一種冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，包括水槽1、水泵3、閘閥4、調(diào)溫器5、流速儀6、冰厚變化測(cè)量儀7和溫度記錄儀8，管道2依次將水泵3、閘閥4和調(diào)溫器5相連，并構(gòu)成回路，流速儀6和溫度記錄儀8的測(cè)量探頭均位于水槽1內(nèi)，冰厚變化測(cè)量儀7的測(cè)量探頭位于水槽內(nèi)的冰層19和水中。本發(fā)明還提供了利用上述裝置測(cè)定冰水熱交換系數(shù)的方法，本發(fā)明裝置能很好的模擬水庫結(jié)冰及低流速水流狀況，獲取相應(yīng)水庫的冰水熱交換系數(shù)，為水利工程建設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，還避免了奔波寒帶水庫庫區(qū)開展水庫冰水熱交換系數(shù)原型觀測(cè)的難度，為研究提供了更大的便利和實(shí)施的可能性。
【專利說明】一種冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)定【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種流速在
0.lm/s以下的冰水熱交換系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國的水利工程建設(shè)正逐漸向高海拔的寒帶地區(qū)推進(jìn)。在寒帶地區(qū)建設(shè)水庫必須要考慮的一個(gè)問題就是冬季水庫的結(jié)冰問題，水庫結(jié)冰后不管是形成流冰或穩(wěn)定的冰蓋，首先都將直接影響到冬季水庫航運(yùn)、水力發(fā)電、渠系輸水等的安全，尤其是出現(xiàn)冰塞、冰壩等嚴(yán)重冰情后，還會(huì)導(dǎo)致凌洪等自然災(zāi)害，給人民的財(cái)產(chǎn)和生命安全帶來重大的損失；其次，冬季水庫冰蓋的出現(xiàn)還將隔絕水庫表層水體與大氣之間的熱量、動(dòng)量和質(zhì)量交換，進(jìn)而影響冰下水溫和水質(zhì)的分布；同時(shí)雪層、冰層將阻礙太陽能量的傳入，影響水中營養(yǎng)物質(zhì)的流通，導(dǎo)致水中的溶解氧及營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致庫內(nèi)魚類死亡。
[0003]水庫形成的冰情與諸多因素相關(guān)，其中十分重要的影響因素是水庫的水溫分布、氣象條件和冰水熱交換，它們將影響到水庫不同區(qū)段的結(jié)冰過程、結(jié)冰類型與強(qiáng)度及融冰過程。其中冰水熱交換的過程，是一個(gè)復(fù)雜的帶有相變的兩相流問題，具體涉及傳熱學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科，對(duì)冰蓋厚度、冰厚變化率、開江時(shí)間、冰下水溫分布均有重要影響。
[0004]目前，雖然在海冰、河冰的冰水熱交換系數(shù)方面已取得一些研究成果(季順迎，岳前進(jìn)，畢祥軍.渤海冰水間的熱傳遞系數(shù)[J].海洋通報(bào).2002，21(l):10-15;0mStedt Aand Wettlaufer J S.1ce growth and oceanic heat flux:Models and Measurements[j].J.Geophys.Res., 1992, 97(C6):9383 ?9390;Shirasawa K and Ingram G R.Currentsand turbulent fluxes under the first-year sea ice in Resolute Passage, NorthwestTerritories, Canada [ j].J.Marine System, 1997, 11,21 ?32;Josberger E G.Bottomablation and heat transfer coefficients from the 1983Marginal Ice ZoneExperiment [J].J.Geophys.Res.，1987，92 (C7):7012 ?7016)，但其研究成果主要是采用原型觀測(cè)，即直接針對(duì)海冰、河冰的冰水熱交換進(jìn)行觀測(cè)得來的。由于海冰、河冰的冰下水體流速較快，一般在0.lm/s以上,而水庫中的水體流動(dòng)較為緩慢,一般在0.lm/s以下,特別是在水庫中部至壩前段流速一般為毫米級(jí)，因而水庫的水質(zhì)情況或流速量級(jí)與已研究獲得的河冰、海冰冰水熱交換系數(shù)的適用條件存在顯著差異，較難將其直接移植采用，而對(duì)于低流動(dòng)條件下水庫的冰水熱交換系數(shù)的研究國內(nèi)外尚未見報(bào)道。因而隨著我國對(duì)寒帶區(qū)域水資源開發(fā)中環(huán)境問題的逐漸重視，冰水熱交換系數(shù)獲取就成為了水庫冰情研究的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的首要目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置。
[0006]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種利用上述裝置測(cè)定冰水熱交換系數(shù)的方法。
[0007]本發(fā)明提供的冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，包括水槽、水泵、閘閥、調(diào)溫器、流速儀、冰厚變化測(cè)量儀和溫度記錄儀，水槽的出水口通過管道依次與水泵、閘閥和調(diào)溫器相連，調(diào)溫器再通過管道與水槽的進(jìn)水口相連，并構(gòu)成回路，流速儀測(cè)量探頭和溫度記錄儀的測(cè)量探頭均位于水槽內(nèi)，冰厚變化測(cè)量儀的測(cè)量探頭位于水槽內(nèi)的冰層和水中。
[0008]以上實(shí)驗(yàn)裝置中所述水槽由連為一體的進(jìn)水段、出水段和位于進(jìn)、出水段之間的測(cè)量段構(gòu)成，進(jìn)水段部分水槽的縱剖面為“」”形，其右側(cè)豎立部分與測(cè)量段水槽相通，左側(cè)水平部分與測(cè)量段水槽右端頭的底部重合，進(jìn)水段部分水槽的下部有一進(jìn)水管，進(jìn)水管的出水口位于進(jìn)水段左側(cè)水平部分的水槽中，測(cè)量段水槽為一水平矩形槽，出水段水槽為一豎直矩形槽，其上半部分與測(cè)量段水槽相通，下半部分的外壁上連有一出水管。
[0009]以上實(shí)驗(yàn)裝置中所述測(cè)量段水槽的底部為中空的雙層結(jié)構(gòu)，且在進(jìn)水端一側(cè)還設(shè)置有與雙層結(jié)構(gòu)底板連為一體的、懸臂伸出的水平隔板，水平隔板端頭位于進(jìn)水段水槽右側(cè)豎立部分的中部。該測(cè)量段水槽的底部采用中空的雙層結(jié)構(gòu)，可以減少環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，達(dá)到隔熱的目的，而懸臂伸出的水平隔板由于位于進(jìn)水管出水口的右上方，因而可以消除水流進(jìn)入水箱所引起的擾動(dòng)，避免影響測(cè)試段水槽水流的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。
[0010]以上實(shí)驗(yàn)裝置中所述測(cè)量段水槽兩端還分別設(shè)置有可拆卸的豎向隔板或豎向整流網(wǎng)篩。設(shè)置可拆卸的豎向隔板，是為了在實(shí)驗(yàn)中將水槽測(cè)試段隔成臨時(shí)水箱，以進(jìn)行初始冰厚的凍結(jié)，當(dāng)冰層凍結(jié)好后進(jìn)行測(cè)試時(shí)，取下豎向隔板，換成豎向整流網(wǎng)篩，增加水流的湍流度，以使水流能均勻、穩(wěn)定的流入水槽測(cè)試段。
[0011]以上實(shí)驗(yàn)裝置中所述測(cè)量段水槽上端部內(nèi)還水平橫向設(shè)置有平行排列的木條，該木條的兩端固定在水槽壁上，每兩根木條的間距為20~30cm。橫向設(shè)置平行排列的木條需要在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)凍結(jié)于初始冰層中，以防止實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)冰層的水平和垂向移動(dòng)，保證所測(cè)冰厚變化數(shù)值 的準(zhǔn)確性。
[0012]以上實(shí)驗(yàn)裝置中水泵采用市售的低轉(zhuǎn)速(≤1450r/min)、大流量(≥25m3/h)的水泵進(jìn)行抽排水循環(huán)，以盡可能避免水泵由于葉片旋轉(zhuǎn)與水體摩擦而給實(shí)驗(yàn)裝置帶入過多的熱量，進(jìn)而影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。
[0013]以上實(shí)驗(yàn)裝置中所述調(diào)溫器為一根通過法蘭連接而成的蛇形金屬彎管構(gòu)成。蛇形金屬彎管最好采用熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的不銹鋼圓管制成。根據(jù)測(cè)量條件的不同，調(diào)溫器可采用不同管徑的不銹鋼圓管，以利用不銹鋼圓管較大的熱傳導(dǎo)系數(shù)、不同的散熱面積及調(diào)控不同環(huán)境溫度來平衡由于水泵葉片旋轉(zhuǎn)與水體摩擦帶入的熱量，保證測(cè)量溫度的穩(wěn)定性。
[0014]以上實(shí)驗(yàn)裝置中所述冰厚變化測(cè)量儀是由測(cè)量桿、測(cè)量塊、測(cè)量讀數(shù)套筒、支架和固定底座構(gòu)成，測(cè)量塊連接在測(cè)量桿一端端頭，測(cè)量桿的另一端穿過測(cè)量讀數(shù)套筒與之滑動(dòng)連接，測(cè)量讀數(shù)套筒固定在支架上端，支架下端與固定底座相連。
[0015]本發(fā)明提供的利用上述裝置測(cè)定冰水熱交換系數(shù)的方法，該方法的測(cè)定步驟如下:
[0016](I)在水槽、水泵、閘閥、調(diào)溫器連接加水充滿后，將豎向隔板固定在水槽測(cè)量段兩端以使其形成兩端封閉的水箱，并在其中部或中后部沿橫向選取溫度測(cè)量斷面，于水面以下5mm處開始向下垂向布置由溫度記錄儀測(cè)量探頭組成的溫度鏈，最好位于水箱中間，上密下疏，設(shè)置好后啟動(dòng)溫度記錄儀，然后再在溫度測(cè)量斷面后選取冰厚變化測(cè)量斷面，放入冰厚變化測(cè)量儀的測(cè)量桿和測(cè)量塊，并將冰厚變化測(cè)量儀固定在水箱邊壁上；
[0017](2)將環(huán)境溫度降低使水箱內(nèi)凍結(jié)至少0.02m冰層后，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度至0.(TC，再在水箱測(cè)量段入口端的冰層上選取流速測(cè)量斷面并鑿一通孔，放入流速儀測(cè)量探頭，并將流速儀固定在水箱邊壁上；
[0018](3)將水箱兩端的豎向隔板取下，并在水槽測(cè)量段的進(jìn)口端固定整流網(wǎng)篩，然后將補(bǔ)入水從水槽進(jìn)水段底部引入，并打開閘閥，啟動(dòng)水泵，使水體在水槽、管道和調(diào)溫器內(nèi)循環(huán)，一方面使補(bǔ)入水與水槽進(jìn)水段的低溫水進(jìn)行混合并調(diào)整至實(shí)驗(yàn)水體溫度，另一方面通過調(diào)節(jié)閘閥的圈數(shù)控制水槽測(cè)量段內(nèi)水體的流速< 0.15m/s，待水槽測(cè)量段內(nèi)水溫、流場穩(wěn)定且冰溫接近0.(TC時(shí)，將冰厚變化測(cè)量儀的測(cè)量桿上提并使下端的測(cè)量塊上表面與冰層下表面貼緊，然后從測(cè)量讀取套筒處讀取冰厚初始數(shù)值，其后每間隔10-30分鐘上提測(cè)量桿并使下端的測(cè)量塊上表面與冰層下表面貼緊后，讀取后續(xù)冰厚變化數(shù)值；
[0019](4)將設(shè)定的測(cè)量溫度、流速、時(shí)間和對(duì)應(yīng)條件下測(cè)得的冰厚變化值代入下式計(jì)算即得相應(yīng)條件下冰水熱交換系數(shù):
【權(quán)利要求】
1.一種冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于該裝置包括水槽(I)、水泵(3)、閘閥(4)、調(diào)溫器(5 )、流速儀(6 )、冰厚變化測(cè)量儀(7 )和溫度記錄儀(8 )，水槽的出水口通過管道(2)依次與水泵(3)、閘閥(4)和調(diào)溫器(5)相連，調(diào)溫器再通過管道(2)與水槽(I)的進(jìn)水口相連，并構(gòu)成回路，流速儀(6)的測(cè)量探頭和溫度記錄儀(8)的測(cè)量探頭均位于水槽(O內(nèi)，冰厚變化測(cè)量儀(7)的測(cè)量探頭位于水槽內(nèi)的冰層(19)和水中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于該裝置中所述水槽由連為一體的進(jìn)水段(16)、出水段(17)和位于進(jìn)、出水段之間的測(cè)量段(18)構(gòu)成，進(jìn)水段(16)部分水槽的縱剖面為“」”形，其右側(cè)豎立部分與測(cè)量段(18)水槽相通，左側(cè)水平部分與測(cè)量段(18)水槽右端頭的底部重合，進(jìn)水段(16)部分水槽的下部有一進(jìn)水管(20)，進(jìn)水管(20)的出水口位于進(jìn)水段(16)左側(cè)水平部分的水槽中，測(cè)量段(18)水槽為一水平矩形槽，出水段(17)水槽為一豎直矩形槽，其上半部分與測(cè)量段(18)水槽相通，下半部分的外壁上連有一出水管(21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于該裝置中所述測(cè)量段(18)水槽的底部為中空的雙層結(jié)構(gòu)，且在進(jìn)水端一側(cè)還設(shè)置有與雙層結(jié)構(gòu)底板連為一體的、懸臂伸出的水平隔板(9)，水平隔板(9)端頭位于進(jìn)水段水槽右側(cè)豎立部分的中部。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于該裝置中所述測(cè)量段(18)水槽兩端還分別設(shè)置有可拆卸的豎向隔板(10)或豎向整流網(wǎng)篩(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于該裝置中所述測(cè)量段(18)水槽上端部內(nèi)還水平橫向設(shè)置有平行排列的木條(13)，該木條(13)的兩端固定在水槽(I)的壁上，每兩根木條的間距為20~30cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于該裝置中所述調(diào)溫器(5)為一根通過法蘭(52)連接而成的蛇形金屬彎管(51)構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于該裝置中所述調(diào)溫器(5 )為一根通過法蘭(52 )連接而成的蛇形金屬彎管(51)構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于該裝置中所述冰厚變化測(cè)量儀(7)是由測(cè)量桿(71)、測(cè)量塊(72)、測(cè)量讀數(shù)套筒(73)、支架(74)和固定底座(75)構(gòu)成，測(cè)量塊(72)連接在測(cè)量桿(71) —端端頭，測(cè)量桿(71)的另一端穿過測(cè)量讀數(shù)套筒(73)與之滑動(dòng)連接，測(cè)量讀數(shù)套筒(73)固定在支架(74)上端，支架(74)下端與固定底座(75)相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的冰水熱交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于該裝置中所述冰厚變化測(cè)量儀(7)是由測(cè)量桿(71)、測(cè)量塊(72)、測(cè)量讀數(shù)套筒(73)、支架(74)和固定底座(75)構(gòu)成，測(cè)量塊(72)連接在測(cè)量桿(71) —端端頭，測(cè)量桿(71)的另一端穿過測(cè)量讀數(shù)套筒(73)與之滑動(dòng)連接，測(cè)量讀數(shù)套筒(73)固定在支架(74)上端，支架(74)下端與固定底座(75)相連。
10.一種利用權(quán)利要求1所述裝置測(cè)定冰水熱交換系數(shù)的方法，該方法的測(cè)定步驟如下: (I)在水槽(I)、水泵(3)、閘閥(4)、調(diào)溫器(5)連接加水充滿后，將豎向隔板(10)固定在水槽測(cè)量段(18)兩端以使其形成兩端封閉的水箱，并在其中部或中后部沿橫向選取溫度測(cè)量斷面(15)，于水面以下5_處開始向下垂向布置由溫度記錄儀(8)測(cè)量探頭組成的溫度鏈，啟動(dòng)溫度記錄儀(8)，然后再在溫度測(cè)量斷面后選取冰厚變化測(cè)量斷面(14)，放入冰厚變化測(cè)量儀(7)的測(cè)量桿(71)和測(cè)量塊(72)，并將冰厚變化測(cè)量儀(7)固定在水箱邊壁上； (2)將環(huán)境溫度降低使水箱內(nèi)凍結(jié)至少0.02m冰層后，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度至0.(TC，再在水箱測(cè)量段(18)入口端的冰層上選取流速測(cè)量斷面(12)并鑿一通孔，放入流速儀(6)測(cè)量探頭，并將流速儀(6)固定在水箱邊壁上； (3)將水箱兩端的豎向隔板(10)取下，并在水槽測(cè)量段(18)的進(jìn)口端固定整流網(wǎng)篩(11)，然后將補(bǔ)入的水從水槽進(jìn)水段(16)底部引入，并打開閘閥(4)，啟動(dòng)水泵(3)，使水體在水槽(I)、管道(2)和調(diào)溫器(5)內(nèi)循環(huán)混合、水槽測(cè)量段(18)內(nèi)水體的流速≤0.15m/s,待水槽測(cè)量段內(nèi)水溫、流場穩(wěn)定且冰溫接近0.(TC時(shí)，將冰厚變化測(cè)量儀(7)的測(cè)量桿(71)上提并使下端的測(cè)量塊(72)上表面與冰層(19)下表面貼緊，然后從測(cè)量讀取套筒(73)處讀取冰厚初始數(shù)值，其后每間隔10-30分鐘上提測(cè)量桿(71)并使下端的測(cè)量塊(72)上表面與冰層(19)下表面貼緊后，讀取后續(xù)冰厚變化數(shù)值； (4)將設(shè)定的測(cè)量溫度、流速、時(shí)間和對(duì)應(yīng)條件下測(cè)得的冰厚變化值代入下式計(jì)算即得相應(yīng)條件下冰水熱交換系數(shù):
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK103604827SQ201310571911
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】脫友才, 鄧云, 李嘉, 李克鋒, 李然, 梁瑞峰, 安瑞冬, 李楠, 何天福 申請(qǐng)人:四川大學(xué)