一种含湿岩土换热系数动态监测实验系统的制作方法

本发明涉及一种含湿岩土换热系数动态监测实验系统，其岩土内渗流速度可控，属于含湿岩土热物性测量的实验领域。

背景技术：

含湿岩土的换热系数，是地热能利用过程中的重要参数之一，其非稳态变化过程的准确预测是以岩土为热源或冷源的热交换系统的设计基础。在现有含湿岩土蓄/放热系统的设计中，u型埋管换热器与热负荷的匹配通常建立在土壤热交换系数为常数的基础上。然而，在实际运行过程中，地埋管换热器与周围土壤之间的长期热交换会导致含湿岩土温度及土壤含水量的非稳态变化，由于含湿岩土换热系数是综合换热系数，会受到含湿岩土温度、土壤饱和度、孔隙结构等诸多因素的影响，是一个动态的过程。因此，单纯将含湿岩土换热系数视为常数会导致整个含湿岩土蓄/放热系统的运行存在偏差，不能够达到最优性能，因此，实现含湿岩土换热系数的精准动态检测至关重要。

技术实现要素：

针对现有实验技术中的不足，本发明提供一种含湿岩土换热系数动态监测实验系统，该实验系统应将含湿岩土的温度、热探针的温度均通过数据采集模块在电脑上实时储存并显示，实现土壤温度控制和热泵运行过程中土壤温度场的实时监测，同时使用热探针，测量在不同试验工况下，土壤不同位置处的换热系数，研究土壤换热系数的变化机理，为土壤换热系数模型的建立提供依据。

本发明采用的技术方案是：一种含湿岩土换热系数动态监测实验系统，实验系统包括热泵制冷装置、恒温水浴、数据采集模块和数据处理器，实验系统还包括沙箱和与直流恒压电源电连接的热探针，所述沙箱包含上层、中间层和下层，上层是采用渗流垫板和渗流网构成的渗流层，在中间层的岩土中埋设有u型埋管换热器、水平温度传感器和垂直温度传感器，下层是采用渗流垫板、小孔径塑料网及土工布的隔土排水层；所述热泵制冷装置经水泵、流量计连接u型埋管换热器，所述恒温水浴经管道连接渗流层，所述热探针、水平温度传感器和垂直温度传感器电连接数据采集模块，数据采集模块电连接数据处理器。

所述热探针包括不锈钢外管套、加热丝和t型热电偶，缠绕加热丝的不锈钢内管套设置在不锈钢外管套中，加热丝的两端电连接直流恒压电源，t型热电偶的引线与数据采集模块电连接，不锈钢外管套的非引线端部设有焊锡封装尖头，不锈钢外管套内填充环氧树脂。

本发明的有益效果是：这种含湿岩土换热系数动态监测实验系统包括热泵制冷装置、恒温水浴、数据采集模块、数据处理器、沙箱和热探针。沙箱包含采用渗流垫板和渗流网构成的渗流层，在中间层的岩土中埋设有u型埋管换热器、水平温度传感器和垂直温度传感器，下层是采用渗流垫板、小孔径塑料网及土工布的隔土排水层。热泵制冷装置经水泵、流量计连接u型埋管换热器，恒温水浴经管道连接渗流层。该实验系统应将含湿岩土的温度、热探针的温度通过数据采集模块在电脑上实时储存并显示，把土壤温度控制在16-26℃，进行热泵运行过程中土壤温度场的实时监测，同时使用热探针，测量在不同试验工况下，土壤不同位置处的换热系数，研究土壤换热系数的变化机理，为土壤换热系数模型的建立提供依据。

附图说明

图1是一种含湿岩土换热系数动态监测实验系统图。

图2是热探针的结构图。

图中：1、沙箱，2、u型埋管换热器，3、渗流层，4、隔土排水层，5、水平温度传感器，5a、垂直温度传感器，6、数据采集模块，7、数据处理器，8、流量计，9、水泵，10、节流阀，11、热泵制冷装置，12、恒温水浴，13、水箱，14、热探针，15、直流恒压电源，16、不锈钢外管套，17、加热丝，18、不锈钢内管套，19、环氧树脂，20、t型热电偶，21、焊锡封装尖头。

具体实施方式

图1示出了一种含湿岩土换热系数动态监测实验系统图。这种含湿岩土换热系数动态监测实验系统包括热泵制冷装置11、恒温水浴12、数据采集模块6、数据处理器7、沙箱1和热探针14。沙箱1包含上层、中间层和下层，上层是采用渗流垫板和渗流网构成的渗流层3，在中间层的岩土中埋设有u型埋管换热器2、水平温度传感器5和垂直温度传感器5a，下层是采用渗流垫板、小孔径塑料网及土工布的隔土排水层3。热泵制冷装置11经水泵9、流量计8连接u型埋管换热器2，恒温水浴12经管道连接渗流层3，热探针14、水平温度传感器5和垂直温度传感器5a电连接数据采集模块6，数据采集模块6电连接数据处理器7。

图2示出了热探针的结构图。热探针14包括不锈钢外管套16、加热丝17和t型热电偶20，缠绕加热丝17的不锈钢内管套18设置在不锈钢外管套16中，加热丝17的两端电连接直流恒压电源15，与不锈钢外管套16内壁构成t型热电偶20的引线与数据采集模块6电连接，不锈钢外管套16的非引线端部设有焊锡封装尖头21，不锈钢外管套16内填充环氧树脂19。

釆用上述的技术方案，水平温度传感器、垂直温度传感器均采用ds18b20测温电缆，ds18b20测温电缆的主要优势在于直接以数字信号通讯的方式工作，由于每个ds18b20测温电缆都有唯一的序列号（地址代码），所以多个ds18b20测温电缆可以并联在同一条三线总线上与微处理器进行双向通讯，三线功能分别为电源正、电源负、信号。这样就避免了热电偶、热电阻等传统测温原件由于测点过多导致的引线与采集通道数过多的问题，大大简化了测温系统的结构，同时节省大量费用。另土壤中埋有可监测土壤含湿量的水分传感器，可及时获取影响土壤换热系数的参数变化情况。

微型热泵机组为小功率制冷机组，包括蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀四部分，为冬季工况为下的竖直埋管换热系统提供所需低温的循环介质，从土壤中获取的热量直接通过该制冷机组释放到环境中。

水泵循环给水装置包括一小扬程水泵，流量计，若干循环水管段、多个变径、直通接头，水泵与热泵装置连接，通过调节流量计，控制所需的流量大小，设计不同的试验工况。

渗流装置为一可上下移动的给水箱结合沙箱的三层结构，来实现渗流水流速的控制及分布的均匀性。

热探针装置依据线热源理论，为实验设计的核心装置，可测土壤换热系数的针形装置包括双层不锈钢管、漆包铜丝、t型热电偶、环氧树脂、直流恒压电源、数据采集模块。只需将制作好的热探针插入待测物的内部，以恒定功率加热土壤，测量记录探针的温度变化，探针的温升速率取决于待测物换热系数的大小。热探针装置的优势及创新在于：装置结构上，采用双层套管结构，内层套管的作用在于固定热电偶的测温位置，使热电偶和发热丝隔离开来互不干扰；方法上，测量范围较广，适用于测量多孔介质及多种材料的换热系数，且测量较为灵活，目前已用于测量空气、保温棉、砂土及泡沫，测量结果准确可靠。

各仪器型号：

1、数据采集模块：日本横河gm10；

2、热泵机组：压缩机为深圳方科电器有限公司生产的hac27rdc24直流变频制冷压缩机；冷凝器为风冷翅片盘管冷凝器，蒸发器采用铜管盘旋放置于循环水箱中，节流装置采用毛细铜管；

3、水泵：上海加兴泵业有限公司生产的dp-60隔膜泵；

4、流量计：流量计使用沈阳北星lzb-10型玻璃转子流量计；

5、恒温水箱：宁波新芝生物科技股份有限公司生产的dc-0515低温恒温槽。

在实验系统中，含湿岩土的温度以及热探针的温度均通过数据采集模块装置在电脑上实时储存并显示，可实现土壤温度控制在16-26℃，可实现热泵运行过程中土壤温度场的实时监测，同时使用热探针装置，可测量不同试验工况下，土壤不同位置处的换热系数，研究土壤换热系数的变化机理，为土壤换热系数模型的建立提供依据，也为土壤源热泵系统的实际工程运用中的埋管尺寸设计提供有效的理论支撑。

热探针装置的测量土壤导热系数的原理如下：

基于线热源理论，通常设定如下基本条件：

1、认为热探针无限长，可视为垂直于轴向的一维热传导；

2、加热热流恒定，热探针长度l远大于半径d（l/d>50），并忽略热探针自身热容的影响；

3、热探针构造均匀，不考虑内部热阻；忽略热探针与待测试样之间的接触热阻。

在满足上述假设条件一段时间内，距离线热源ｒ处温度的变化表达式为：

(1)

其中，(2)

当中的距离r很小且时间很大时，（1）式可简化为

(3)

设时，;时，,则r处的温度为：

(4)

即求出探针壁面温升随对数时间的变化，即可求得待测介质的导热系数。

通过数据采集模块可以直接得到温度数据，通过上述处理方法可换算为有效导热系数，即求出（4）式的斜率，即可求得导热系数。