專利名稱：地埋管換熱器綜合微縮試驗臺的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，特別是涉及一種將模擬地埋管換熱器豎直放置的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺。
背景技術：
地埋管地源熱泵是一種先進的技術，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點。近年來隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，在政府的大力倡導下，地埋管地源熱泵的研究和應用發(fā)展迅速。 北京、沈陽等城市推出一系列優(yōu)惠政策推廣該技術，取得了一些成績，而在理論研究方面尤其是地下水滲流對地埋管換熱器傳熱的影響方面一直沒有突破性進展。由于該地埋管地源熱泵系統(tǒng)項目初投資大和存在技術風險，在一定程度阻礙了該技術的推廣和應用。地埋管地源熱泵系統(tǒng)的重點之一是地埋管換熱器的設計，研究地下巖土體的熱物性是地埋管換熱器設計所需要的重要參數(shù)之一，其大小對鉆孔的數(shù)量和深度以及系統(tǒng)的初投資和運行的影響顯著。同時，如果巖土熱物性參數(shù)不準確，也會導致所設計的系統(tǒng)負荷與實際負荷不相匹配，從而不能發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢。地下巖土體是非均質、復雜的，由固、液、氣相組成的混合多孔介質。對地埋管換熱器而言，埋管大部分位于地下水位以下的巖土體飽和區(qū)內，穿越各種不同的地質層，各地質層的物理性質不同，巖土熱物性也大不相同。對于孔隙度大、滲透系數(shù)較高的含水層，這種差別更大，現(xiàn)有的國內外資料已有理論研究證實了這一點。另外，一些實際工程項目在水文地質條件較好、地下水滲流速度較大的地區(qū)測得巖土體的換熱能力較好，此時如果在設計中考慮地下水滲流的影響，會減少地埋管換熱器的設計長度。關于地埋管換熱器的傳熱分析，迄今為止還沒有國際上普遍公認的模型。由于多孔介質中傳熱介質問題的復雜性，國際上現(xiàn)有的地埋管換熱器傳熱模型大多采用純導熱模型，目前，國內很多研究者和工程技術人員認識到地下水滲流會對地埋管換熱器的傳熱產生重要影響，并提出過一些定性分析，由于該問題的復雜性，至今很少有深入的理論分析和試驗研究。實際工程應用中，豎直埋管的深度通常達60 200m，在這個地層深度內，通常都存在著地下水的滲流，尤其是在山前沖洪積扇的中上游，大都為砂卵礫石含水層，滲流條件好，地下水滲流速度大。國內外已有文獻指出地下水的流動或滲流，能夠促進地埋管換熱器的傳熱，有利于減弱或消除地埋管換熱器吸放熱不平衡的現(xiàn)象。隨著我國地源熱泵技術和應用的快速發(fā)展，作為系統(tǒng)的重點，地埋管換熱器的設計受到重視。各國學者進行了大量的關于地埋管換熱器換熱機理和模型的研究，國內也在模型方面做了一些研究，但由于地下水滲流對地埋管換熱器換熱影響的分析需要在各種地下水滲流條件下測定換熱情況，而實際中無法找到符合各種地下水滲流條件的試驗地點， 同時原位試驗由于地下巖土體的初始條件無法改變，要想得到大量不同巖土體條件下?lián)Q熱的數(shù)據，需要大量人力、物力和時間，很難實現(xiàn)對各種地下水滲流條件下?lián)Q熱情況的分析。 然而，室內微縮試驗臺可以借助相似原理和達西定律能夠模擬不同地下水流速、溫度等初始條件下?lián)Q熱器的換熱情況，可操作性強，通過在砂箱內布置的大量溫度傳感器采集地埋管換熱器周圍巖土體溫度場變化數(shù)據，從而可以更正確、全面的研究地下水滲流對地埋管換熱器傳熱的影響，更好的指導今后的工程設計和施工。因此，如何創(chuàng)設一種新的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，能解決上述問題，實屬當前重要研發(fā)課題之一，亦成為當前業(yè)界極需改進的目標。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于，提供一種地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，將模擬地埋管換熱器豎直放置，以給水溢流箱、排水溢流箱的高度及水位差控制滲流試驗砂箱的流動性質，改進已有試驗臺中將模擬換熱器水平放置，靠重力驅動滲流水的流動的方式。本實用新型的目的及解決其技術問題是采用以下的技術方案來實現(xiàn)的。依據本實用新型提出的一種地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其包括微縮試驗臺主體，包括滲流試驗砂箱，設置于微縮試驗臺主體內；水夾套保溫層，設置于所述微縮試驗臺主體內部四側的外面；擋板支架，緊鄰所述水夾套保溫層，并設置于所述水夾套保溫層的內側；滲流擋板， 設置于所述擋板支架的內側且緊鄰擋板支架；模擬地埋管換熱器，由換熱孔和地埋管組成， 所述換熱孔豎直安裝于所述滲流試驗砂箱的內部，所述地埋管安裝于所述換熱孔內部；給水溢流箱，安裝于所述微縮試驗臺主體的上游的外部，所述給水溢流箱經管道與所述微縮試驗臺主體的上游的所述擋板支架空間連接；及排水溢流箱，安裝于所述微縮試驗臺主體的下游的外部，所述排水溢流箱經管道與所述微縮試驗臺主體下游的所述擋板支架空間連接；恒溫水箱，包括大恒溫水箱和小恒溫水箱，所述大恒溫水箱設置于所述微縮試驗臺主體的外部，經管道與所述水夾套保溫層和所述給水溢流箱連接，所述小恒溫水箱設置于所述微縮試驗臺主體的外部，經管道與所述地埋管連接；電加熱器，設置于所述小恒溫水箱中； 多個溫度監(jiān)測系統(tǒng)，綁定于所述微縮試驗臺主體內的支架上。本實用新型的目的以及解決其技術問題還可以采用以下的技術措施來進一步實現(xiàn)。前述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其中所述滲流試驗砂箱的箱體采用透明有機玻璃材料。前述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其中所述水夾套保溫層的厚度為5cm。前述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其中所述水夾套保溫層由雙層有機玻璃圍成。前述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其中所述滲流擋板由一層多孔鋼板和一層 140目紗網疊加而成。前述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其中所述換熱孔采用多孔鋼板卷焊而成， 所述換熱孔的外側疊加一層140目紗網。前述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其中所述地埋管為銅管。前述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其中所述給水溢流箱和所述排水溢流箱的高度能夠自由調節(jié)。前述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其還包括巡檢儀，經傳感器線與所述多個溫度監(jiān)測系統(tǒng)連接。[0020]前述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其還包括PC機，電性連接于巡檢儀。本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。借由上述技術方案，本實用新型地埋管換熱器綜合微縮試驗臺至少具有下列優(yōu)點及有益效果1、試驗臺將模擬地埋管換熱器豎直放置，以給水溢流箱、排水溢流箱的高度及水位差控制滲流箱內水的流動性質，改進已有試驗臺中將模擬換熱器水平放置，靠重力驅動滲流水的流動的方式；2、改進之前試驗臺中用電加熱器代替實際HDPE管的方法，采用銅管代替，即可模擬穩(wěn)定熱流測試，也可模擬實際運行中不同運行工況(進水溫度、循環(huán)水流量)的換熱實驗；3、大恒溫水箱和水夾套保護層組成了系統(tǒng)恒溫環(huán)境模擬系統(tǒng)，大恒溫水箱提供恒溫循環(huán)水，通過水夾套保護層在滲流箱四周循環(huán)流動，可為滲流箱提供一個穩(wěn)定的外界溫度，模擬地層無窮遠處的一個恒溫邊界。4、本實用新型可模擬單U、雙U型地埋管換熱器；5、通過拆卸或安裝銅管底部U型彎曲部分可分別模擬U型地埋管和豎直部分地埋管的換熱；6、本實用新型可實現(xiàn)穩(wěn)定工況(夏季工況和冬季工況)和穩(wěn)定熱流兩種方法模擬實際工程中的巖土體換熱情況。7、恒溫水箱的水溫可調范圍較大，試驗過程中換熱量較小，可以通過提高水夾套保護層的溫度，加大遠邊界和換熱器的溫差，從而可以增加換熱量，提高地埋管換熱器銅管進出口溫差，減小傳感器由于溫度變化小帶來的測量誤差。上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本實用新型的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。

圖1為本實用新型地埋管換熱器綜合微縮試驗臺的俯視圖。圖2為本實用新型地埋管換熱器綜合微縮試驗臺的滲流擋板的剖面示意圖。圖3為本實用新型地埋管換熱器綜合微縮試驗臺的擋板支架的剖面示意圖。圖4A至圖4B為本實用新型地埋管換熱器綜合微縮試驗臺內的支架的剖面示意圖。圖5為本實用新型地埋管換熱器綜合微縮試驗臺運行時的流程示意圖。
具體實施方式
為更進一步闡述本實用新型為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功效，
以下結合附圖及較佳實施例，對依據本實用新型提出的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺其具體實施方式
、結構、特征及其功效，詳細說明如后。請參閱圖1所示，為本實用新型地埋管換熱器綜合微縮試驗臺的俯視圖，地埋管換熱器綜合微縮試驗臺包括微縮試驗臺主體1、恒溫水箱2、電加熱器3以及多個溫度監(jiān)測系統(tǒng)4。[0037]請繼續(xù)參閱圖1所示，微縮試驗臺主體1包括滲流試驗砂箱11、水夾套保溫層12、 擋板支架13、滲流擋板14、模擬地埋管換熱器15、給水溢流箱16以及排水溢流箱17，在本實用新型中，微縮試驗臺主體1的整體外形尺寸(長、寬、高)為anX1.5mXaii，滲流試驗砂箱11設置于微縮試驗臺主體1內并填充滲透介質，本實用新型中采用篩分過的標準中砂。 為便于觀測，滲流試驗砂箱11的箱體采用透明有機玻璃材料。上述的恒溫水箱2分為大恒溫水箱21和小恒溫水箱22，大恒溫水箱21設置于微縮試驗臺主體1的外部，經管道與水夾套保溫層12和給水溢流箱16連接。上述的水夾套保溫層12，設置于微縮試驗臺主體1內部四側的外面，水夾套保溫層12的厚度為5cm，由雙層有機玻璃圍成。如圖1及圖3所示，擋板支架13，緊鄰水夾套保溫層12，并設置于水夾套保溫層12 的內側。如圖1及圖4所示，滲流擋板14設置于擋板支架13的內側，緊鄰擋板支架13，滲流擋板14由一層多孔鋼板和一層140目的紗網疊加而成，以隔離砂子。在本實用新型中，以模擬地埋管換熱器15為分界線，模擬地埋管換熱器15的左側區(qū)域為微縮試驗臺主體1的上游，模擬地埋管換熱器15的右側區(qū)域為微縮試驗臺主體1的下游。模擬地埋管換熱器15由換熱孔151和地埋管152組成(如圖1所示)，換熱孔151 豎直安裝于滲流試驗砂箱11的內部，周圍填充砂子，與微縮試驗臺主體1的上游的滲流擋板14的距離為60cm，換熱孔151采用多孔鋼板卷焊而成，外側疊加一層140目紗網，內徑d =64mm，地埋管152安裝于換熱孔151的內部，與換熱孔151間的空隙也填滿砂子，經管道與設置于微縮試驗臺主體1的外部的小恒溫水箱22連接，從而形成閉路循環(huán)，地埋管152 為四根內徑d = 6mm的銅管，進出口由PI3R管材與水泵和小恒溫水箱22相連，打開不同的開關可分別模擬單U或雙U型地埋管。每組銅管底部U型彎曲部分可拆卸，可分別模擬U 型地埋管和單向豎直部分地埋管的換熱。上述的給水溢流箱16安裝于微縮試驗臺主體1的上游的外部(如圖1所示)，其高度是可以調節(jié)的，經管道與微縮試驗臺主體1的上游的擋板支架13空間連接，根據連通器原理可上下移動，控制微縮試驗臺主體1的上游、下游水位。上述的排水溢流箱17安裝于微縮試驗臺主體1的下游的外部(如圖1所示)，其高度是可以調節(jié)的，經管道與微縮試驗臺主體1下游的擋板支架13’空間連接，根據連通器原理可上下移動地控制微縮試驗臺主體1的上、下游水位。上述的小恒溫水箱22設置于微縮試驗臺主體1的外部，經管道與地埋管152連接，在本實用新型中，電加熱器3設置于小恒溫水箱22中，大恒溫水箱2給微縮試驗臺主體 1四圍的水夾套保溫層12、12’以及給水溢流箱16提供恒溫的循環(huán)水，為了提供實驗時的恒溫環(huán)境，模擬地層無窮遠處的一個邊界條件，使模擬結果更加精確；小的恒溫水箱22給模擬地埋管換熱器15提供恒溫循環(huán)水。結合圖1、圖4A及圖4B所示，圖4A及圖4B為本實用新型地埋管換熱器綜合微縮試驗臺內的支架的剖面示意圖。多個溫度監(jiān)測系統(tǒng)4，綁定于微縮試驗臺主體1內的支架上，并且用以在試驗過程中采集地層溫度的變化；在本實用新型中，多個溫度監(jiān)測系統(tǒng)4 即為多個傳感器，具體可為上游地層溫度監(jiān)測系統(tǒng)、下游地層溫度監(jiān)測系統(tǒng)、淺層巖土體沿流向溫度監(jiān)測系統(tǒng)、深層巖土體沿流向溫度監(jiān)測系統(tǒng)，支架分為鋼管支架181和三角鋼管支架182 ；上游地層溫度監(jiān)測系統(tǒng)和下游溫度監(jiān)測系統(tǒng)分別將傳感器綁定與兩根鋼管支架 181上(如圖4A所示)，并豎直放置在距模擬地埋管換熱器15等距離的上、下游位置；淺層巖土體沿流向溫度監(jiān)測系統(tǒng)和深層巖土體沿流向溫度監(jiān)測系統(tǒng)是將傳感器綁定與2根三角鋼管支架182上(如圖4B所示)，三角鋼管支架182的中心固定在模擬地埋管換熱器15 上，兩根三角鋼管支架182等距離平放在滲流試驗砂箱12內。在本實用新型中，多個溫度監(jiān)測系統(tǒng)4經傳感器線與巡檢儀5 (如圖6所示)連接， 巡檢儀5再與PC機6 (如圖6所示)電性連接，此巡檢儀5可通過多個溫度監(jiān)測系統(tǒng)4獲取溫度數(shù)據并由PC機6實時顯示。請參閱圖6所示，為本實用新型地埋管換熱器綜合微縮試驗臺運行時的流程示意圖。試驗流程以不同地下水滲流速度的試驗為例說明如下1、首先將給水溢流箱16和排水溢流箱17的高度調成一致，滲流試驗砂箱11充水至飽和狀態(tài)，具體步驟是查閱工程地質手冊，確定中砂飽和狀態(tài)下的平均含水率，從而可計算出所需水的體積；2、滲流試驗砂箱11中的水可通過上游的滲流擋板14和下游的滲流擋板14’分別流到上游的擋板支架13、下游的擋板支架13’空間中，同時上游的擋板支架13、下游的擋板支架13’空間底部鋼板上的孔通過管道分別連接給水溢流箱16、排水溢流箱17，通過管道水亦可流到給排水溢流箱16內(上游的滲流擋板14和下游的滲流擋板14’可起到固定砂子和避免砂子隨水流走的作用，上游的擋板支架13及下游的擋板支架13’的空間充滿水形成一個固定水頭，實際就是模擬兩條河流，砂子就是河流之間的陸地)；3、打開大恒溫水箱21電源，水溫調至15度，通過管道給水夾套保溫層12充水，水充滿后可循環(huán)形成恒溫邊界，試驗過程中若銅管進出口溫差較小，可適當提高循環(huán)水的溫度；4、打開大恒溫水箱21和給水溢流箱16的連接管道閥門，根據試驗要求地下水滲流速度調節(jié)排水溢流箱17的高度，形成一個水利坡度；5、調節(jié)小恒溫水箱22與銅管連接管道的水流速度，打開或關閉銅管連接管道上的開關，可實現(xiàn)單、雙U試驗切換；穩(wěn)定熱流試驗是打開電加熱器3啟用開關，根據試驗不同選擇不同的加熱功率；穩(wěn)定工況試驗是關閉電加熱器3啟用開關，根據試驗工況不同可選擇不同的溫度；6、試驗過程中溫度監(jiān)測系統(tǒng)4可采集到地層溫度變化數(shù)據，通過巡檢儀獲取并由 PC機顯示，試驗完成后導出數(shù)據。歸上所述，本實用新型地埋管換熱器綜合微縮試驗臺更加接近地埋管換熱器實際形式與環(huán)境，試驗結果更加精確，具有以下優(yōu)點(1)、試驗臺將模擬地埋管換熱器豎直放置，以給水溢流箱、排水溢流箱的高度及水位差控制滲流箱內水的流動性質，改進已有試驗臺中將模擬換熱器水平放置，靠重力驅動滲流水的流動的方式；(2)、改進之前試驗臺中用電加熱器代替實際HDPE管的方法，采用銅管代替，即可模擬穩(wěn)定熱流測試，也可模擬實際運行中不同運行工況(進水溫度、循環(huán)水流量)的換熱實驗；(3)、大恒溫水箱和水夾套保護層組成了系統(tǒng)恒溫環(huán)境模擬系統(tǒng)，大恒溫水箱提供恒溫循環(huán)水，通過水夾套保護層在滲流箱四周循環(huán)流動，可為滲流箱提供一個穩(wěn)定的外界溫度，模擬地層無窮遠處的一個恒溫邊界。(4)、本實用新型可模擬單U、雙U型地埋管換熱器；(5)、通過拆卸或安裝銅管底部U型彎曲部分可分別模擬U型地埋管和豎直部分地埋管的換熱。(6)、本實用新型可實現(xiàn)穩(wěn)定工況(夏季工況和冬季工況)和穩(wěn)定熱流兩種方法模擬實際工程中的巖土體換熱情況。(7)、恒溫水箱的水溫可調范圍較大，試驗過程中換熱量較小，可以通過提高水夾套保護層的溫度，加大遠邊界和換熱器的溫差，從而可以增加換熱量，提高地埋管換熱器銅管進出口溫差，減小傳感器由于溫度變化小帶來的測量誤差。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制，雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本實用新型，任何熟悉本專業(yè)的技術人員在不脫離本實用新型技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術方案的范圍內。
權利要求1.一種地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其特征在于其包括 微縮試驗臺主體，包括滲流試驗砂箱，設置于微縮試驗臺主體內； 水夾套保溫層，設置于所述微縮試驗臺主體內部四側的外面； 擋板支架，緊鄰所述水夾套保溫層，并設置于所述水夾套保溫層的內側； 滲流擋板，設置于所述擋板支架的內側且緊鄰擋板支架；模擬地埋管換熱器，由換熱孔和地埋管組成，所述換熱孔豎直安裝于所述滲流試驗砂箱的內部，所述地埋管安裝于所述換熱孔內部；給水溢流箱，安裝于所述微縮試驗臺主體的上游的外部，所述給水溢流箱經管道與所述微縮試驗臺主體的上游的所述擋板支架空間連接；及排水溢流箱，安裝于所述微縮試驗臺主體的下游的外部，所述排水溢流箱經管道與所述微縮試驗臺主體下游的所述擋板支架空間連接；恒溫水箱，包括大恒溫水箱和小恒溫水箱，所述大恒溫水箱設置于所述微縮試驗臺主體的外部，經管道與所述水夾套保溫層和所述給水溢流箱連接，所述小恒溫水箱設置于所述微縮試驗臺主體的外部，經管道與所述地埋管連接； 電加熱器，設置于所述小恒溫水箱中；以及多個溫度監(jiān)測系統(tǒng)，綁定于所述微縮試驗臺主體內的支架上。
2.根據權利要求1所述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其特征在于其中所述滲流試驗砂箱的箱體采用透明有機玻璃材料。
3.根據權利要求1所述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其特征在于其中所述水夾套保溫層的厚度為5cm。
4.根據權利要求1所述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其特征在于其中所述水夾套保溫層由雙層有機玻璃圍成。
5.根據權利要求1所述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其特征在于其中所述滲流擋板由一層多孔鋼板和一層140目紗網疊加而成。
6.根據權利要求1所述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其特征在于其中所述換熱孔采用多孔鋼板卷焊而成，所述換熱孔的外側疊加一層140目紗網。
7.根據權利要求1所述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其特征在于其中所述地埋管為銅管。
8.根據權利要求1所述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其特征在于其中所述給水溢流箱和所述排水溢流箱的高度能夠自由調節(jié)。
9.根據權利要求1所述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其特征在于其還包括巡檢儀，經傳感器線與所述多個溫度監(jiān)測系統(tǒng)連接。
10.根據權利要求1所述的地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其特征在于其還包括PC機， 電性連接于巡檢儀。
專利摘要本實用新型是有關于一種地埋管換熱器綜合微縮試驗臺，其包括微縮試驗臺主體、恒溫水箱、電加熱器以及多個溫度監(jiān)測系統(tǒng)，微縮試驗臺主體又包括滲流試驗砂箱、水夾套保溫層、擋板支架、滲流擋板、模擬地埋管換熱器、給水溢流箱以及排水溢流箱，本實用新型還包括巡檢儀和PC機，藉由本實用新型，可將模擬地埋管換熱器豎直放置，以給水溢流箱、排水溢流箱的高度及水位差控制滲流試驗砂箱的流動性質，改進已有試驗臺中將模擬換熱器水平放置，靠重力驅動滲流水的流動的方式。
文檔編號G01N25/20GK202057620SQ20112013060
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權日2011年4月28日
發(fā)明者岳麗燕, 李翔, 樓洪波, 畢文明, 郭建峰, 郭艷春, 陳建平 申請人:北京華清榮昊新能源開發(fā)有限責任公司