线缆槽恒温系统及线缆槽设计方法与流程

1.本发明属于测量传输线缆保温技术领域，具体涉及一种线缆槽恒温系统及线缆槽设计方法。


背景技术：

2.对于精密传感器的测量传输线缆而言，该线缆所处的环境温度对测量的效果有很大的影响；温度的波动会影响线缆的工作点，影响信号传输。在大环境上，人们通常会采用空调制冷的方式，来保证精密传感器所在区域的温度恒定效果。而测量传输线缆由于要连接外部设备，又经常需穿过低温或是高温的环境，显然测量传输线缆的温度也会随之变化；那么，在节能低碳的大环境背景下，人们始终希望能最优化的确保300米及以上长距离测量传输线缆的工作恒温性，进而确保确保恒温线缆槽的温度在测量传输线缆适用范围内，且保证恒温线缆槽内温度变化梯度不大于
±
1℃，温度均匀性不大于
±
0.1℃，温度控制精度不大于
±
0.1℃，以满足300米及以上长距离测量传输线缆使用。
3.为此，针对恒温线缆槽内温度变化梯度、温度均匀性和温度控制精度的高参数要求，传统的解决方案通常是：采用线缆槽外部加装水套的方式，确保缆槽内的恒温要求。但采用这样方案虽然可以保证温线缆槽内温度均匀性不大于
±
0.1℃高参数的恒温需求，但也存在着以下技术难题：
4.(1)长距离水套串联供水，水套内水温会随着水流动方向产生漏热，温度梯度比较大，并且水套本身是水流的通道，而水套的外形结构差异很大，所以想通过包覆保温层确保水温梯度减小，工程难度很大，并且极易产生冷桥。
5.(2)外部水套式恒温线缆槽采用矩形或者圆形截面需要根据内部容线缆的数量和水套流水量等参数，再确定水套的形状和加工工艺。通常水套和线缆槽的连接方式千差万别，水套的材质和传热方式对加工和制作也要求很高。所以采用恒温线缆槽水套的加工难度非常大，成本很高。
6.(3)鉴于前述的水套加工难度很大，装配工艺复杂等特点。如果水套恒温式线缆槽出现了问题，那么可替换性和维护性很差，如局部导热效果差，只能检查和更换大部分的水套。如果线缆出现问题，需要检修和更换，外部的密封水套拆装很困难。
7.此外，也有采用带有保温层的线缆槽来确保测量传输线缆的恒温需求，然而，当线缆槽结构尺寸(长宽高)一定时：一方面，随着保温层厚度越大，线缆槽内温度受外界影响就小，线缆槽内温度场均匀度就越好，但保温层厚度增加会侵占槽内空间，肯定不能无限制增加。另一方面，槽内进、出换热管之间的间距对槽内温度场也具有重要影响，如何在保温层尽量小的情况下，找出合理的进、出换热管之间的间距，以保证槽内温度场均匀度满足需要，这又是线缆槽合理设计的关键，目前尚无切实有效的解决方式。另外，如何解决300米及以上长距离时恒温线缆槽内温度变化梯度不大于
±
1℃，需要分段式的模块化解决方案，保证长距离时温度变化梯度的高参数要求，简化加工难度，方便测量传输线缆安装和检修，目前也未有相关解决思路。因此，亟待解决。


技术实现要素：

8.本发明的其中一个目的是克服上述现有技术的不足，提供一种线缆槽恒温系统，其独创性的利用了必备的空调系统及空调外机必然产生的废热，从而实现了对恒温线缆槽的恒温效果，最终可确保槽内温度场均匀度始终满足测量传输线缆的实际恒温需求，且具备了节能、环保、低成本和易于实现的优点。本发明的另一个目的在于提供一种线缆槽恒温系统的线缆槽设计方法，从而可便捷化和高效化的实现对恒温线槽的优化设计目的。
9.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
10.一种线缆槽恒温系统，包括恒温线缆槽，恒温线缆槽由恒温槽架单元沿长度方向依序组合构成；组合后恒温线缆槽具备贯穿的中空内腔，该中空内腔构成用于安置测量传输线缆的容线腔；恒温线缆槽的腔壁内穿设有用于维持容线腔恒温环境的换热管，该换热管的两端伸出恒温线缆槽后分别与恒温管路的管路进口端及管路出口端连通；所述恒温管路包括沿换热介质流向依序布置的管路进口端、用于吸收空调蒸发器处热量的冷源换热器、用于吸收空调出风口处热风热量的热源换热器、膨胀水箱、空气换热器、三通调节阀twv、水泵和管路出口端，热源换热器的进口及出口处桥接有带有第一开关阀v1的第一桥接管路，冷源换热器的进口及出口桥接有带有第二开关阀v2的第二桥接管路，且管路进口端与三通调节阀twv的旁路出口间通过调节管路桥接彼此。
11.优选的，恒温槽架单元包括方槽状的线槽壳体以及盖覆于线槽壳体上的线槽盖板，线槽壳体与线槽盖板所围合形成的空间内布置有一层保温棉，保温棉围合形成的空间形成所述中空内腔；该中空内腔的底壁处的保温棉上凹设有用于安放换热管的安置槽，该中空内腔的底壁上布置有用于盖覆所述安置槽的加强层；相邻恒温槽架单元的线槽壳体之间通过连接件连接彼此。
12.优选的，所述加强层为金属丝网，加强层延伸方向与恒温线缆槽等长。
13.优选的，所述安置槽槽底处设置有与线槽壳体壁厚等厚的保温棉，且安置槽的槽底处布置垫木，垫木长度方向平行换热管延伸方向以便托撑换热管。
14.优选的，所述冷源换热器和热源换热器均布置在同一换热箱内，该换热箱外还设置有用于强制对流的外置风机。
15.优选的，所述换热管沿恒温线缆槽长度方向依序布置，各换热管的出口通过集水器汇流以便连通所述管路进口端，管路出口端设置分水器以便连通各换热管的进口；分水器、集水器和与换热管的连接处布置保温段，并使得分水器沿换热介质行进方向的温度变化梯度不大于1℃。
16.优选的，所述换热管外形呈u型、n型、s型或w型。
17.优选的，各换热管布置于恒温槽架单元或同时布置与两组以上的相邻恒温槽架单元处，并铺满所在的恒温槽架单元。
18.优选的，所述中空内腔处布置有用于实时监控温度的温度传感器t1。
19.优选的，一种应用所述的线缆槽恒温系统的线缆槽设计方法，其特征在于包括以下步骤：
20.s1、设置恒温线缆槽及关于恒温线缆槽轴线对称布置的u状的换热管的结构尺寸、建立cfd仿真模型；
21.s2、设置换热管的进水温度t
in
、恒温线缆槽外界环境温度t
am
、中空内腔的温度场
均匀度j；
22.s3、设置保温棉厚度δ＝0m，u状的换热管的两平行段的间距增量δδ；
23.s4、设置相邻两换热管之间间距l＝0m、l的最大值l’，l的增量δl；
24.s5、令δ
n+1
＝δn+δδ，n≥0且为整数；
25.s6、令l
n+1
＝ln+δl；
26.s7、将恒温线缆槽及换热管的结构尺寸、t
in
、δ
n+1
、l
n+1
、t
am
作为cfd仿真模型的输入参数；
27.s8、基于步骤s7获得的cfd仿真模型求解恒温线缆槽内温度场，比较温度场均匀度；
28.s9、判断温度场均匀度是否小于j，如否，转步骤s10；如是，计算结束，输出当前的δ
n+1
、l
n+1
；
29.s10、判断是否l
n+1
＞l’？如否，转步骤s6；如是，转步骤s5。
30.本发明的有益效果在于：
31.1)、通过上述方案，本发明解决了测量传输线缆所在线槽随着环境温度变化而变化的问题，且契合了节能低碳的思路，利用了空调外机的废热，可使得恒温线缆槽内部温度始终保持在某一个恒温范围内；这样，测量传输线缆的环境温度能保持恒温，测量值可以尽可能少受外部影响，对测量数据的准确性有着深远影响。同时，整体结构直接应用了现场的随处可见的空调系统，结构简单且易于实现，更新换代成本极低，成效显著。
32.2)、在上述结构的基础上，本发明同时还增设了空气换热器，从而使得换热管内的液体在升温或降温前，可在空气换热器内与室温进行初步换热，从而达到温度控制目的，进而使得恒温管路内水温在后续调试之前就经过初调流程，进一步提升了恒温操作的效率性。膨胀水箱的设计，目的则在于水加热或制冷时，用于起到平衡恒温管路内水的流量的效果。
33.3)、常规状态下，当恒温条件实现而无需冷源和热源换热时，也可以直接利用调节恒温管路，从而实现自循环功能，以确保温度场内的温度均匀性。
34.4)、实际设计恒温线缆槽时，需要分别对保温棉厚度、单根换热管的平行段间距及相邻换热管间距进行取值，将更新的保温棉厚度、单根换热管的平行段间距及相邻换热管间距等信息输入到cfd仿真模型中，以计算出温度场均匀度，并判断在输入的保温棉厚度、换热管之间的间距条件下，温度场均匀度是否满足需要。最优的解决方案是保温棉厚度采用最低值，换热管的间距和数量合适，就能满足恒温线缆槽内的温度场要求。通过模拟计算，可实现保温棉厚度、换热管进出口及相邻换热管间距的合理优化，最终得以满足所需的恒温线缆槽内温度均匀性需求。
35.5)本发明解决了传统装置中水温梯度的问题。水套由于工艺复杂，所以无法制作成并联结构，对每个线槽单元无法单独走一路水，所以，温度梯度也就在所难免。而本发明中的水管也即换热管可以是标准产品，可以和恒温槽架单元一对一配置，也可以多个恒温槽架单元配置一个水管，然后通过分水器和集水器加以连接。整个水管路和分、集水器结构标准，做保温的工作也非常简洁。根据计算和模拟，常温状况下，整体保温层厚度在30mm时，本发明的并联的水管路能确保水温进入各个单元时进出口的温度差不超过
±
0.1℃。
36.6)本发明解决了传统恒温线缆槽装置中维修和保养困难的问题。水管路和分、集
水器结构标准，所以采购容易，制作容易，大大节省了成本。本发明的换热管布置在恒温线缆槽的底面，原线槽的容线腔不会被影响，所以装配容易，可替换性强。检查和维护线缆时，只需正常打开线槽盖板即可。线槽和线缆需要更换时，作为冷热源水管的换热管也能实现局部的更换和维修，使用十分灵活便捷。
37.7)、本发明可保证恒温线缆槽内温度均匀性不大于
±
0.1℃，温度变化梯度不大于
±
1℃，温度控制精度不大于
±
0.1℃，满足300米及以上长距离测量传输线缆使用。
附图说明
38.图1为本发明的布置状态图；
39.图2为恒温线缆槽的剖视示意图；
40.图3为换热管的其中一种排布状态示意图；
41.图4为本发明的设计方法的流程图；
42.图5、图6、图7为换热管的另外三种排布状态示意图。
43.本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
44.10-恒温线缆槽；10a-恒温槽架单元；11-线槽壳体；12-线槽盖板；13-保温棉；14-加强层；15-垫木；16-安置槽；
45.20-换热管；21-集水器；22-分水器；
46.30a-第一桥接管路；30b-第二桥接管路；30c-调节管路；31-水泵；32-空气换热器；33-膨胀水箱；34-热源换热器；35-冷源换热器；36-换热箱；37-外置风机。
具体实施方式
47.为便于理解，此处结合附图，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
48.图1-3中公开了本发明的具体实施构造；其中，恒温线缆槽10的总长度1000m，可以由若干段的恒温槽架单元10a通过连接件拼接形成，每段恒温槽架单元10a长度6m，总共裁剪和拼装167段。恒温槽架单元10a能够任意组合形成总成，每段恒温槽架单元10a间用卡扣等连接件彼此配合，简单易拆卸。连接好后，分别在每段恒温槽架单元10a内壁和顶盖内部贴保温棉即可。具体而言，如图1所示的，构成每段恒温槽架单元10a的线槽壳体11和线槽盖板12内全部如图1-2所示的覆盖一层保温棉13，保温棉13厚度取20mm，从而最大化的降低容线腔内的线缆与外界环境的换热。同时，在恒温线缆槽10内还布置换热管20，换热管20安置在如图2-3所示的安置槽16中，并通过垫木15托撑，且顶部盖覆一层构成加强层14的金属丝网。
49.实际设计时，换热管20的安置方式和选材等均可通过模拟软件模拟和计算得出，包括但不限于n、w、u、s型等，详见图3及图5-7所示。
50.金属丝网用于起到对测量传输线缆的托撑功能，并避免测量传输线缆的重量压迫到换热管20；优选采用镀锌钢丝网。
51.图3为换热管20的排布状态，可看出，换热管20为两根以上且沿恒温线缆槽10长度方向依序布置，各换热管20的出口通过集水器21汇流以便连通所述管路进口端，管路出口端设置分水器22以便连通各换热管20的进口，从而实现汇流和分流目的。实际设计时，集水器21和分水器22设计为如图3所示的腔体构造即可，其结构较为常见，此处就不再赘述。分
水器22、集水器21和与换热管20的连接处应保温，根据模拟和计算确定保温处的厚度，至少能确保分水器22沿恒温线缆槽10长度方向延伸的管段的温度变化梯度不大于1℃。具体设计时，通过优化分水和集水结构，能够确保恒温线缆槽10内温度场均匀度始终满足300米及以上长距离测量传输线缆的实际恒温需求。
52.进一步的，换热管20内的水通过恒温管路实现对流换热，从而将换热管20内的水的热量散入线槽壳体11内。具体而言，换热管20的热水由水泵31提供循环动力，恒温管路中的换热介质也即水在经过热源换热器34和空调外机换热后，再经过空气换热器32和膨胀水箱33。空调外机的排出空气温度为t1,作为水的热源。换热管20还可经过空调的蒸发器对水进行冷却，此时空调机的蒸发器形成冷源换热器35，温度为t3。为进一步契合节能的特点，恒温管路上还增设有空气换热器32，用于换热管20中的水和空气进行换热；通常空气换热器32置于室外环境中，作为水的调节源，温度为t2。此外，恒温管路中还设置膨胀水箱33，以便起到水压调节功能。此外，热源换热器34的进口及出口处桥接有带有第一开关阀v1的第一桥接管路30a，冷源换热器35的进口及出口桥接有带有第二开关阀v2的第二桥接管路30b，而管路出口端与三通调节阀twv的旁路出口间则通过调节管路30c桥接彼此。
53.在图1-3所示的实施例中，恒温线缆槽的规格为：400mm
×
200mm；保温棉13为厚度20mm的厚橡塑保温棉13。换热管20选择6mm外径的铜管，并弯折形成如图3所示的u状。换热管20距恒温线缆槽的轴线170mm，温度传感器t1的放置位置如图3所示。
54.至此，本发明存在的优点如下：
55.1.在恒温线缆槽10内贴满保温棉13，同时通入换热管20，可利用换热管20中的热水或冷水来恒温控制恒温线缆槽10内空气，确保恒温线缆槽10内部恒温效果。对比传统的镂空桥架、加风机散热等技术，更新换代成本更低，也更能保护测量传输线缆，更安全，温度更均匀和稳定。
56.2.上述的换热管20可直接采用铜管等简单易得材料，热水来自空调外机的废热，冷水则来自蒸发器，成本很低；相比于传统的电加热器加冷源控制方法，更为节能和低碳。
57.3.恒温线缆槽10内设置温度传感器，可以根据内部温度动态调节水量，调节水量可通过三通调节阀twv实现。
58.4.热源换热器34和空调的冷凝器所形成的冷源换热器35均在一个大的换热箱36内集中完成换热，并通过外置风机37强制对流，可增加换热完成度。
59.在上述结构的基础上，如图4所示的，本发明还提供了一种应用所述的线缆槽恒温系统的线缆槽设计方法，包括以下步骤：
60.s1、设置恒温线缆槽10及关于恒温线缆槽10轴线对称布置的u状的换热管20的结构尺寸、建立cfd仿真模型；
61.s2、设置换热管的进水温度t
in
、恒温线缆槽外界环境温度t
am
、中空内腔的温度场均匀度j；
62.s3、设置保温棉厚度δ＝0m，u状的换热管的两平行段的间距增量δδ；
63.s4、设置相邻两换热管之间间距l＝0m、l的最大值l’，l的增量δl；
64.s5、令δ
n+1
＝δn+δδ，n≥0且为整数；
65.s6、令l
n+1
＝ln+δl；
66.s7、将恒温线缆槽10及换热管20的结构尺寸、t
in
、δ
n+1
、l
n+1
、t
am
作为cfd仿真模型的
输入参数；
67.s8、基于步骤s7获得的cfd仿真模型求解恒温线缆槽10内温度场，比较温度场均匀度；
68.s9、判断温度场均匀度是否小于j，如否，转步骤s10；如是，计算结束，输出当前的δ
n+1
、l
n+1
；
69.s10、判断是否l
n+1
＞l’？如否，转步骤s6；如是，转步骤s5。
70.当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
71.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
72.本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。