一种用于土壤水热耦合试验的系统技术方案

本发明专利技术公开一种用于土壤水热耦合试验的系统，包括水温控制装置、水压模拟升降平台、外环境控制箱和数据采集与处理装置；水温控制装置包括保温储水箱及制冷、加热温控设备；外环境控制箱包括温度控制模块、湿度控制模块、降雨喷淋装置和土槽试验模型，降雨喷淋装置设于土槽试验模型的上方；水压模拟升降平台包括自动升降装置、上游水箱、下游水箱和引流输运管道，储水箱的恒温液输送到上游水箱，上游水箱中的溢流水再返回储水箱，所述上游水箱还经由引流输运管道连接土槽试验模型；流经土槽试验模型的渗滤液经其出口端进入下游水箱。此种系统可极大地提高试验量测精度，减少人为因素所带来的测量误差，降低试验人员的工作强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种试验系统，特别是指一种对恒温水入渗下土壤内水热环境与交互机理进行有效测试分析的试验系统。
技术介绍
在农田土壤学、地下水科学、油气田开采以及地热资源开发利用等研究应用领域， 准确预测和分析含温流体(水、水汽、石油等)在各种类型的多孔介质土壤中的对流与热扩散过程是科研工作者们要解决的主要问题之一。由于含温流体在饱和-非饱和带土壤中的热质传输过程极为复杂，并且缺乏对流体-热量-介质骨架相互之间的交互作用机理的深入认识，饱和-非饱和带土壤内水热耦合机理成为了各学科相关研究人员的研究重点和难点。现场野外试验环境的复杂性、多因素性和不可控性，更加加重了定量刻画水热耦合关系的难度。因此，在实验室尺度下开展实验，形成人工干预的环境水流特征将是有效的解决方法。然而，长期以来，由于缺乏对试验样品所处环境气温的有效控制，含温流体在长时间的试验时段中温控精度难以保证，以及试验装置的系统性和自动化程度较差等因素，严重地制约了科研工作者对土壤等多孔介质内流-固-热等多场多相理化特性的深入认识。因此，迫切需要有一套完整的水热耦合模拟实验系统，该系统装置需立足于水土介质所处的多物理场的真实背景，一方面能够满足准确分析饱和-非饱和土壤内水热耦合过程中各单一因素变量的影响，并对其它环境变量进行有效地控制的要求；另一方面，需要能够还原水土介质所处的真实理化环境，具备开展多因素环境变量交叉影响下的水热耦合过程分析的功能。基于以上分析，本专利技术人试图研发一种满足前述要求的试验系统，本案由此产生。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题，是针对前述
技术介绍
中的缺陷和不足，提供一种用于土壤水热耦合试验的系统，其可极大地提高试验量测精度，减少人为因素所带来的测量误差，降低试验人员的工作强度。本专利技术为解决以上技术问题，所采用的技术方案是一种用于土壤水热耦合试验的系统，包括水温控制装置、水压模拟升降平台、外环境控制箱和数据采集与处理装置；水温控制装置包括保温储水箱及分别设于其内部的制冷温控设备和加热温控设备； 外环境控制箱包括温度控制模块、湿度控制模块、降雨喷淋装置和土槽试验模型，降雨喷淋装置设于土槽试验模型的上方；水压模拟升降平台包括自动升降装置、上游水箱、下游水箱和引流输运管道，上游水箱和下游水箱均设于自动升降装置上，其中，储水箱的恒温液通过磁力泵输送到上游水箱，上游水箱中的溢流水再经另一磁力泵返回储水箱，所述上游水箱还经由引流输运管道连接土槽试验模型；流经土槽试验模型的渗滤液经其出口端进入下游水箱；数据采集与处理装置包括相互连接的组合式信号巡检仪和计算机。上述水温控制装置还包括固定于保温储水箱的箱盖上的搅拌器。上述温度控制模块包括温控仪、压缩机组和热敏元件，热敏元件设于外环境控制箱中，其输出端连接温控仪，而温控仪的输出端连接设于外环境控制箱中的压缩机组。上述湿度控制模块包括湿度控制器、湿度传感器和加湿器，湿度传感器设于外环境控制箱中，其输出端连接湿度控制器，湿度控制器根据接收湿度传感器的电信号，控制设于外环境控制箱中的加湿器的工作状态。综上，本专利技术的技术方案是基于高精度传感器和信号转换技术，从水温控制装置中引出高精度恒温水，通过压力升降平台和高效的保温管道引至土槽试验模型的进水端， 含温水体通过试验土样之后，经过滤回到水箱并形成循环；试验土样中预置了用于采集土壤理化特性的敏感元件，各种敏感元件所采集的信号再通过信号转换成为计算机可识别信号，通过数据分析程序将信号实时显示和处理分析；试验过程中，土样模型整体置于温度和湿度可控的封闭环境试验箱内，保证水热耦合相互作用的过程中，外界环境始终处于稳定状态。采用上述方案后，本专利技术在水温恒定控制精度，管路保温与模型无缝对接程度、环境模拟真实度以及数据采集与处理的自动化程度上，均比现有类似试验装置有很大的改进与提高。该装置对于试验土样，在恒定(或变化)水头、降雨、冷热水(或溶液)入渗条件下， 试样土内饱和-非饱和区水-热迁移分布规律可以进行全自动水分、温度及浓度监测和数据采集处理。这种自动化的数据采集处理，极大地提高了试验量测精度，减少了人为因素所带来的测量误差，显著地降低了试验人员的工作强度。因此，本试验系统为饱和-非饱和土壤水热环境与交互机理进行有效测试分析提供了较为先进的试验手段。附图说明图1是本专利技术的整体架构图2是本专利技术具体实施例的结构示意图。图中标号说明如下1-保温储水箱；2-抽水泵；3-冷却塔；4-微型升降机；5-上游水箱；6-外环境控制箱；7-下游水箱；8- 土槽模型；9-传感器布置孔；10-组合式巡检仪；11-RS485通讯协议； 12-计算机；13-冷却池；14-制冷加热装置；15-钢丝网；16-过滤网；17-储水箱进水管； 18-节流阀；19-电磁阀；20-电动伺服放大器；21-水位控制仪；22-搅拌器；23-超声波水位测量仪；M、60-蒸发器；25-控冷温度传感器；26-热电阻丝；27-控热温度传感器； 28-膨胀阀;四、58_过滤器；30、57_冷凝器；31-压缩机；32、38、62_温控仪；33、37、55、 67-继电器；34、39、40_磁力泵；；35、36、41、42、46、51_控制阀；43-回流保温管；44-保温硅胶管；45-冷却池进水管；47-过滤钢丝网；48-泄水控制阀；49-泄水口 ；50-降雨储水箱进水管；52-降雨储水箱；53-降雨控制阀；54-降雨流量计；56-风冷式压缩机组； 59-单向节流阀；61-多孔板；63-温度传感器；64-流量计；65-降雨模拟器；66-雾化器储水箱；68-水雾转化器；69-湿度控制仪；70-雾化导流管；71-湿度计；72-双层保温引流管。具体实施例方式以下将结合附图和具体实施例，对本专利技术的结构及工作过程进行详细说明。如图1所示，本专利技术提供一种用于土壤水热耦合试验的系统，主要包括水温控制装置、水压模拟升降平台、外环境控制箱和数据采集与处理装置，以下分别介绍。1)水温控制装置。它的主要作用在于能够为长时间的试验过程提供高精度的恒温水，要求在整个实验过程中，水温波动在士0.02°C。根据水热耦合试验的时间、流量及温度要求，保温储水箱体内的有效可用水容积应至少控制在300L以上，水温可调范围在1°C 100°C之间。储水箱内胆及盖板采用优质SUS304不锈钢，内部夹层空间采用高密度聚氨酯发泡充填，其发泡厚度保证在5cm。保温储水箱内设置两套温控设备，分别为制冷温控和加热温控，制冷功率控制在9KW，加热功率控制在8KW。为提高制冷效率，减小压缩机工作对相对封闭的试验场所环境的干扰，采用水冷式压缩机，并配套设置冷却塔和冷却水池。箱体水温设置采用数码显示控制器，该控制器具备设置温度和显示温度两个数码屏，PID温度调控，设置分辨率为0. ore，显示分辨率为0. ore。由于水箱体积较大，为保证箱体内温场均勻，特设置3个搅拌器，固定于箱盖上，搅拌器使箱体内温度不一致的水体形成良好的对流和充分的混合。此外，为避免因储水箱内水量不足而导致其中的钛合金蒸发器和镍铬合金电阻丝暴露于水面之外，采用超声波水位量测仪自动监测水箱液位，水位信号输入水位控制仪后，偏差信号再经过电动伺服放大器，进而控制安装于储水箱进水管之上的电磁阀，以实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈孝兵，赵坚，沈振中，任杰，邓春生，张慧，王伟，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：