专利名称：地埋管换热器综合微缩试验台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种地埋管换热器综合微缩试验台，特别是涉及一种将模拟地埋管换热器竖直放置的地埋管换热器综合微缩试验台。
背景技术：
地埋管地源热泵是一种先进的技术，具有高效、节能、环保等特点。近年来随着能源和环境问题的日益突出，在政府的大力倡导下，地埋管地源热泵的研究和应用发展迅速。 北京、沈阳等城市推出一系列优惠政策推广该技术，取得了一些成绩，而在理论研究方面尤其是地下水渗流对地埋管换热器传热的影响方面一直没有突破性进展。由于该地埋管地源热泵系统项目初投资大和存在技术风险，在一定程度阻碍了该技术的推广和应用。地埋管地源热泵系统的重点之一是地埋管换热器的设计，研究地下岩土体的热物性是地埋管换热器设计所需要的重要参数之一，其大小对钻孔的数量和深度以及系统的初投资和运行的影响显著。同时，如果岩土热物性参数不准确，也会导致所设计的系统负荷与实际负荷不相匹配，从而不能发挥其节能优势。地下岩土体是非均质、复杂的，由固、液、气相组成的混合多孔介质。对地埋管换热器而言，埋管大部分位于地下水位以下的岩土体饱和区内，穿越各种不同的地质层，各地质层的物理性质不同，岩土热物性也大不相同。对于孔隙度大、渗透系数较高的含水层，这种差别更大，现有的国内外资料已有理论研究证实了这一点。另外，一些实际工程项目在水文地质条件较好、地下水渗流速度较大的地区测得岩土体的换热能力较好，此时如果在设计中考虑地下水渗流的影响，会减少地埋管换热器的设计长度。关于地埋管换热器的传热分析，迄今为止还没有国际上普遍公认的模型。由于多孔介质中传热介质问题的复杂性，国际上现有的地埋管换热器传热模型大多采用纯导热模型，目前，国内很多研究者和工程技术人员认识到地下水渗流会对地埋管换热器的传热产生重要影响，并提出过一些定性分析，由于该问题的复杂性，至今很少有深入的理论分析和试验研究。实际工程应用中，竖直埋管的深度通常达60 200m，在这个地层深度内，通常都存在着地下水的渗流，尤其是在山前冲洪积扇的中上游，大都为砂卵砾石含水层，渗流条件好，地下水渗流速度大。国内外已有文献指出地下水的流动或渗流，能够促进地埋管换热器的传热，有利于减弱或消除地埋管换热器吸放热不平衡的现象。随着我国地源热泵技术和应用的快速发展，作为系统的重点，地埋管换热器的设计受到重视。各国学者进行了大量的关于地埋管换热器换热机理和模型的研究，国内也在模型方面做了一些研究，但由于地下水渗流对地埋管换热器换热影响的分析需要在各种地下水渗流条件下测定换热情况，而实际中无法找到符合各种地下水渗流条件的试验地点， 同时原位试验由于地下岩土体的初始条件无法改变，要想得到大量不同岩土体条件下换热的数据，需要大量人力、物力和时间，很难实现对各种地下水渗流条件下换热情况的分析。 然而，室内微缩试验台可以借助相似原理和达西定律能够模拟不同地下水流速、温度等初始条件下换热器的换热情况，可操作性强，通过在砂箱内布置的大量温度传感器采集地埋管换热器周围岩土体温度场变化数据，从而可以更正确、全面的研究地下水渗流对地埋管换热器传热的影响，更好的指导今后的工程设计和施工。因此，如何创设一种新的地埋管换热器综合微缩试验台，能解决上述问题，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
发明内容本实用新型的目的在于，提供一种地埋管换热器综合微缩试验台，将模拟地埋管换热器竖直放置，以给水溢流箱、排水溢流箱的高度及水位差控制渗流试验砂箱的流动性质，改进已有试验台中将模拟换热器水平放置，靠重力驱动渗流水的流动的方式。本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本实用新型提出的一种地埋管换热器综合微缩试验台，其包括微缩试验台主体，包括渗流试验砂箱，设置于微缩试验台主体内；水夹套保温层，设置于所述微缩试验台主体内部四侧的外面；挡板支架，紧邻所述水夹套保温层，并设置于所述水夹套保温层的内侧；渗流挡板， 设置于所述挡板支架的内侧且紧邻挡板支架；模拟地埋管换热器，由换热孔和地埋管组成， 所述换热孔竖直安装于所述渗流试验砂箱的内部，所述地埋管安装于所述换热孔内部；给水溢流箱，安装于所述微缩试验台主体的上游的外部，所述给水溢流箱经管道与所述微缩试验台主体的上游的所述挡板支架空间连接；及排水溢流箱，安装于所述微缩试验台主体的下游的外部，所述排水溢流箱经管道与所述微缩试验台主体下游的所述挡板支架空间连接；恒温水箱，包括大恒温水箱和小恒温水箱，所述大恒温水箱设置于所述微缩试验台主体的外部，经管道与所述水夹套保温层和所述给水溢流箱连接，所述小恒温水箱设置于所述微缩试验台主体的外部，经管道与所述地埋管连接；电加热器，设置于所述小恒温水箱中； 多个温度监测系统，绑定于所述微缩试验台主体内的支架上。本实用新型的目的以及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。前述的地埋管换热器综合微缩试验台，其中所述渗流试验砂箱的箱体采用透明有机玻璃材料。前述的地埋管换热器综合微缩试验台，其中所述水夹套保温层的厚度为5cm。前述的地埋管换热器综合微缩试验台，其中所述水夹套保温层由双层有机玻璃围成。前述的地埋管换热器综合微缩试验台，其中所述渗流挡板由一层多孔钢板和一层 140目纱网叠加而成。前述的地埋管换热器综合微缩试验台，其中所述换热孔采用多孔钢板卷焊而成， 所述换热孔的外侧叠加一层140目纱网。前述的地埋管换热器综合微缩试验台，其中所述地埋管为铜管。前述的地埋管换热器综合微缩试验台，其中所述给水溢流箱和所述排水溢流箱的高度能够自由调节。前述的地埋管换热器综合微缩试验台，其还包括巡检仪，经传感器线与所述多个温度监测系统连接。[0020]前述的地埋管换热器综合微缩试验台，其还包括PC机，电性连接于巡检仪。本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本实用新型地埋管换热器综合微缩试验台至少具有下列优点及有益效果1、试验台将模拟地埋管换热器竖直放置，以给水溢流箱、排水溢流箱的高度及水位差控制渗流箱内水的流动性质，改进已有试验台中将模拟换热器水平放置，靠重力驱动渗流水的流动的方式；2、改进之前试验台中用电加热器代替实际HDPE管的方法，采用铜管代替，即可模拟稳定热流测试，也可模拟实际运行中不同运行工况(进水温度、循环水流量)的换热实验；3、大恒温水箱和水夹套保护层组成了系统恒温环境模拟系统，大恒温水箱提供恒温循环水，通过水夹套保护层在渗流箱四周循环流动，可为渗流箱提供一个稳定的外界温度，模拟地层无穷远处的一个恒温边界。4、本实用新型可模拟单U、双U型地埋管换热器；5、通过拆卸或安装铜管底部U型弯曲部分可分别模拟U型地埋管和竖直部分地埋管的换热；6、本实用新型可实现稳定工况(夏季工况和冬季工况)和稳定热流两种方法模拟实际工程中的岩土体换热情况。7、恒温水箱的水温可调范围较大，试验过程中换热量较小，可以通过提高水夹套保护层的温度，加大远边界和换热器的温差，从而可以增加换热量，提高地埋管换热器铜管进出口温差，减小传感器由于温度变化小带来的测量误差。上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

图1为本实用新型地埋管换热器综合微缩试验台的俯视图。图2为本实用新型地埋管换热器综合微缩试验台的渗流挡板的剖面示意图。图3为本实用新型地埋管换热器综合微缩试验台的挡板支架的剖面示意图。图4A至图4B为本实用新型地埋管换热器综合微缩试验台内的支架的剖面示意图。图5为本实用新型地埋管换热器综合微缩试验台运行时的流程示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，
以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的地埋管换热器综合微缩试验台其具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。请参阅图1所示，为本实用新型地埋管换热器综合微缩试验台的俯视图，地埋管换热器综合微缩试验台包括微缩试验台主体1、恒温水箱2、电加热器3以及多个温度监测系统4。[0037]请继续参阅图1所示，微缩试验台主体1包括渗流试验砂箱11、水夹套保温层12、 挡板支架13、渗流挡板14、模拟地埋管换热器15、给水溢流箱16以及排水溢流箱17，在本实用新型中，微缩试验台主体1的整体外形尺寸(长、宽、高)为anX1.5mXaii，渗流试验砂箱11设置于微缩试验台主体1内并填充渗透介质，本实用新型中采用筛分过的标准中砂。 为便于观测，渗流试验砂箱11的箱体采用透明有机玻璃材料。上述的恒温水箱2分为大恒温水箱21和小恒温水箱22，大恒温水箱21设置于微缩试验台主体1的外部，经管道与水夹套保温层12和给水溢流箱16连接。上述的水夹套保温层12，设置于微缩试验台主体1内部四侧的外面，水夹套保温层12的厚度为5cm，由双层有机玻璃围成。如图1及图3所示，挡板支架13，紧邻水夹套保温层12，并设置于水夹套保温层12 的内侧。如图1及图4所示，渗流挡板14设置于挡板支架13的内侧，紧邻挡板支架13，渗流挡板14由一层多孔钢板和一层140目的纱网叠加而成，以隔离砂子。在本实用新型中，以模拟地埋管换热器15为分界线，模拟地埋管换热器15的左侧区域为微缩试验台主体1的上游，模拟地埋管换热器15的右侧区域为微缩试验台主体1的下游。模拟地埋管换热器15由换热孔151和地埋管152组成(如图1所示)，换热孔151 竖直安装于渗流试验砂箱11的内部，周围填充砂子，与微缩试验台主体1的上游的渗流挡板14的距离为60cm，换热孔151采用多孔钢板卷焊而成，外侧叠加一层140目纱网，内径d =64mm，地埋管152安装于换热孔151的内部，与换热孔151间的空隙也填满砂子，经管道与设置于微缩试验台主体1的外部的小恒温水箱22连接，从而形成闭路循环，地埋管152 为四根内径d = 6mm的铜管，进出口由PI3R管材与水泵和小恒温水箱22相连，打开不同的开关可分别模拟单U或双U型地埋管。每组铜管底部U型弯曲部分可拆卸，可分别模拟U 型地埋管和单向竖直部分地埋管的换热。上述的给水溢流箱16安装于微缩试验台主体1的上游的外部(如图1所示)，其高度是可以调节的，经管道与微缩试验台主体1的上游的挡板支架13空间连接，根据连通器原理可上下移动，控制微缩试验台主体1的上游、下游水位。上述的排水溢流箱17安装于微缩试验台主体1的下游的外部(如图1所示)，其高度是可以调节的，经管道与微缩试验台主体1下游的挡板支架13’空间连接，根据连通器原理可上下移动地控制微缩试验台主体1的上、下游水位。上述的小恒温水箱22设置于微缩试验台主体1的外部，经管道与地埋管152连接，在本实用新型中，电加热器3设置于小恒温水箱22中，大恒温水箱2给微缩试验台主体 1四围的水夹套保温层12、12’以及给水溢流箱16提供恒温的循环水，为了提供实验时的恒温环境，模拟地层无穷远处的一个边界条件，使模拟结果更加精确；小的恒温水箱22给模拟地埋管换热器15提供恒温循环水。结合图1、图4A及图4B所示，图4A及图4B为本实用新型地埋管换热器综合微缩试验台内的支架的剖面示意图。多个温度监测系统4，绑定于微缩试验台主体1内的支架上，并且用以在试验过程中采集地层温度的变化；在本实用新型中，多个温度监测系统4 即为多个传感器，具体可为上游地层温度监测系统、下游地层温度监测系统、浅层岩土体沿流向温度监测系统、深层岩土体沿流向温度监测系统，支架分为钢管支架181和三角钢管支架182 ；上游地层温度监测系统和下游温度监测系统分别将传感器绑定与两根钢管支架 181上(如图4A所示)，并竖直放置在距模拟地埋管换热器15等距离的上、下游位置；浅层岩土体沿流向温度监测系统和深层岩土体沿流向温度监测系统是将传感器绑定与2根三角钢管支架182上(如图4B所示)，三角钢管支架182的中心固定在模拟地埋管换热器15 上，两根三角钢管支架182等距离平放在渗流试验砂箱12内。在本实用新型中，多个温度监测系统4经传感器线与巡检仪5 (如图6所示)连接， 巡检仪5再与PC机6 (如图6所示)电性连接，此巡检仪5可通过多个温度监测系统4获取温度数据并由PC机6实时显示。请参阅图6所示，为本实用新型地埋管换热器综合微缩试验台运行时的流程示意图。试验流程以不同地下水渗流速度的试验为例说明如下1、首先将给水溢流箱16和排水溢流箱17的高度调成一致，渗流试验砂箱11充水至饱和状态，具体步骤是查阅工程地质手册，确定中砂饱和状态下的平均含水率，从而可计算出所需水的体积；2、渗流试验砂箱11中的水可通过上游的渗流挡板14和下游的渗流挡板14’分别流到上游的挡板支架13、下游的挡板支架13’空间中，同时上游的挡板支架13、下游的挡板支架13’空间底部钢板上的孔通过管道分别连接给水溢流箱16、排水溢流箱17，通过管道水亦可流到给排水溢流箱16内(上游的渗流挡板14和下游的渗流挡板14’可起到固定砂子和避免砂子随水流走的作用，上游的挡板支架13及下游的挡板支架13’的空间充满水形成一个固定水头，实际就是模拟两条河流，砂子就是河流之间的陆地)；3、打开大恒温水箱21电源，水温调至15度，通过管道给水夹套保温层12充水，水充满后可循环形成恒温边界，试验过程中若铜管进出口温差较小，可适当提高循环水的温度；4、打开大恒温水箱21和给水溢流箱16的连接管道阀门，根据试验要求地下水渗流速度调节排水溢流箱17的高度，形成一个水利坡度；5、调节小恒温水箱22与铜管连接管道的水流速度，打开或关闭铜管连接管道上的开关，可实现单、双U试验切换；稳定热流试验是打开电加热器3启用开关，根据试验不同选择不同的加热功率；稳定工况试验是关闭电加热器3启用开关，根据试验工况不同可选择不同的温度；6、试验过程中温度监测系统4可采集到地层温度变化数据，通过巡检仪获取并由 PC机显示，试验完成后导出数据。归上所述，本实用新型地埋管换热器综合微缩试验台更加接近地埋管换热器实际形式与环境，试验结果更加精确，具有以下优点(1)、试验台将模拟地埋管换热器竖直放置，以给水溢流箱、排水溢流箱的高度及水位差控制渗流箱内水的流动性质，改进已有试验台中将模拟换热器水平放置，靠重力驱动渗流水的流动的方式；(2)、改进之前试验台中用电加热器代替实际HDPE管的方法，采用铜管代替，即可模拟稳定热流测试，也可模拟实际运行中不同运行工况(进水温度、循环水流量)的换热实验；(3)、大恒温水箱和水夹套保护层组成了系统恒温环境模拟系统，大恒温水箱提供恒温循环水，通过水夹套保护层在渗流箱四周循环流动，可为渗流箱提供一个稳定的外界温度，模拟地层无穷远处的一个恒温边界。(4)、本实用新型可模拟单U、双U型地埋管换热器；(5)、通过拆卸或安装铜管底部U型弯曲部分可分别模拟U型地埋管和竖直部分地埋管的换热。(6)、本实用新型可实现稳定工况(夏季工况和冬季工况)和稳定热流两种方法模拟实际工程中的岩土体换热情况。(7)、恒温水箱的水温可调范围较大，试验过程中换热量较小，可以通过提高水夹套保护层的温度，加大远边界和换热器的温差，从而可以增加换热量，提高地埋管换热器铜管进出口温差，减小传感器由于温度变化小带来的测量误差。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1.一种地埋管换热器综合微缩试验台，其特征在于其包括 微缩试验台主体，包括渗流试验砂箱，设置于微缩试验台主体内； 水夹套保温层，设置于所述微缩试验台主体内部四侧的外面； 挡板支架，紧邻所述水夹套保温层，并设置于所述水夹套保温层的内侧； 渗流挡板，设置于所述挡板支架的内侧且紧邻挡板支架；模拟地埋管换热器，由换热孔和地埋管组成，所述换热孔竖直安装于所述渗流试验砂箱的内部，所述地埋管安装于所述换热孔内部；给水溢流箱，安装于所述微缩试验台主体的上游的外部，所述给水溢流箱经管道与所述微缩试验台主体的上游的所述挡板支架空间连接；及排水溢流箱，安装于所述微缩试验台主体的下游的外部，所述排水溢流箱经管道与所述微缩试验台主体下游的所述挡板支架空间连接；恒温水箱，包括大恒温水箱和小恒温水箱，所述大恒温水箱设置于所述微缩试验台主体的外部，经管道与所述水夹套保温层和所述给水溢流箱连接，所述小恒温水箱设置于所述微缩试验台主体的外部，经管道与所述地埋管连接； 电加热器，设置于所述小恒温水箱中；以及多个温度监测系统，绑定于所述微缩试验台主体内的支架上。
2.根据权利要求1所述的地埋管换热器综合微缩试验台，其特征在于其中所述渗流试验砂箱的箱体采用透明有机玻璃材料。
3.根据权利要求1所述的地埋管换热器综合微缩试验台，其特征在于其中所述水夹套保温层的厚度为5cm。
4.根据权利要求1所述的地埋管换热器综合微缩试验台，其特征在于其中所述水夹套保温层由双层有机玻璃围成。
5.根据权利要求1所述的地埋管换热器综合微缩试验台，其特征在于其中所述渗流挡板由一层多孔钢板和一层140目纱网叠加而成。
6.根据权利要求1所述的地埋管换热器综合微缩试验台，其特征在于其中所述换热孔采用多孔钢板卷焊而成，所述换热孔的外侧叠加一层140目纱网。
7.根据权利要求1所述的地埋管换热器综合微缩试验台，其特征在于其中所述地埋管为铜管。
8.根据权利要求1所述的地埋管换热器综合微缩试验台，其特征在于其中所述给水溢流箱和所述排水溢流箱的高度能够自由调节。
9.根据权利要求1所述的地埋管换热器综合微缩试验台，其特征在于其还包括巡检仪，经传感器线与所述多个温度监测系统连接。
10.根据权利要求1所述的地埋管换热器综合微缩试验台，其特征在于其还包括PC机， 电性连接于巡检仪。
专利摘要本实用新型是有关于一种地埋管换热器综合微缩试验台，其包括微缩试验台主体、恒温水箱、电加热器以及多个温度监测系统，微缩试验台主体又包括渗流试验砂箱、水夹套保温层、挡板支架、渗流挡板、模拟地埋管换热器、给水溢流箱以及排水溢流箱，本实用新型还包括巡检仪和PC机，藉由本实用新型，可将模拟地埋管换热器竖直放置，以给水溢流箱、排水溢流箱的高度及水位差控制渗流试验砂箱的流动性质，改进已有试验台中将模拟换热器水平放置，靠重力驱动渗流水的流动的方式。
文档编号G01N25/20GK202057620SQ20112013060
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者岳丽燕, 李翔, 楼洪波, 毕文明, 郭建峰, 郭艳春, 陈建平 申请人:北京华清荣昊新能源开发有限责任公司