一种冰水热交换系数实验装置及测定方法
【专利摘要】本发明提供的冰水热交换系数实验装置，包括水槽1、水泵3、闸阀4、调温器5、流速仪6、冰厚变化测量仪7和温度记录仪8，管道2依次将水泵3、闸阀4和调温器5相连，并构成回路，流速仪6和温度记录仪8的测量探头均位于水槽1内，冰厚变化测量仪7的测量探头位于水槽内的冰层19和水中。本发明还提供了利用上述装置测定冰水热交换系数的方法，本发明装置能很好的模拟水库结冰及低流速水流状况，获取相应水库的冰水热交换系数，为水利工程建设提供设计依据，还避免了奔波寒带水库库区开展水库冰水热交换系数原型观测的难度，为研究提供了更大的便利和实施的可能性。
【专利说明】一种冰水热交换系数实验装置及测定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冰水热交换系数实验装置及测定【技术领域】，特别涉及一种流速在
0.lm/s以下的冰水热交换系数的实验装置及测定方法。
【背景技术】
[0002]目前，我国的水利工程建设正逐渐向高海拔的寒带地区推进。在寒带地区建设水库必须要考虑的一个问题就是冬季水库的结冰问题，水库结冰后不管是形成流冰或稳定的冰盖，首先都将直接影响到冬季水库航运、水力发电、渠系输水等的安全，尤其是出现冰塞、冰坝等严重冰情后，还会导致凌洪等自然灾害，给人民的财产和生命安全带来重大的损失；其次，冬季水库冰盖的出现还将隔绝水库表层水体与大气之间的热量、动量和质量交换，进而影响冰下水温和水质的分布；同时雪层、冰层将阻碍太阳能量的传入，影响水中营养物质的流通，导致水中的溶解氧及营养物质缺乏，严重时会导致库内鱼类死亡。
[0003]水库形成的冰情与诸多因素相关，其中十分重要的影响因素是水库的水温分布、气象条件和冰水热交换，它们将影响到水库不同区段的结冰过程、结冰类型与强度及融冰过程。其中冰水热交换的过程，是一个复杂的带有相变的两相流问题，具体涉及传热学、流体力学等学科，对冰盖厚度、冰厚变化率、开江时间、冰下水温分布均有重要影响。
[0004]目前，虽然在海冰、河冰的冰水热交换系数方面已取得一些研究成果(季顺迎，岳前进，毕祥军.渤海冰水间的热传递系数[J].海洋通报.2002，21(l):10-15;0mStedt Aand Wettlaufer J S.1ce growth and oceanic heat flux:Models and Measurements[j].J.Geophys.Res., 1992, 97(C6):9383 ?9390;Shirasawa K and Ingram G R.Currentsand turbulent fluxes under the first-year sea ice in Resolute Passage, NorthwestTerritories, Canada [ j].J.Marine System, 1997, 11,21 ?32;Josberger E G.Bottomablation and heat transfer coefficients from the 1983Marginal Ice ZoneExperiment [J].J.Geophys.Res.，1987，92 (C7):7012 ?7016)，但其研究成果主要是采用原型观测，即直接针对海冰、河冰的冰水热交换进行观测得来的。由于海冰、河冰的冰下水体流速较快，一般在0.lm/s以上,而水库中的水体流动较为缓慢,一般在0.lm/s以下,特别是在水库中部至坝前段流速一般为毫米级，因而水库的水质情况或流速量级与已研究获得的河冰、海冰冰水热交换系数的适用条件存在显著差异，较难将其直接移植采用，而对于低流动条件下水库的冰水热交换系数的研究国内外尚未见报道。因而随着我国对寒带区域水资源开发中环境问题的逐渐重视，冰水热交换系数获取就成为了水库冰情研究的瓶颈。
【发明内容】
[0005]本发明的首要目的是针对现有技术的不足，提供一种冰水热交换系数实验装置。
[0006]本发明的另一个目的是提供一种利用上述装置测定冰水热交换系数的方法。
[0007]本发明提供的冰水热交换系数实验装置，包括水槽、水泵、闸阀、调温器、流速仪、冰厚变化测量仪和温度记录仪，水槽的出水口通过管道依次与水泵、闸阀和调温器相连，调温器再通过管道与水槽的进水口相连，并构成回路，流速仪测量探头和温度记录仪的测量探头均位于水槽内，冰厚变化测量仪的测量探头位于水槽内的冰层和水中。
[0008]以上实验装置中所述水槽由连为一体的进水段、出水段和位于进、出水段之间的测量段构成，进水段部分水槽的纵剖面为“」”形，其右侧竖立部分与测量段水槽相通，左侧水平部分与测量段水槽右端头的底部重合，进水段部分水槽的下部有一进水管，进水管的出水口位于进水段左侧水平部分的水槽中，测量段水槽为一水平矩形槽，出水段水槽为一竖直矩形槽，其上半部分与测量段水槽相通，下半部分的外壁上连有一出水管。
[0009]以上实验装置中所述测量段水槽的底部为中空的双层结构，且在进水端一侧还设置有与双层结构底板连为一体的、悬臂伸出的水平隔板，水平隔板端头位于进水段水槽右侧竖立部分的中部。该测量段水槽的底部采用中空的双层结构，可以减少环境温度对测试结果的影响，达到隔热的目的，而悬臂伸出的水平隔板由于位于进水管出水口的右上方，因而可以消除水流进入水箱所引起的扰动，避免影响测试段水槽水流的流动状态，进而影响测试的准确性。
[0010]以上实验装置中所述测量段水槽两端还分别设置有可拆卸的竖向隔板或竖向整流网筛。设置可拆卸的竖向隔板，是为了在实验中将水槽测试段隔成临时水箱，以进行初始冰厚的冻结，当冰层冻结好后进行测试时，取下竖向隔板，换成竖向整流网筛，增加水流的湍流度，以使水流能均匀、稳定的流入水槽测试段。
[0011]以上实验装置中所述测量段水槽上端部内还水平横向设置有平行排列的木条，该木条的两端固定在水槽壁上，每两根木条的间距为20~30cm。横向设置平行排列的木条需要在实验开始时冻结于初始冰层中，以防止实验中实验冰层的水平和垂向移动，保证所测冰厚变化数值 的准确性。
[0012]以上实验装置中水泵采用市售的低转速(≤1450r/min)、大流量(≥25m3/h)的水泵进行抽排水循环，以尽可能避免水泵由于叶片旋转与水体摩擦而给实验装置带入过多的热量，进而影响测试的准确性。
[0013]以上实验装置中所述调温器为一根通过法兰连接而成的蛇形金属弯管构成。蛇形金属弯管最好采用热传导系数较大的不锈钢圆管制成。根据测量条件的不同，调温器可采用不同管径的不锈钢圆管，以利用不锈钢圆管较大的热传导系数、不同的散热面积及调控不同环境温度来平衡由于水泵叶片旋转与水体摩擦带入的热量，保证测量温度的稳定性。
[0014]以上实验装置中所述冰厚变化测量仪是由测量杆、测量块、测量读数套筒、支架和固定底座构成，测量块连接在测量杆一端端头，测量杆的另一端穿过测量读数套筒与之滑动连接，测量读数套筒固定在支架上端，支架下端与固定底座相连。
[0015]本发明提供的利用上述装置测定冰水热交换系数的方法，该方法的测定步骤如下:
[0016](I)在水槽、水泵、闸阀、调温器连接加水充满后，将竖向隔板固定在水槽测量段两端以使其形成两端封闭的水箱，并在其中部或中后部沿横向选取温度测量断面，于水面以下5mm处开始向下垂向布置由温度记录仪测量探头组成的温度链，最好位于水箱中间，上密下疏，设置好后启动温度记录仪，然后再在温度测量断面后选取冰厚变化测量断面，放入冰厚变化测量仪的测量杆和测量块，并将冰厚变化测量仪固定在水箱边壁上；
[0017](2)将环境温度降低使水箱内冻结至少0.02m冰层后，调节环境温度至0.(TC，再在水箱测量段入口端的冰层上选取流速测量断面并凿一通孔，放入流速仪测量探头，并将流速仪固定在水箱边壁上；
[0018](3)将水箱两端的竖向隔板取下，并在水槽测量段的进口端固定整流网筛，然后将补入水从水槽进水段底部引入，并打开闸阀，启动水泵，使水体在水槽、管道和调温器内循环，一方面使补入水与水槽进水段的低温水进行混合并调整至实验水体温度，另一方面通过调节闸阀的圈数控制水槽测量段内水体的流速< 0.15m/s，待水槽测量段内水温、流场稳定且冰温接近0.(TC时，将冰厚变化测量仪的测量杆上提并使下端的测量块上表面与冰层下表面贴紧，然后从测量读取套筒处读取冰厚初始数值，其后每间隔10-30分钟上提测量杆并使下端的测量块上表面与冰层下表面贴紧后，读取后续冰厚变化数值；
[0019](4)将设定的测量温度、流速、时间和对应条件下测得的冰厚变化值代入下式计算即得相应条件下冰水热交换系数:
【权利要求】
1.一种冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置包括水槽(I)、水泵(3)、闸阀(4)、调温器(5 )、流速仪(6 )、冰厚变化测量仪(7 )和温度记录仪(8 )，水槽的出水口通过管道(2)依次与水泵(3)、闸阀(4)和调温器(5)相连，调温器再通过管道(2)与水槽(I)的进水口相连，并构成回路，流速仪(6)的测量探头和温度记录仪(8)的测量探头均位于水槽(O内，冰厚变化测量仪(7)的测量探头位于水槽内的冰层(19)和水中。
2.根据权利要求1所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述水槽由连为一体的进水段(16)、出水段(17)和位于进、出水段之间的测量段(18)构成，进水段(16)部分水槽的纵剖面为“」”形，其右侧竖立部分与测量段(18)水槽相通，左侧水平部分与测量段(18)水槽右端头的底部重合，进水段(16)部分水槽的下部有一进水管(20)，进水管(20)的出水口位于进水段(16)左侧水平部分的水槽中，测量段(18)水槽为一水平矩形槽，出水段(17)水槽为一竖直矩形槽，其上半部分与测量段(18)水槽相通，下半部分的外壁上连有一出水管(21)。
3.根据权利要求2所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述测量段(18)水槽的底部为中空的双层结构，且在进水端一侧还设置有与双层结构底板连为一体的、悬臂伸出的水平隔板(9)，水平隔板(9)端头位于进水段水槽右侧竖立部分的中部。
4.根据权利要求2所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述测量段(18)水槽两端还分别设置有可拆卸的竖向隔板(10)或竖向整流网筛(11)。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述测量段(18)水槽上端部内还水平横向设置有平行排列的木条(13)，该木条(13)的两端固定在水槽(I)的壁上，每两根木条的间距为20~30cm。
6.根据权利要求2-4中任一项所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述调温器(5)为一根通过法兰(52)连接而成的蛇形金属弯管(51)构成。
7.根据权利要求5所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述调温器(5 )为一根通过法兰(52 )连接而成的蛇形金属弯管(51)构成。
8.根据权利要求2-4中任一项所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述冰厚变化测量仪(7)是由测量杆(71)、测量块(72)、测量读数套筒(73)、支架(74)和固定底座(75)构成，测量块(72)连接在测量杆(71) —端端头，测量杆(71)的另一端穿过测量读数套筒(73)与之滑动连接，测量读数套筒(73)固定在支架(74)上端，支架(74)下端与固定底座(75)相连。
9.根据权利要求7中任一项所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述冰厚变化测量仪(7)是由测量杆(71)、测量块(72)、测量读数套筒(73)、支架(74)和固定底座(75)构成，测量块(72)连接在测量杆(71) —端端头，测量杆(71)的另一端穿过测量读数套筒(73)与之滑动连接，测量读数套筒(73)固定在支架(74)上端，支架(74)下端与固定底座(75)相连。
10.一种利用权利要求1所述装置测定冰水热交换系数的方法，该方法的测定步骤如下: (I)在水槽(I)、水泵(3)、闸阀(4)、调温器(5)连接加水充满后，将竖向隔板(10)固定在水槽测量段(18)两端以使其形成两端封闭的水箱，并在其中部或中后部沿横向选取温度测量断面(15)，于水面以下5_处开始向下垂向布置由温度记录仪(8)测量探头组成的温度链，启动温度记录仪(8)，然后再在温度测量断面后选取冰厚变化测量断面(14)，放入冰厚变化测量仪(7)的测量杆(71)和测量块(72)，并将冰厚变化测量仪(7)固定在水箱边壁上； (2)将环境温度降低使水箱内冻结至少0.02m冰层后，调节环境温度至0.(TC，再在水箱测量段(18)入口端的冰层上选取流速测量断面(12)并凿一通孔，放入流速仪(6)测量探头，并将流速仪(6)固定在水箱边壁上； (3)将水箱两端的竖向隔板(10)取下，并在水槽测量段(18)的进口端固定整流网筛(11)，然后将补入的水从水槽进水段(16)底部引入，并打开闸阀(4)，启动水泵(3)，使水体在水槽(I)、管道(2)和调温器(5)内循环混合、水槽测量段(18)内水体的流速≤0.15m/s,待水槽测量段内水温、流场稳定且冰温接近0.(TC时，将冰厚变化测量仪(7)的测量杆(71)上提并使下端的测量块(72)上表面与冰层(19)下表面贴紧，然后从测量读取套筒(73)处读取冰厚初始数值，其后每间隔10-30分钟上提测量杆(71)并使下端的测量块(72)上表面与冰层(19)下表面贴紧后，读取后续冰厚变化数值； (4)将设定的测量温度、流速、时间和对应条件下测得的冰厚变化值代入下式计算即得相应条件下冰水热交换系数:
【文档编号】G01N25/20GK103604827SQ201310571911
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】脱友才, 邓云, 李嘉, 李克锋, 李然, 梁瑞峰, 安瑞冬, 李楠, 何天福 申请人:四川大学