土体一维热湿传递的模拟装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了土体一维热湿传递的模拟装置，恒温水箱内置电加热器，恒温水箱内还设有第一循环水泵对水箱内部的水进行内部循环，第二循环水泵通过管道使恒温水箱内的热水进行外部循环，恒温水箱内还置有水温计，对水温进行测量，土柱实验箱箱体采用隔热、隔水的亚格力板，加热罐置于土柱实验箱内部的一端，土柱实验箱内部其余空间用于承载实验用土，土柱实验箱内部的实验用土内还安装有若干个温度传感器和含水率传感器，加热罐和实验用土之间用铜板隔开。本实用新型的有益效果是测量土体时不会造成扰动，一体性好，测试精度高。
【专利说明】土体一维热湿传递的模拟装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于环境岩土测量【技术领域】，涉及土体一维热湿传递的模拟装置。
【背景技术】
[0002]土壤作为一种多孔介质，一般由固(土颗粒)、液(水)、气三相物质组成，它处于一定的大气环境之中，在多种输运机制联合作用下，其内部就会产生热、水、气的迁移运动。在自然环境中，土壤的热湿迁移过程受到多种效应的控制，其影响因素有土壤的温度、压力、土壤内液相与气相的相对含量、孔隙率以及土壤类型等，因此，自然界中土壤的热湿迁移过程是在上述因素相互作用下一个复杂的能量交换和物质流动过程，成为环境岩土工程关注的一个重点内容。目前，国内外对于土壤热湿耦合迁移进行了大量的理论研究并建立了各种理论模型，但由于缺乏具体的试验验证，使得理论研究与实际工程结合不够紧密:目前的研究成果既未能提供充足的基础试验数据，也未能为理论模型的广泛应用提供可靠的实践依据。因此，非常有必要设计开发一种可模拟土体一维热湿传递的试验装置，用来研究温度梯度和湿度梯度二者共同影响下土体的一维热湿迁移效应。
[0003]一种能够自动加热、精确控温并提供恒定温度的热源实验装置是该测试方法的关键。目前，实验室一般采用“电阻丝加热”和“水浴加热”等方法制作实验用热源装置。“电阻丝加热”方法加热不均，且温度不易控制。“水浴加热”法是水经加热源加热至一定温度后存储起来，当自然冷却至该温度以下时，自动加热；采用该法时加热水槽中的水分易蒸发，为保持水槽中水位不变，需经常向水槽中加水，加水瞬间水槽内水温难以维持恒定。另外，在温度梯度作用下土体各部位含水量的确定方法是该测试方法的另一个关键。目前，确定土样的含水量，较多采用的是钻孔取样然后烘干称重法，这种方法只能得到试验结束后土体的含水量，不能实时量测到热湿迁移过程中土体的含水量；另一种方法为切片取土烘干法，即在试验过程中打开试样箱，在土体边部切边取土，用烘干法测含水量，再关闭试验箱继续进行试验，这种方法对土体有一定程度的扰动，且会影响热量在土体中的传导。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于提供土体一维热湿传递的模拟装置，解决了现有的测量设备对土体有一定程度的扰动，且会影响热量在土体中的传导的问题。
[0005]本实用新型所采用的技术方案是包括恒温水箱，恒温水箱内装水，恒温水箱内置电加热器，电加热器通过导线连接外部的温控器，恒温水箱内还设有第一循环水泵和第二循环水泵，第一循环水泵对水箱内部的水进行内部循环，使恒温水箱内的水温均匀，第二循环水泵通过管道使恒温水箱内的热水进行外部循环，使恒温水箱内的热水对土柱实验箱中的加热罐进行加热，恒温水箱内还置有水温计，对水温进行测量，土柱实验箱箱长1160_，内截面尺寸为150mmX 150mm, 土柱实验箱箱体采用隔热、隔水的亚格力板,加热罐置于土柱实验箱内部的一端，土柱实验箱内部其余空间用于承载实验用土，土柱实验箱内部的实验用土内还安装有若干个温度传感器和含水率传感器，加热罐和实验用土之间用铜板隔开。
[0006]进一步，所述电加热器为并联的两个功率均为800W的电加热器，电加热器上连接一散热片。
[0007]进一步，所述土柱实验箱的盖板采用可拆卸式设计，盖板上钻孔用于实验时安装温度传感器和含水率传感器。
[0008]进一步，所述钻孔分别在距加热罐距离为O、10、20、30、45、60、75、95cm处钻孔，孔径为20mm。
[0009]进一步，所述铜板将土柱实验箱分隔为两部分，左端为加热罐的恒温加热部分，长为120mm,内截面尺寸为166mmX 166mm ;右端为试验土柱部分，长为1000mm,内截面尺寸为1 50mm X 1 SOmnin
[0010]本实用新型的有益效果是测量土体时不会造成扰动，一体性好，测试精度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本实用新型一维热湿传递的模拟装置结构示意图。
[0012]图中，1.恒温水箱，2.电加热器，3.温控器，4.第一循环水泵，5.第二循环水泵，6.土柱实验箱，7.加热罐，8.水温计，9.温度传感器，10.含水率传感器，11.铜板，12.散热片。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0014]试验装置如图1所示，包括恒温加热系统和试验土柱两大部分。试验时，试验槽分别填入取自于地源热泵试验现场的红粘土、粉质粘土和建筑用细砂，通过铜加热罐将土柱的一端加热，利用埋设的传感器测定土柱中各测点的温、湿度变化。
[0015]恒温加热部分:
[0016]为了给整个试验台提供一个稳定的恒温热源，本实用新型恒温水箱1:箱体为20L车载保温箱，内置电加热器2连接外部的温控器3，还置有第一循环水泵4和第二循环水泵5、水温计8。
[0017]加热器:采用并联两个功率均为800W的电加热器2共同工作，其上连接一散热片12，扩大加热器的加热范围，同时使热扩散更均匀、加热更迅速。
[0018]循环泵:本试验中采用两个潜水泵进行水循环，其中第一循环水泵4用于恒温水箱内部水的循环，使箱内水温均匀(称之为“内循环”)，第二循环水泵5用于恒温水箱I与加热罐7之间水的循环(称之为“外循环”)；由于系统阻力较小，内、外循环均采用了杭州吉印公司生产的JY-PG150型潜水泵，最大扬程为1.6m，最大流量为800L/h。
[0019]温控器:采用HP613智能PID温度控制仪对电加热器2的加热量进行控制，实测结果表明该恒温水箱I内部水的温度波动幅度在±0.1°C以内，可以满足试验要求。
[0020]水温计:采用PT-100钼电阻温度传感器，标定精度为0.1°C。
[0021]恒温加热罐:可装入试验土柱箱的加热部分。在常见的金属材料中，铜的热导率高、可塑性好、价格适中，因此，选择铜作为加热罐7的制作材料。经计算，铜壁面的导热热阻非常小，因此试验中可忽略其导热热阻，仅考虑水与加热壁面之间的对流换热热阻。
[0022]土柱试验箱:
[0023]采用隔热、隔水的亚格力板(2cm厚)加工了一个土柱试验箱6。为减少土柱中水分重力势的影响，试验箱体内径不宜过大；但考虑到温、湿度传感器各自的影响范围，土柱也不能太小；综合以上因素，本实用新型土柱试验箱6长1160mm，内截面尺寸为150mmX 150mm。箱体分为两部分，左端为恒温加热部分，长为120mm,内截面尺寸为166mmX 166mm ;右端为试验土柱部分，长为1000mm,内截面尺寸为150mmX 150mm。为了方便制作土柱和安装传感器，箱体盖板采用可拆卸式设计:钻孔的盖板用于试验时安装传感器，分别在距加热罐7距离为0、10、20、30、45、60、75、95cm处钻孔(Φ = 20mm)。
[0024]测量部分:
[0025]温度的测量:采用复现性较好的PT 100钼电阻温度传感器9 (JMT-36C)，精度为0.1°C，试验前每个温度计均按要求进行标定；各测点温度由JMZX-7000综合测试仪进行人工采集。
[0026]含水率的测量:含水率分为体积含水率Θ与质量含水率ω。为了保证试验结果的延续性和实效性，整个传热试验过程中采用美国SEC(Soilmoisture Equipment Corp)公司生产的MiniTrase含水率传感器10自动采集各测点的体积含水率Θ ;同时，为了获得土柱中水分迁移的最终状态，试验结束后在温度传感器9埋设处取土样，通过烘干称重法确定该处最终的质量含水率ω。
[0027]流量的测量:循环水的流量采用便携式超声波流量计进行测量，通过测量，发现试验过程中循环水的流量基本保持不变，平均流量约为150L/h。
[0028]试验方案及过程；
[0029](I)试验内容:
[0030]试验土料:地源热泵试验现场的红粘土和粉质粘土，为了进行比较，另选择了一种常见的建筑用细砂。
[0031]试验工况:每一类型土样均按3种工况进行试验。第I种工况，相同热源温度Ts、相同土体干密度Pd、不同土体初始含水率Otl时，土柱中温度T、含水率ω沿长度方向的变化；第2种工况，相同热源温度1；、相同土体初始含水率Coc1、不同土体干密度pd时，土柱中温度Τ、含水率ω沿长度方向的变化；第3种工况，相同土体干密度P d、相同土体初始含水率《、不同热源温度Ts时，土柱中温度T、含水率ω沿长度方向的变化。具体的试验工况如下，每种土质每种工况分为三种:
[0032]红粘土:①-1 (Ts = 40°C, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 20% ),加热时间 t = 12h ；
[0033]①-2(Ts = 40°C, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 25% ),加热时间 t = 12h ；
[0034]①-3(Ts = 40°C, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 30% ),加热时间 t = 12h ；
[0035]②-1(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd= 1.3g/cm3)，加热时间 t = 12h ；
[0036]②-2(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd= 1.4g/cm3)，加热时间 t = 12h ；
[0037]②-3(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd= 1.5g/cm3)，加热时间 t = 12h ；
[0038]③-1(P d = 1.4g/cm3, ω。= 25%, Ts = 30°C ),加热时间 t = 12h ；
[0039]③-2(pd = 1.4g/cm3, ω。= 25%, Ts = 40°C ),加热时间 t = 12h ；
[0040]③_3(p d = 1.4g/cm3, ω。= 25%, Ts = 50°C ),加热时间 t = 12h ；
[0041]粉质粘土:①-1 (Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 10% )，加热时间 t = 12h ；
[0042]①-2(Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 15% )，加热时间 t = 12h ；
[0043]①-3(Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 20% )，加热时间 t = 12h ；
[0044]②-1(Ts = 40 °C, ω。= 15%，Pd = 1.4g/cm3)，加热时间 t = 12h ;
[0045]②-2(Ts = 40°C, ω0 = 15%, Pd= 1.5g/cm3)，加热时间 t = 12h ；
[0046]②-3(Ts = 40°C, ω0 = 15%, Pd= 1.6g/cm3)，加热时间 t = 12h ；
[0047]③-1(P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 30。。)，加热时间 t = 12h ；
[0048](3) -2 ( P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 40。。)，加热时间 t = 12h ；
[0049](3) -3 ( P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 50。。)，加热时间 t = 12h ；
[0050]细砂土:①-1 (Ts = 40°C, Pd=L 5g/cm3, ω。= 10% ),加热时间 t = 12h ；
[0051]①-2(Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 14.2% )，加热时间 t = 12h ；
[0052]②-1(Ts = 40°C, ω。= 10%, Pd= 1.4g/cm3),加热时间 t = 12h ；
[0053]②-2(Ts = 40°C, ω。= 10%, Pd= 1.5g/cm3),加热时间 t = 12h ；
[0054]③-1(P d = 1.5g/cm3, ω0 = 10%, Ts = 40。。)，加热时间 t = 12h ；
[0055]③-2(pd = 1.5g/cm3, ω。= 10%, Ts = 50°C ),加热时间 t = 12h ；
[0056]以上，①代表第I种工况，②代表第2种工况，③代表第3种工况。
[0057](2)试验过程:
[0058]以红粘土的第I种工况(热源温度Ts = 40°C，土体干密度Pd=L 4g/cm3，土体初始含水率= 20%、25%、30% )为例，说明具体的试验过程:
[0059]①准备土料:将红粘土料晒干、碾碎，过5mm细筛；按干密度1.4g/cm3、含水率20%配土，在恒温(I； = 220C )下焖土 24小时，使土料中温度和含水率均匀分布；
[0060]②击实制样:按干密度1.4g/cm3作为控制条件，击实土柱样(控制高度，一层5 cm)；
[0061]③埋设传感器:依次在指定位置埋入8个温度传感器9、7个含水率传感器10 ;将恒温加热罐7放入土柱试验箱6内，使其与土柱紧密接触，另一侧封闭并做严格保温；合上盖板，将其上的小孔全部封严，防止热量及水分从小孔处散失；
[0062]④密封、静置:采用玻璃胶密封土柱试验箱6，使试验土柱与外界空气隔绝；为加强隔热效果，箱体外再裹上一层30mm厚的PVC/NBR橡塑保温材料；静置24小时，待试验模型土体内温、湿度分布均匀；
[0063]⑤设定热源温度:打开温控器3、电加热器2，将温控器3的预设温度调节为40°C，开启内循环水泵，进入恒温准备状态。
[0064]⑥开始试验:启动外循环水泵，试验开始，采集和记录试验土柱的温、湿度变化，稳定一段时间后，利用超声流量计测量循环水的流量。
[0065]⑦结束试验:连续加热12小时后，试验结束；依次拆除保温材料、盖板、加热罐7、温度传感器9和含水率传感器10 ;在温度传感器9埋设处取土样，通过烘干称重法确定其质量含水率；挖除土柱样,清理土柱实验箱6 ；
[0066]⑧进行含水率25%试验:改变土体含水率为25%，重复①?⑦步骤；
[0067]⑨进行含水率30%试验:改变土体含水率为30%，重复①?⑦步骤。
[0068]本实用新型土体一维热湿传递的模拟装置，可在实时条件下量测土体的温度和含水量，得到土体不同位置处温度及含水量的变化规律，模拟温度梯度和湿度梯度二者共同影响下土体的一维热湿迁移效应，验证土壤中水分迁移和热量传递的相互作用，完善土壤热湿传递的理论模型。该装置构造简单，设计轻巧，操作方便，一体性好，测试精度高。另本装置提供的水循环恒温热源实验装置，克服了加热不均、水温难以维持恒定等缺点，能够自动加热、精确控温并提供恒定的热源温度，可以用来作为环境岩土体热物理特性室内实验的恒温热源。
[0069] 以上所述仅是对本实用新型的较佳实施方式而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
【权利要求】
1.土体一维热湿传递的模拟装置，其特征在于:包括恒温水箱(I)，恒温水箱(I)内装水，恒温水箱(I)内置电加热器(2)，电加热器(2)通过导线连接外部的温控器(3)，恒温水箱(I)内还设有第一循环水泵(4)和第二循环水泵(5)，第一循环水泵(4)对水箱内部的水进行内部循环，使恒温水箱(I)内的水温均匀，第二循环水泵(5)通过管道使恒温水箱(I)内的热水进行外部循环，使恒温水箱(I)内的热水对土柱实验箱￠)中的加热罐7进行加热，恒温水箱(I)内还置有水温计(8)，对水温进行测量，土柱实验箱(6)箱长1160_，内截面尺寸为150mmX 150mm, 土柱实验箱(6)箱体采用隔热、隔水的亚格力板,加热罐(7)置于土柱实验箱(6)内部的一端，土柱实验箱(6)内部其余空间用于承载实验用土,土柱实验箱(6)内部的实验用土内还安装有若干个温度传感器(9)和含水率传感器(10)，加热罐(7)和实验用土之间用铜板(11)隔开。
2.按照权利要求1所述土体一维热湿传递的模拟装置，其特征在于:所述电加热器(2)为并联的两个功率均为800W的电加热器，电加热器⑵上连接一散热片(12)。
3.按照权利要求1所述土体一维热湿传递的模拟装置，其特征在于:所述土柱实验箱(6)的盖板采用可拆卸式设计，盖板上钻孔用于实验时安装温度传感器(9)和含水率传感器(10)。
4.按照权利要求3所述土体一维热湿传递的模拟装置，其特征在于:所述钻孔分别在距加热罐(7)距离为0、10、20、30、45、60、75、95cm处钻孔，孔径为20mm。
5.按照权利要求1所述土体一维热湿传递的模拟装置，其特征在于:所述铜板(11)将土柱实验箱(6)分隔为两部分，左端为加热罐(7)的恒温加热部分，长为120_，内截面尺寸为166mmX 166mm ;右端为试验土柱部分,长为1000mm,内截面尺寸为150mmX 150mm。
【文档编号】G01N33/24GK204129039SQ201420643587
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】曾召田, 赵艳林, 吕海波, 韦昌富, 罗伯光, 颜荣涛 申请人:桂林理工大学