筏板基础上设有所述能源桩安装凹槽，所述能源桩安装凹槽与所述能源桩顶部连接。

可选的，所述能源转换系统包括制冷机，所述换热管顶部开设有换热管出水口和换热管入水口，所述制冷机包括制冷机入水口和制冷机出水口；所述换热管出水口通过水管与所述制冷机入水口连通，所述换热管入水口与所述制冷机出水口连通；所述制冷机上连接有第一通风管和第二通风管，所述第一通风管与所述仓壁上方的通风口连通，所述第二通风管穿过所述仓壁下方的通风口后与所述地上笼连通；所述数据采集器设置于所述制冷机上，所述数据采集器连接有用于温湿度监测和数据存储的电子计算机。

本实用新型还提供一种粮仓能源桩试验平台的试验运行方法，包括如下步骤：

步骤一，能源桩的预制：能源桩钢筋笼分别在上、中、下部布置带有测温功能的振弦式应变计；采用管材对钢筋笼进行支模；并用混凝土进行灌注，标准养护28天后拆模；

步骤二，在测试开始之前，先将仪器和管道内的气体排出，通过制冷机水泵将流量调至最大，循环1～2分钟后将仪器和管道内的空气排出；

步骤三，打开下控温隔热系统的顶盖，能源桩下放置土压力盒，分层放置填料；将筏板基础与能源桩连接；打开上控温隔热系统的顶盖，通过提手取出粮仓顶盖，放入试验所需的试样，放入后将两个顶盖改好，确保其气密性；

步骤四，打开上控温隔热箱的温度控制器和下控温隔热箱的温度控制器；温度传感器监测上控温隔热箱内的粮仓外的空气温度与桩周填料的温度；温度传感器与温度控制器之间的调控将空气和土都控制在试验所需温度；

步骤五，打开制冷机，通过制冷机内的泵机实现能源桩内各换热管内水的循环；制冷机将低温水转换为低温的空气，经通风管传输至粮仓上部通风口和下部通风口处布置的地上笼；

步骤六，通过布置在粮仓内的温湿度传感器、能源桩内的振弦式应变计、土压力盒、粮仓内部与桩周填料温度传感器实时监测粮仓内各各位置温湿度、应力与变形的变化，利用数据采集器对实时数据进行采集并传递至计算机，使用计算机对采集的数据整理与存储。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型能够可控的调节粮仓内部与桩周填料的温度，符合粮食真实储粮环境。可调节换热流速、换热管直径等工况，为试验提供更多数据。筏板基础下设置能源桩安装凹槽，可控的设置能源桩与普通桩的数量，可进行不同能源桩使用比例下的能源桩承载力、换热效率等研究。采用基于系统模块的全自动数据采集系统，数据读取与分析较人工读取更加准确、便捷。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型粮仓能源桩试验平台结构示意图；

图2为本实用新型能源桩结构示意图；

图3为本实用新型控温隔热系统局部剖视结构示意图；

图4为本实用新型制冷机结构示意图；

图5为本实用新型筏板模型结构俯视示意图；

图6为本实用新型筏板模型结构侧视示意图；

附图标记说明：粮仓能源桩试验平台100；上控温隔热箱1-1；下控温隔热箱1-2；温度传感器1-3；温度控制器1-4；保温材料层1-5；加热片1-6；数据采集器1-7；能源桩2-1；填料2-2；土压力盒2-3；钢筋笼2-4；振弦式应变计2-5；换热管2-6；PVC管材2-7；混凝土2-8；粮仓3-1；通风口3-2；第一通风管3-21；第二通风管3-22；温湿度传感器3-3；仓顶3-4；环形提手3-5；仓壁3-6；地上笼3-7；筏板基础4-1；能源桩安装凹槽4-2；小型制冷机5-1；水管5-2；换热管出水口5-3；制冷机入水口5-4；制冷机出水口5-5；换热管入水口5-6；电子计算机6-1。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种粮仓能源桩试验平台，以解决上述现有技术存在的问题，通过模拟不同温度下能源桩、粮仓的热循环，可以研究不同工况下能源桩的换热能力，为能源桩在仓储领域的应用提供一个试验研究平台。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-图6所示，本实用新型提供一种粮仓能源桩试验平台100，包括控温隔热系统、能源桩模型、粮仓模型、筏板模型、能源转换系统以及热、力学监控制系统。

具体的，温控隔热系统包括上控温隔热箱1-1、下控温隔热箱1-2、温度传感器1-3、温度控制器1-4与保温材料层1-5；上控温隔热箱1-1和下控温隔热箱 1-2的材质为有机玻璃，上控温隔热箱1-1和下控温隔热箱1-2的顶部可打开；在上控温隔热箱1-1内布设温度控制器1-4，温度控制器1-4与数据采集器1-7 连接；上、下控温隔热箱外贴加热片1-6，并分别与其相对应的温度控制器1-4 连接；在控温隔热箱周围包裹保温材料层1-5。

能源桩模型包括能源桩2-1、填料2-2、温度传感器1-3、土压力盒2-3、钢筋笼2-4、振弦式应变计2-5、换热管2-6、PVC管材2-7、混凝土2-8。能源桩的钢筋笼2-4上绑定换热管2-6，同时分别在上、中、下部布置带有测温功能的振弦式应变计2-5；采用PVC管材2-7对钢筋笼2-4进行支模；并用标准标号的混凝土2-8进行灌注，标准养护28天后拆模；能源桩2-1放置在下控温隔热箱 1-2内，剩余空间由填料2-2填满；边桩在距桩轴线的距离分别为1D、2D、3D (D为桩直径)土体中均安置3个温度传感器1-3；中桩在距两桩轴线的距离分别为1D、2D(D为桩直径)土体中均安置2个温度传感器1-3；在每根能源桩底放置土压力盒2-3。

粮仓模型包括粮仓3-1、通风口3-2、温湿度传感器3-3。粮仓模型放置在上控温隔热箱内1-1；仓顶3-4为锥形，仓顶3-4设置有环形提手3-5，位于仓壁 3-6上方；仓壁3-6横截面为圆环状，并在仓壁的上、中、下部布置温湿度传感器3-3，温湿度传感器3-3与数据采集器1-7连接；通风口3-2分别布设在仓壁 3-6上方和底部位置；粮仓3-1内底部布置十字交叉形结构的地上笼3-7。

筏板模型包括筏板基础4-1与能源桩安装凹槽4-2。筏板基础4-1与粮仓3-1 连接；筏板基础4-1设有能源桩安装凹槽4-2并与能源桩连接。

能源转换系统包括能源桩换热管2-6、通风管3-2、地上笼3-7、制冷机、和水管5-2，制冷机采用小型制冷机5-1。采用水管5-2将换热管出水口5-3与制冷机入水口5-4连接；制冷机出水口5-5与换热管入水口5-6连接；制冷机通风管分为第一通风管3-21与第二通风管3-22两个部分，第一通风管3-21连接仓壁上方的通风口3-2，第二通风管3-22通过粮仓的下部通风口3-2连接地上笼3-7。制冷机内置水泵连接能源桩的换热管出水口，将冷水送入制冷机内部，利用水汽蒸发的过程中会吸收周围热量的这一物理特性，在制冷机的进风通道处安装降温水帘，又称湿帘。当空气经过湿帘时，热量被吸收，空气温度降低5～8℃。温度降低后的空气通过水冷式空调的送风管道经通风管送入粮仓内部，降低粮仓内的温度。由于经过水冷式空调的空气含有大量的水汽，因此会再次蒸发，进一步降低温度，在干燥的地区可以降低10℃以上。经过与空气换热后的水温度将会升高，此时再通过换热管进水口，将温度较高的水送入能源桩，利用其稳定的低温环境将高温水温度降低，降低的水又可以通过水泵进入制冷机内部。这样就将形成了冷热能量交换的循环回路。

温度监测系统包括温湿度传感器3-3、数据采集器1-7及用于温湿度监测和数据存储的电子计算机6-1。在能源桩上、中、下部布置带有测温功能的振弦式应变计2-5；边桩在距桩轴线的距离分别为1D、2D、3D(D为桩直径)土体中均安置3个温度传感器1-3；中桩在距两桩轴线的距离分别为1D、2D(D为桩直径)土体中均安置2个温度传感器1-3；在每根能源桩底放置土压力盒2-3。

本实用新型还提供了一种粮仓能源桩试验平台的试验运行方法，具体步骤如下：

步骤一，能源桩2-1的预制：能源桩钢筋笼2-4分别在上、中、下部布置带有测温功能的振弦式应变计2-5；采用PVC管材2-7对钢筋笼2-4进行支模；并用标准标号的混凝土2-8进行灌注，标准养护28天后拆模；填筑过程中，在控温隔热箱内放置温度传感器1-3；在能源桩上、中、下部布置带有测温功能的振弦式应变计2-5。

步骤二，在测试开始之前，应先将仪器和管道内的气体排出，通过小型制冷机5-1水泵将流量调至最大，循环1～2分钟后将仪器和管道内的空气排出。

步骤三，打开下控温隔热系统的顶盖，能源桩下放置土压力盒2-3，分层放置填料2-2；将筏板基础4-1与能源桩2-1连接；打开上控温隔热系统的顶盖，通过提手3-5取出粮仓顶盖，放入试验所需的试样3-8，放入后将两个顶盖改好，确保其气密性。

步骤四，打开上控温隔热箱1-1的温度控制器1-4和下控温隔热箱1-2的温度控制器1-4；温度传感器1-3监测上控温隔热箱1-1内的粮仓3-1外的空气温度与桩周填料2-2的温度；温度传感器1-3与温度控制器1-4之间的调控将空气和土都控制在试验所需温度。

步骤五，打开小型制冷机5-1。通过小型制冷机5-1内的泵机实现能源桩2-1 内各换热管2-6内水的循环。泵机抽取能源桩2-1内温度较低的水进入小型制冷机5-1内，小型制冷机5-1将低温水转换为低温的空气，经第二通风管3-22传输至粮仓上部通风口3-2和下部通风口3-2布置的地上笼3-7。

步骤六，通过布置在粮仓3-1内的温湿度传感器3-3、能源桩内的振弦式应变计2-5、土压力盒2-3、粮仓内部与桩周填料温度传感器1-3实时监测粮仓3-1 内各各位置温湿度、应力与变形的变化，利用数据采集器1-7对实时数据进行采集并传递至计算机6-1，使用计算机6-1对采集的数据整理与存储。通过对实时试验数据的分析即可得到粮仓3-1的温度分布、能源桩2-1温度应力与换热能力的情况，也可开展更进一步的研究。

可行性分析：

假设粮仓底面直径为1.20m，高度为2.10m的模型仓，粮食为小麦(小麦的容重为750kg/m³，比热容为1780J/kg.K)，粮仓内初始温度为40℃，通过能源桩装置将粮仓内部温度降到20℃。

m₁＝ρ₁c₁＝750*π/4*1.2*1.2*2.1＝1781.28kg………………(1)

Q₁＝c₁m₁ΔT₁＝1780*1781.28*(40-20)＝6.34*10⁷J/kg.K………(2)

小型制冷机将粮仓内的温度由压缩机传递至能源桩内，能源桩吸收热量，水温降低，再由制冷机将冷风吹至粮仓内。将水流速q控制在0.6m³/h，换热介质为水(水的容重为1000kg/m³，比热容为4200J/kg.K)，能源桩从15℃升至25℃。即：

m₂＝q*t*ρ₂＝0.6*1000t＝600tkg………………(3)

Q₂＝c₂m₂ΔT₂＝4200*600t*(25-15)＝2.52*10⁷t……………(4)

由(2)与(4)可得从粮仓初始温度到目标温度的时间t：

Q₁＝Q₂………………………………………(5)

考虑到热量的损耗问题，取时间为3h。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种粮仓能源桩试验平台，其特征在于：包括控温隔热系统、能源桩模型、粮仓模型、筏板模型、能源转换系统以及热、力学监控制系统；所述控温隔热系统包括叠加设置的上控温隔热箱和下控温隔热箱，所述粮仓模型设置于所述上控温隔热箱内，所述能源桩模型设置于所述下控温隔热箱内，所述能源桩模型和所述粮仓模型之间设置有所述筏板模型，所述能源桩模型和所述粮仓模型分别与所述能源转换系统连接；所述热、力学监控制系统分别用于监测所述控温隔热系统、能源桩模型、粮仓模型和能源转换系统。

2.根据权利要求1所述的粮仓能源桩试验平台，其特征在于：所述上控温隔热箱和下控温隔热箱结构相同，均包括有机玻璃层，所述有机玻璃层外贴附有加热片，所述有机玻璃层和所述加热片之间设置有保温材料层。

3.根据权利要求2所述的粮仓能源桩试验平台，其特征在于：所述热、力学监控制系统包括温度传感器、数据采集器和温度控制器；所述温度传感器均匀设置于所述控温隔热系统内，所述数据采集器和所述温度控制器分别设置于所述能源转换系统上，所述温度控制器与所述加热片连接；所述温度传感器和温度控制器分别与所述数据采集器连接。

4.根据权利要求3所述的粮仓能源桩试验平台，其特征在于：所述能源桩模型包括均匀填充于所述下控温隔热箱内的填料，所述填料内插设有多个能源桩，所述填料内均匀插设有多个所述温度传感器。

5.根据权利要求4所述的粮仓能源桩试验平台，其特征在于：所述能源桩包括通过管材模浇筑的混凝土柱，所述混凝土柱内设置有钢筋笼，所述钢筋笼内绑定有U型结构的换热管，所述换热管自上至下依次连接有三个振弦式应变计，所述换热管和振弦式应变计均位于所述混凝土柱内；所述能源桩底部放置有土压力盒。

6.根据权利要求5所述的粮仓能源桩试验平台，其特征在于：所述粮仓模型包括粮仓，所述粮仓包括截面为圆形的仓壁，所述仓壁顶部设置有锥形结构的仓顶，所述仓顶上部设置有环形提手；所述仓壁上自上至下均匀布置有多个温湿度传感器，所述温湿度传感器与所述数据采集器连接；所述仓壁上方和下方均开设有一个通风口；所述粮仓内底部设置有十字交叉形结构的地上笼。

7.根据权利要求6所述的粮仓能源桩试验平台，其特征在于：所述筏板模型包括筏板基础和能源桩安装凹槽；所述筏板基础与所述粮仓底部连接；所述筏板基础上设有所述能源桩安装凹槽，所述能源桩安装凹槽与所述能源桩顶部连接。

8.根据权利要求7所述的粮仓能源桩试验平台，其特征在于：所述能源转换系统包括制冷机，所述换热管顶部开设有换热管出水口和换热管入水口，所述制冷机包括制冷机入水口和制冷机出水口；所述换热管出水口通过水管与所述制冷机入水口连通，所述换热管入水口与所述制冷机出水口连通；所述制冷机上连接有第一通风管和第二通风管，所述第一通风管与所述仓壁上方的通风口连通，所述第二通风管穿过所述仓壁下方的通风口后与所述地上笼连通；所述数据采集器设置于所述制冷机上，所述数据采集器连接有用于温湿度监测和数据存储的电子计算机。

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