一种深海环境模拟温度控制系统及其使用方法与流程

本发明涉及海洋研究工程设备技术领域，更具体地，涉及一种深海环境模拟温度控制系统及其使用方法。

背景技术：

深海是世界海洋的重要组成部分，深海由于具有高压、低温等极端环境特点，人类对深海科学的研究知之甚少，然而深海具有丰富的油气藏、生物、矿产等资源。向深海进军是建立海洋强国的重要战略。在深海科学研究过程中，温度是影响海底流动、生物发育、生态系统形成演化、天然气水合物形成和分解、碳酸盐沉淀等过程的重要影响因素。近年来，随着对深海科学研究的深入，深海环境模拟技术逐渐成为研究深海科学的重要手段，能否在模拟系统内精确反演深海温度环境是决定深海环境模拟技术成败的重要环节，尤其是大尺度模拟系统由于体积大，难以保证模拟系统内实现均匀的深海温度分布，同时比表面积大，散热快，难以保证模拟系统内的低温或者高温模拟需求。常规的深海环境模拟技术是在高压模拟反应釜内外置水浴夹套，但是对于大尺度模拟系统，水浴夹套仅能提供有限的冷源或者热源供应，不能满足在需要的时间范围内对大尺度深海环境模拟温度控制系统的快速升温或者降温需求，且不能保证大尺度深海环境模拟温度控制系统内出现均匀的低温或者高温分布。

技术实现要素：

本发明为克服上述背景技术所述的常规的深海环境模拟技术对于大尺度模拟系统，水浴夹套仅能提供有限的冷源或者热源供应，不能满足在需要的时间范围内对大尺度深海环境模拟温度控制系统的快速升温或者降温需求，且不能保证大尺度深海环境模拟温度控制系统内出现均匀的低温或者高温分布的问题，提供一种深海环境模拟温度控制系统及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种深海环境模拟温度控制系统，包括模拟舱主体、降温保障单元、恒温保障单元以及数据采集处理单元，所述降温保障单元两端分别连接在所述模拟舱主体的进水口和出水口，所述恒温保障单元敷设在所述模拟舱主体侧壁上，所述数据采集处理单元分别连接所述模拟舱主体、降温保障单元和所述恒温保障单元，所述数据采集处理单元在所述模拟舱主体、降温保障单元和所述恒温保障单元中进行数据采集并将所述数据进行实时计算处理并反馈。这样，模拟舱主体是深海环境模拟的主体，其主要功能是储存海水和模拟高压的海水环境，并能够控制调节舱内的压力；在原有的大尺度的模拟舱主体外加设降温保障单元，降温保障单元将模拟舱主体中的海水抽出之后进行降温，降温之后送回模拟舱主体，实现对模拟舱主体的循环降温，能够加快降温的速率；降温保障单元对模拟舱主体中的模拟深海环境进行快速地循环降温，降温之后，采用恒温保障单元对模拟舱主体中的温度进行恒温保持，使其保持在稳定的低温环境，另外，数据采集处理单元能够实时采集模拟舱主体中的温度、压力、流量数据进行计算处理并实时反馈，作业人员根据数据采集处理单元显示的计算之后的数据，通过模拟舱主体的控制端对模拟舱主体内的压力进行控制调节，通过控制降温保障单元和恒温保障单元对模拟舱主体模拟的深海环境中的温度进行及时的控制调节；降温保障单元与恒温保障单元的设置能够实现模拟舱内的快速降温以及后续的整个模拟舱内的温度稳定均匀分布，为研究深海环境创造出更好的模拟条件。

进一步的，所述降温保障单元包括第一循环泵、第一控制阀、第二控制阀、过滤器、换热器、海水制冷机组和海水冷却塔；所述第一控制阀一端连接在所述模拟舱主体底部的出水口、另一端连接所述第一循环泵的抽水口，所述第一循环泵的排水口连接所述换热器的热流体入口，所述换热器的热流体出口连接所述过滤器的一端，所述过滤器的另一端通过所述第二控制阀连接在所述模拟舱主体顶部的进水口，所述换热器的冷流体出口和冷流体入口分别连接在所述海水冷却塔的两端，所述海水冷却塔连接所述海水制冷机组。这样，降温保障单元中布设循环管路连接单元中各个装置，第一循环泵将模拟舱主体中热海水抽出，热海水流到换热器中进行热交换降温，降温之后的冷海水流到过滤器中进行过滤，冷海水过滤之后泵回到模拟舱主体中；换热器中冷流体通过海水制冷机组降温和海水冷却塔在换热器中循环，实现与热海水的热交换，将海水模拟舱中的热海水进行降温，如此循环，能够快速地讲模拟舱中的海水进行均匀地降温，降至设定预期设定值时，可以关闭循环泵和两个控制阀。

进一步的，所述恒温保障单元包括水浴系统、保温层、第二循环泵、第三控制阀、第四控制阀和载冷剂制冷机组，所述水浴系统环绕设置在所述模拟舱主体的整个外壁，所述水浴系统的外壁敷设所述保温层，所述水浴系统的进液口连接所述第二循环泵的抽水口，所述第二循环泵的排水口连接所述第三控制阀的一端，所述第三控制阀的另一端连接所述载冷剂制冷机组的一端，所述载冷剂制冷机组的另一端连接所述第四控制阀的一端，所述第四控制阀的另一端连接所述水浴系统的进液口。这样，水浴系统为环壁水浴系统，相当于在模拟舱外壁再加第一层外保护套，保温层相当于第二层保护套，两层结构将模拟舱主体包裹在中间，使其与外界的温度交换减缓，水浴系统能够实现流体的流动，其通过循环泵将里面的水抽出，之后进入载冷剂制冷机组进行降温，降温之后泵回到水浴系统中，相当于水浴系统与模拟舱主体的外壁实现热交换，当模拟舱主体中各个工作原件工况状态下产生的热量能够被水浴系统带出，从而保持整个模拟舱主体内一直处于稳定的低温环境，更好地模拟深海环境。

进一步的，所述数据采集处理单元包括数据采集器、中央处理器、存储器、显示器、所述模拟舱主体底部设有的压力传感器、所述模拟舱主体的内壁设有的温度传感器以及所述降温保障单元和所述恒温保障单元的管道中均设有的流量计，所述数据采集器分别与所述压力传感器、温度传感器和所述流量计通信连接，所述数据采集器与所述中央处理器连接，所述中央处理器分别连接所述存储器和所述显示器。这样，压力传感器能够实时监测真个模拟舱主体中留有的海水量，温度传感器环绕布设在模拟舱主体内壁的多个位置，能够监测各个点的温度数据，看是否达到稳定，流量计能够监测各个循环管路中流体的流动速率，便于对循环管路进行控制；压力传感器、温度传感器和流量计监测到的数据实时反馈到数据采集器，数据采集器传输给到中央处理器，中央处理器对数据进行处理之后，进行储存和显示，方便作业人员直观地观察到整个系统中的各项数据，进行实时调节，例如：可根据深海环境模拟舱的内部有效容积确定好需要的注水量，然后根据海水量、限定的降温时间和环境温度条件，确定循环水量、提供的冷量和需要的保温层的厚度。

作为一种优选方案，所述模拟舱主体为圆柱和半球形的组合体形结构，所述组合体中的圆柱体连接在所述半球形的球面上。这样，模拟舱主体下方设置成一个类似于半球形结构，半球形的球面朝上，切面在下，能够有较大的可操作的底面积，在半球形的弧顶球面上连接一个比半球半径小的柱体，能够实现较高的海洋底层空间模拟；而且整个模拟舱主体的结构受力也均匀稳定。

作为另一种优选方案，所述模拟舱主体为圆柱形结构。当模拟舱主体为圆柱形结构时，也是可以达到效果的。

还提供一种上述的深海环境模拟温度控制系统的使用方法，包括以下步骤：

s1.舱内注水：往所述模拟舱主体中注入海水；

s2.降温阶段：利用所述降温保障单元对所述模拟舱主体中的海水进行循环降温；

s3.舱内增压：当数据采集处理单元反馈数据达到预期设定值时，关闭所述降温保障单元，对模拟舱主体内部增压；

s4.恒温阶段：利用所述恒温保障单元对所述模拟舱主体进行温度控制，使所述模拟舱主体内部维持在恒定的温度和压力范围。

进一步的，所述降温阶段包括以下步骤：

s21.启动所述海水制冷机组；

s22.打开所述第一控制阀和所述第二控制阀；

s23.打开所述第一循环泵将所述模拟舱主体中的海水抽入所述换热器中进行降温后流回所述模拟舱主体中。

进一步的，所述恒温阶段包括以下步骤：

s41.在所述水浴系统外壁敷设所述保温层；

s42.启动所述载冷剂制冷机组；

s43.打开所述第二循环泵、所述第三控制阀和所述第四控制阀；

s44.根据所述数据采集处理单元反馈的温度数据，调节所述载冷剂制冷机组的输出功率，以使所述模拟舱主体内部维持在恒定的温度和压力范围。

这样，深海环境模拟温度控制系统的使用方法的大致为：首先通过系统调度运行，准备好大尺度深海环境模拟舱的各系统到位，其次开始深海环境模拟温度控制系统的注水降温阶段，最后通过恒温保障单元进行保温。注水降温阶段首先根据深海环境模拟舱的内部有效容积确定好需要的注水量，然后根据海水量、限定的降温时间和环境温度条件，确定循环水量、提供的冷量和需要的保温层的厚度。然后向高压模拟舱内注入海水，当注水量达到预期值后，开启循环系统中的第一循环泵、第一控制阀和所述第二控制阀，打开海水冷却系统中的海水制冷机组(顺序可调)，将模拟舱主体10内的海水抽出来通过循环系统冷却降温，然后将冷却的海水泵回至高压模拟舱内。当高压模拟舱内的温度降低至设定预期设定值之后，关闭循环泵和海水制冷机组，结束降温操作，同时继续对高压模拟舱注水增压，当模拟舱主体10内的压力值增至设定预期设定值后开始对深海环境模拟温度控制系统进行保温操作。开启载冷剂冷却机组进行载冷剂降温，同时，在高压模拟舱的环壁水浴系统外壁敷设预定厚度的保温层，载冷剂将通过环壁水浴系统的盘管和管路系统的换热器不断带走高压模拟舱内各工作原件工况状态时产生的热量，保证高压模拟舱内在工作期间一直处于预设的温度环境，且整个模拟舱主体内的温度均匀分布。

与现有技术相比，有益效果是：

1.降温保障单元与恒温保障单元的设置能够实现模拟舱内的快速降温以及后续的整个模拟舱内的温度稳定均匀分布，为研究深海环境创造出更好的模拟条件，为大尺度深海高压低温环境模拟涉及的前沿科学研究提供了基础条件和实现路径。

附图说明

图1是本发明中深海环境模拟温度控制系统的整体结构示意图。

图2是本发明中深海环境模拟温度控制系统使用方法的操作流程示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本实施例提供一种深海环境模拟温度控制系统。如图1所示，为一种深海环境模拟温度控制系统，包括模拟舱主体10、降温保障单元20、恒温保障单元30以及数据采集处理单元40，所述降温保障单元20两端分别连接在所述模拟舱主体10的进水口和出水口，所述恒温保障单元30敷设在所述模拟舱主体10侧壁上，所述数据采集处理单元40分别连接所述模拟舱主体10、降温保障单元20和所述恒温保障单元30。

本实施例中，所述降温保障单元20包括第一循环泵5、第一控制阀6、第二控制阀7、过滤器3、换热器4、海水制冷机组1和海水冷却塔2；所述第一控制阀6一端连接在所述模拟舱主体10底部的出水口、另一端连接所述第一循环泵5的抽水口，所述第一循环泵5的排水口连接所述换热器4的热流体入口，所述换热器4的热流体出口连接所述过滤器3的一端，所述过滤器3的另一端通过所述第二控制阀7连接在所述模拟舱主体10顶部的进水口，所述换热器4的冷流体出口和冷流体入口分别连接在所述海水冷却塔2的两端，所述海水冷却塔2连接所述海水制冷机组1。所述恒温保障单元30包括水浴系统14、保温层13、第二循环泵15、第三控制阀16、第四控制阀17、第二换热器4和载冷剂制冷机组12，所述水浴系统14环绕设置在所述模拟舱主体10的整个外壁，所述水浴系统14的外壁敷设所述保温层13，所述水浴系统14的进液口连接所述第二循环泵15的抽水口，所述第二循环泵15的排水口连接所述第三控制阀16的一端，所述第三控制阀16的另一端连接所述载冷剂制冷机组12的一端，所述载冷剂制冷机组12的另一端连接所述第四控制阀17的一端，所述第四控制阀17的另一端连接所述水浴系统14的进液口。所述数据采集处理单元40包括数据采集器、中央处理器、存储器、显示器、所述模拟舱主体10底部设有的压力传感器、所述模拟舱主体10的内壁设有的温度传感器41以及所述降温保障单元20和所述恒温保障单元30的管道中均设有的流量计，所述数据采集器分别与所述压力传感器、温度传感器41和所述流量计通信连接，所述数据采集器与所述中央处理器连接，所述中央处理器分别连接所述存储器和所述显示器。所述模拟舱主体10为圆柱和半球形的组合体形结构，所述组合体中的圆柱体连接在所述半球形的球面上。

本实施例中，降温保障单元20中布设循环管路连接该单元中各个装置构成一个循环系统，第一循环泵5将模拟舱主体10中热海水抽出，热海水流到换热器4中进行热交换降温，降温之后的冷海水流到过滤器3中进行过滤，冷海水过滤之后泵回到模拟舱主体10中；换热器4中冷流体通过海水制冷机组1降温和海水冷却塔2在换热器4中循环，实现与热海水的热交换，将海水模拟舱中的热海水进行降温，如此循环，能够快速地讲模拟舱中的海水进行均匀地降温，降至设定预期设定值时，可以关闭循环泵和两个控制阀。

其中，水浴系统14为环壁水浴系统，相当于在模拟舱外壁再加第一层外保护套，保温层13相当于第二层保护套，两层结构将模拟舱主体10包裹在中间，使其与外界的温度交换减缓，水浴系统14能够实现流体的流动，其通过循环泵将里面的水抽出，之后进入载冷剂制冷机组12进行降温，降温之后泵回到水浴系统14中，相当于水浴系统14与模拟舱主体10的外壁实现热交换，当模拟舱主体10中各个工作原件工况状态下产生的热量能够被水浴系统14带出，从而保持整个模拟舱主体10内一直处于稳定的低温环境，更好地模拟深海环境。压力传感器能够实时监测真个模拟舱主体10中留有的海水量，温度传感器41环绕布设在模拟舱主体10内壁的多个位置，能够监测各个点的温度数据，看是否达到稳定，流量计能够监测各个循环管路中流体的流动速率，便于对循环管路进行控制；压力传感器、温度传感器41和流量计监测到的数据实时反馈给到数据采集器，数据采集器传输给到中央处理器，中央处理器对数据进行处理之后，进行储存和显示，方便作业人员直观地观察到整个系统中的各项数据，进行实时调节，例如：可根据深海环境模拟舱的内部有效容积确定好需要的注水量，然后根据海水量、限定的降温时间和环境温度条件，确定循环水量、提供的冷量和需要的保温层13的厚度。

模拟舱主体10下方设置成一个类似于半球形结构，半球形的球面朝上，切面在下，能够有较大的可操作的底面积，在半球形的弧顶球面上连接一个半径较小的柱体，能够实现在较少的海水量时产生较高的压力；而且整个模拟舱主体10的结构受力也均匀稳定。

模拟舱主体10是深海环境模拟的主体，其主要功能是储存海水和模拟高压的海水环境，舱内具有工作原件能够控制调节舱内的压力；在原有的大尺度的模拟舱主体10外加设降温保障单元20，降温保障单元20将模拟舱主体10中的海水抽出之后进行降温，降温之后送回模拟舱主体10，实现对模拟舱主体10的循环降温，能够加快降温的速率；降温保障单元20对模拟舱主体10中的模拟深海环境进行快速地循环降温，降温之后，采用恒温保障单元30对模拟舱主体10中的温度进行恒温保持，使其保持在稳定的低温环境，另外，数据采集处理单元40能够实时采集模拟舱主体10中的温度、压力、流量数据进行处理反馈，实现对模拟舱主体10模拟的深海环境的实时调节控制；降温保障单元20与恒温保障单元30配合数据采集处理单元40的设置能够实现模拟舱内的快速降温以及后续的整个模拟舱内的温度稳定均匀分布，为研究深海环境创造出更好的模拟条件，为大尺度深海高压低温环境模拟涉及的前沿科学研究提供了基础条件和实现路径。

实施例2

本实施例为实施例1中的深海环境模拟温度控制系统的使用方法，主要包括以下步骤：

s1.舱内注水：往所述模拟舱主体10中注入海水；

s2.降温阶段，具体包括以下几个小步骤：

s21.启动所述海水制冷机组1；

s22.打开所述第一控制阀6和所述第二控制阀7；

s23.打开所述第一循环泵5将所述模拟舱主体1中的海水抽入所述换热器4中进行降温后流回所述模拟舱主体1中，实现对所述模拟舱主体1中的海水进行降温阶段降温；

s3.舱内增压：当数据采集处理单元40反馈数据达到预期设定值时，关闭所述降温保障单元20，对模拟舱主体1内部增压；

s4.恒温阶段，具体包括以下几个小步骤：

s41.在所述水浴系统14外壁敷设所述保温层13；

s42.启动所述载冷剂制冷机组12；

s43.打开所述第二循环泵15、所述第三控制阀16和所述第四控制阀17；

s43.根据所述数据采集处理单元40反馈的温度数据，调节所述载冷剂制冷机组12的输出功率，对所述模拟舱主体10进行温度控制，使所述模拟舱主体10内部维持在恒定的温度和压力范围。

深海环境模拟温度控制系统的使用方法的大致为：首先通过系统调度运行，准备好大尺度深海环境模拟舱的各系统到位，其次开始深海环境模拟温度控制系统的注水降温阶段，最后通过恒温保障单元30进行保温。注水降温阶段首先根据深海环境模拟舱的内部有效容积确定好需要的注水量，然后根据海水量、限定的降温时间和环境温度条件，确定循环水量、提供的冷量和需要的保温层的厚度。然后向高压模拟舱内注入海水，当注水量达到预期值后，开启循环系统中的第一循环泵5、第一控制阀6和所述第二控制阀7，打开海水冷却系统中的海水制冷机组1(顺序可调)，将模拟舱主体10内的海水抽出来通过循环系统冷却降温，然后将冷却的海水泵回至模拟舱主体10内。当模拟舱主体10内的温度降低至设定预期设定值之后，关闭第一循环泵5和海水制冷机组1，结束降温操作，同时继续对模拟舱主体10注水增压，当模拟舱主体10内的压力值增至设定预期设定值后开始对深海环境模拟温度控制系统进行保温操作。开启载冷剂冷却机组12进行载冷剂降温，同时，在模拟舱主体10的环壁水浴系统14外壁敷设预定厚度的保温层13，载冷剂将通过环壁水浴系统14的盘管和管路系统的换热器不断带走模拟舱主体10内各工作原件工况状态时产生的热量，保证模拟舱主体10内在工作期间一直处于预设的温度环境，且整个模拟舱主体10内的温度均匀分布。

如图1和图2所示，假设模拟舱主体10内共有135m³的海水，由环境温度25℃降温到设定深海温度3℃，总换热量值为

q总＝135×1027.2×22×4.096＝12165120kj

因为初始降温工况较少用到，因此从经济角度考虑，在48小时内完成降温过程，及按照每小时降温0.5℃(设置两套机组可以保证特殊状况每小时1℃降温)，循环流量为135t/h计算：

q'＝4.096×135×10³÷3600×0.5＝76.8kw

每小时需要对135t海水提供76.8kw的冷量。

同时也需要考虑模拟舱主体10的结构的降温，总质量500t，比热容460j/kg·k

q0＝0.46×500×10³÷3600×0.5＝32kw

压力舱内温度按3℃考虑，试验室内室温按25℃考虑，模拟舱主体10外采用耐火保温材料岩棉作为保温材料，保温层厚度为100mm，该材料的热传导系数λ不大于0.05w/(m.k)，压力舱的表面积a约为170m²。则单位时间内传入压力舱内的热量q1可由傅立叶公式计算：

q1＝ak1δt1＝1.9kw

同时，考虑热辐射传热，估算其值约为0.3倍热传导值，为1.2kw。另考虑深海模拟环境的闸室、观察系统、轴流泵、外壁传热、模拟舱主体10内部照明需求等热量消耗，估计总共约18kw转化为压力舱内热量。

考虑舱壁、电子器件及系统管道内热量的输入，这部分的热量总共有20kw。

因此总共需要的冷量大约有148.8kw，考虑安全系数后得到总功率如下：

q＝148.8×1.4≈208kw

因为循环冷却过程为常压，参考海水管路流速常用值及gb/t17395选取不锈钢管规格为ф/89mm×7mm，管道内径75mm。

如图2所示，当模拟舱主体10内的温度降低至3℃后，关闭第一循环泵5和海水制冷机组1，结束降温操作，同时继续对模拟舱主体10注水增压，当模拟舱主体10内的压力值增至设定值20mpa后开始对深海环境模拟温度控制系统进行保温操作。开启载冷剂冷却机组12进行载冷剂降温，同时，在模拟舱主体10的环壁水浴系统14外壁敷设预定厚度的保温层12，载冷剂将通过环壁水浴系统14的盘管和管路系统的换热器不断带走模拟舱主体10内各工作原件工况状态时产生的热量，保证模拟舱主体10内在工作期间一直处于预设的温度环境，且整个模拟舱主体10内的温度均匀分布。

根据外界设计输入，在温度保持阶段产热热源主要有外界传热、内部照明，根据上文按照20kw考虑；再计入减压/增压泵以及通过换气管路、模拟舱主体10等不可预知的其他热量输入共计为10kw，则总热量共30kw。

设置环壁水浴系统的盘管为管壁换热管的计算模型，从外侧向内侧到换热管有热阻：

则有，ql＝klaδtl；

同样，从内侧向外侧到换热管有热阻：

则有，qr＝kraδtr；

从内侧向外侧，需要传出管内16kw的热量，假设通过换热管换热量为其一半，即qr＝8kw，另一半由换热器换热。则可得到换热管内载冷剂乙二醇溶液的平均温度，令其出口温度为2℃，计算得到其入口温度为-4℃。根据上文确定的ql可得换热管换热总功率为q＝12kw，则可确定乙二醇溶液等载冷剂的总流量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。