模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台制造技术

本发明专利技术公开了模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台，恒温水浴箱内设有水泵通过pvc管使恒温水浴箱内的热水进行外部循环，土体试验箱采用耐酸碱性能好、抗冲击力强的亚格力板(厚3cm)加工而成，为保证渗流场的均匀、稳定，在内部距箱体左右两侧壁200mm处设置厚20mm可拆卸多孔亚格力板(与箱体有卡槽拼接)，使箱壁与多孔亚格力板中间位置形成水箱。箱体土体填装部分还安装有若干个温度传感器和湿度传感器，整个箱体分7层埋设传感器，渗流层面上下加密布置。本发明专利技术的优点是测量土体时不会造成扰动，一体性好，测试精度高。测试精度高。测试精度高。

【技术实现步骤摘要】
模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台


[0001]本专利技术属于环境岩土测试
，涉及可模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台。

技术介绍

[0002]红黏土是广泛分布于我国云贵高原、两湖两广等地区的一类特殊性土体，因其具有特殊的工程性质，并对工程建设与生态保护等影响巨大而备受学术界关注。相对于一般粘性土来说，红黏土具有特殊的热物理性质，因此，红黏土的热湿传递过程更加复杂。由于岩溶地区一般存在丰富的地下水，因此土体中常常会有饱和
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非饱和渗流。地源热泵作为清洁能源，在环保绿色节能理念被日益重视的今天得到了广泛的应用，拥有广阔的市场前景，土壤源热泵系统是通过地埋管与土壤进行热交换，管段既经过包气带，也经过饱水带，且大部分管段位于饱水带。固、液两相的饱和区(带)中，水分的运动以渗流的形式呈现。已有研究表明，地下水渗流(下文简称渗流)可带走土壤积聚的热量且效果明显，也就是说渗流的存在加快了土中热交换的速度。渗流是地源热泵运行特性的动态因素，会对地源热泵运行特性有较大的影响。在实际工况下，合理考虑地下水的渗流作用，可有效改善地埋管长期运行所产生的热堆积现象，从而保证地源热泵系统能够长时间的高效运行。国内外学者分别从试验、模拟等不同角度对渗流条件下地埋管的传热效能进行研究。但是，仍存在一些不足。一方面渗流下三维数值模拟的研究有很多，但建立三维物理模型却很少，实际工程中渗流是三维情况，所以在模拟三维土体渗流时需要建立三维物理模型控制影响因素加以验证；另一方面物理模型实验基本以砂土为实验对象，很少考虑渗流下的饱和
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非饱和区红黏土的传热性能，在我国以云贵高原、两湖两广等以红黏土为主地区若要应用地源热泵作为清洁能源，必然会以红黏土作为传热介质，因此建立三维物理模型来模拟研究红黏土作为地源热泵的传热介质，实验数据及方法不仅能为实际工程中热泵系统建设中地埋管的优化设计提供参数，同时也能为解决其他特殊土壤的热量传递提供参考。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提出一种可模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的装置，解决了现有的测量设备对土体有一定程度的扰动及影响热量在土体中传导的问题。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是包括土体实验箱和三大系统(恒温热循环系统、注排水渗流系统、综合测定系统)。土体试验箱用来完成实验土体的承载，恒温热循环系统提供恒温热源，注排水渗流系统提供一定渗流速度和渗流水温度，综合测定系统提供数据的自动采集和保存。其中，土体试验箱采用耐酸碱性能好、抗冲击力强的亚格力板(厚3cm)加工而成，实验箱高1600mm，内截面长
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宽为1200mm
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1200mm。在箱体右侧壁距底面高80cm处按等分间距开设直径 60mm的三个出水孔，同样在左侧壁分别距底面65cm、70cm、75cm每层处各开设三个出水孔，所有箱壁上出水孔安装下水器，下水器外接水龙头。为保证渗流场的均匀、稳定，在内部距箱体左右两侧壁200mm处设置厚20mm可拆卸多孔亚格力板(与箱体有卡
槽拼接)，使箱壁与多孔亚格力板中间位置形成水箱。左右水箱底部按等间距各打直径60mm的圆孔三个，方便渗流水的进入。多孔亚格力板内侧铺设土工织布防止细小土粒堵塞多孔板，也可进一步保证渗流的均匀，上部采用可拆卸的箱体盖板，方便土体的制作、传感器的安装以及拆洗；恒温热循环系统包括恒温水浴箱、U型铜管、60W变频水泵和PVC连接管。其中恒温水箱为HX
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80有稳定的内、外循环泵系统及温度调节按钮。U型铜管采用导热性能好的紫铜作为材料，长1m，内径12mm，外径16mm。通过铜管内进水的水温及流量来调节换热量；注排水渗流系统包括亚格力小型水箱(长
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宽
×
高： 400mm
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400mm
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600mm)、水槽(2个)、变频加热器、水盆(内直径1m，高 35cm)、水槽支架(2个)及15W变频水泵2台，水槽长1m深35cm宽30cm，水槽从宽处看过来成U型，在宽
×
深截面靠近底部打孔安装下水器外接软管，水槽下有长1m高55cm水槽支架支撑，变频加热器误差
±
0.5℃。综合测定系统包括PT100 铂电阻温度计(JMT
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36C)、5TM土壤温度传感器、JMZR
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2000T多点温度自动测试系统、MiniTrace水分测定系统和台式电脑一台。
[0005]土体箱体填装部分在填装时分层埋设传感器，分别为距箱底10cm、30cm、 50cm、60cm、90cm、120cm、150m。其中距箱底60cm处按“米”字型铺设传感器，距箱底60cm及90cm处在埋设温度传感器同时埋设水分传感器。传感器埋设前按设定间距先进性固定然后再埋设。
[0006]进一步，所述热源为U型铜管，通过水泵使水在恒温水浴箱和U型铜管内进行水循环，恒温水浴箱和U型铜管通过PVC管进行连接；PVC转接处用专用胶水进行密封，外部包裹保温材料，即可提供恒定的热源。
[0007]进一步，所述土体实验箱盖板中间留有预留孔，预留孔尺寸直径60mm，周围有密封圈使其与穿过铜管进行固定，并达到密封效果。
[0008]进一步，设计土体试验箱右侧为上游水箱，左侧为下游水箱，上游水箱的水位恒定，在下游水箱侧面分别开设不同水位出水孔，通过启/闭不同水位的出水孔阀门，与上游水箱的水位形成固定水位差，从而控制渗流速度。
[0009]进一步，渗流水从下游水箱出水孔溢流进水槽，由于高低水位，水会由水槽出水孔流入水盆，经过放在水盆中的水泵抽取进入亚格力小型水箱，亚格力小型水箱中有变频加热棒及水泵，当水温达到设定温度将水由水泵注入土体试验箱右侧水箱即上游水箱。将上游水箱水龙头打开，使多余水溢流进水槽再经过水槽出水孔流进水盆，这样就形成了注排水渗流系统。
[0010]进一步，土体试验箱用保温棉进行包裹，环境温度用空调进行控温。
[0011]按照土体三维热渗耦合传递的模拟装置进行土体三维渗流传递的测量方法，按照以下步骤进行：
[0012]岩溶地貌总结起来就是上覆土层是红黏土，下部是岩溶，即有裂隙的岩石，中间有地下水渗流；所以只要控制地下水渗流速度和岩溶地下水类似，就可以用砂子中的水渗流来模拟岩溶水。
[0013]实验过程；
[0014]1)准备土料：对砂土和红黏土分别测初始含水率并计算得箱体所需砂土及红黏土的质量；对于红黏土，要先进行配土，使其含水率达到目标值，然后放置24h以上，使其含水率分布均匀。
[0015]2)装填土箱：将砂土和红黏土分层装填，并依次在指定位置埋入传感器，填装前在箱壁每隔10cm要进行划线标定，并用宽1.5cm防水胶带沿标定线黏贴，每一层埋入对应的传感器后击实土样填装土体时，U型铜管一同埋入。
[0016]3)连接传感器：将传感器连接到采集箱，再将采集箱连接电脑，在电脑上安装对应的传感器测试软件。水分传感器按3h采本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台，其特征在于：土体实验箱包括上游水箱(右侧)、下游水箱(左侧)和中间装填土体的箱体；采用耐酸碱性能好、抗冲击力强的亚格力板(厚3cm)加工而成，土体实验箱高1600mm，装填土体的箱体内截面长*宽为1200mm*1200mm；土体箱体填装部分在填装时分层埋设传感器，分别为距箱底10cm、30cm、50cm、60cm、90cm、120cm、150m；其中距箱底60cm处按“米”字型铺设传感器，距箱底60cm及90cm处在埋设温度传感器同时埋设水分传感器；上游水箱和下游水箱的溢水口为直径60mm的圆孔，水箱的内壁为多孔亚格力板，孔直径3mm；恒温水浴箱D给实验台提供一个稳定的热源，然后通过恒温水浴箱里的水泵抽取的方式使水浴箱中的水通过PVC管流通到土体试验箱中的U型铜管然后再流回到恒温水浴箱；快速达到循环稳定后，热量即可通过U型铜管传导至土体箱中的土体；注排水渗流系统包括亚格力小型水箱(长*宽*高：400mm*400mm*600mm)、水槽(2个)、变频加热器、水盆(内直径1m，高35cm)、水槽支架(2个)及15W变频水泵2台，水槽长1m深35cm宽30cm，水...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾召田，吕海波，张炳晖，莫红艳，谢艳华，贺海洋，徐云山，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：