一种应用于超重力模型试验的加热制冷系统的制作方法

本发明涉及土木工程和地源热泵技术中的一种超重力环境的加热制冷系统，具体是超重力模拟实验装置中的一种应用于超重力模型试验的加热制冷系统。

背景技术：

能源地下结构将土木工程和地源热泵技术结合，不仅可以利用地下结构的承载性能，而且可以采集浅层地热能，用于建筑、基础建设和各类环境的供暖与制冷，具有节约能源和减少碳排放的优势，因此受到了工业界与学术界的广泛关注。

受气候和季节变化影响，地表浅层土体温度不断改变，研究表明，温度的变化，可能会导致能源地下结构承载力降低，还会产生累积变形，影响其服役性能。因而，研究温度荷载作用下，能源地下结构性能变化具有非常重要的工程应用价值。

能源地下结构服役性能衰减问题是一个长历时的科学问题，常规岩土工程试验手段不能有效地解决，超重力离心模型试验通过缩尺效应实现模型重力场与原型重力场相似，并利用缩时效应实现长期过程的模拟，成为研究该问题的有效手段。然而，现有的应用于超重力模型试验的加热制冷系统存在尺寸大，组成复杂的缺点，不易于复制应用。实验装置的性能受到超重力影响，且g值越大，对装置性能的影响越大。且该类装置仅能向单一结构施加温度荷载，无法向多个结构施加不同幅值的温度荷载。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种应用于超重力模型试验的加热制冷系统，解决了实验装置受超重力影响，以及仅能向单一模型施加温度荷载的技术问题，且占地空间小；进一步提供了一种实验室中消除管道中气泡的方法，进而提高了温度测量的稳定性和准确性。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明包括旋转接头、温度控制系统和驱动采集系统，温度控制系统和驱动采集系统构成一个闭合的循环回路；温度控制系统包括两个分流器、多个温控阀、空气阀和硅胶管；驱动采集系统包括冷却循环水机、流量计、多级离心泵、温度传感器和温度数据采集器；驱动采集系统安装在超重力离心机之外，多级离心泵的输出端和冷却循环水机的输入端连接，冷却循环水机的输出端经流量计连接到旋转接头，多级离心泵的输入端和旋转接头连接；冷却循环水机内部安装有温度传感器，温度传感器与温度数据采集器相连；旋转接头安装在超重力离心机的主轴底座上，旋转接头经中间连接管道和温度控制系统的输入端、输出端连接，温度控制系统安装在超重力离心机的吊篮上；两个分流器分别作为入口侧和出口侧，两个分流器的集合端口分别作为温度控制系统的两端，两个分流器以各自的一个分流端口分别连接到能量桩硅胶管的两端，能量桩硅胶管预埋入能量桩内部，能量桩硅胶管和能量桩共同形成一个地下能源结构，两个分流器连接有多个地下能源结构，两个分流器在连接地下能源结构后各自剩余的分流端口之间通过硅胶管对应连接；温控阀和空气阀安装在温度控制系统入口侧的分流器一侧的分流端口上。硅胶管和位于温度加载系统入口侧的分流器的分流端口之间通过温控阀连接控制，能量桩的输入端和位于温度加载系统入口侧的分流器的分流端口之间通过空气阀连接。

冷却循环水机的输出端和多级离心泵的输入端均经旋转接头在超重力离心机运行下分别和温度控制系统的输入端、输出端连通，使得温度控制系统的热水输入端和冷却循环水机的输出端始终连接，温度控制系统的冷水输出端和多级离心泵的输入端始终连接。

所述的多级离心泵和旋转接头之间以及温度控制系统和旋转接头之间均通过尼龙管连通。

所述的能量桩安装在超重力离心机吊篮内的测试土体中。

所述的冷却循环水机的输出端对多级离心泵泵过来的水进行加热或者制冷后输出，经旋转接头后流通导入温度控制系统的入口端的一个分流器中，一部分水经能量桩传导到测试土体，另一部分经硅胶管流通到温度控制系统的出口端的另一个分流器中，然后流出后再经旋转接头后流通导入回到多级离心泵。

本发明的有益效果：

1、该装置可以在超重力环境下，同时向多个结构施加冷/热荷载和温度循环荷载，达到对结构温度精确控制的目的；

2、将冷却循环水机和多级离心泵等主要能动部件放置在地面上，减小了超重力对驱动采集系统性能的影响；

3、实验前消除管道中气泡，提高了实验中温度测量的稳定性和准确性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图标号说明：(1)冷却循环水机；(2)尼龙管；(3)旋转接头；(4)分流器；(5)温控阀；(6)空气阀；(7)硅胶管；(8)多级离心泵；(9)能量桩；(10)流量计；(11)温度传感器；(12)温度数据采集器。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，具体实施的系统包括旋转接头3、温度控制系统和驱动采集系统，温度控制系统和驱动采集系统构成一个闭合的循环回路；温度控制系统包括两个分流器4、多个温控阀5、空气阀6和硅胶管7；驱动采集系统包括冷却循环水机1、流量计10、多级离心泵8、温度传感器11和温度数据采集器12；驱动采集系统安装在超重力离心机之外，多级离心泵8的输出端和冷却循环水机1的输入端连接，冷却循环水机1的输出端经流量计10连接到旋转接头3，多级离心泵8的输入端和旋转接头3连接；冷却循环水机1内部安装有温度传感器11，温度传感器11经温度数据采集器12和外部的电脑连接；旋转接头3安装在超重力离心机的主轴底座上，旋转接头3经中间连接管道和温度控制系统的输入端、输出端连接，温度控制系统安装在超重力离心机的吊篮上。

两个分流器4分别作为入口侧和出口侧，两个分流器4的集合端口分别作为温度控制系统的两端，两个分流器4以各自的一个分流端口分别连接到能量桩硅胶管的两端，能量桩硅胶管埋入能量桩9内部，能量桩硅胶管和能量桩9共同形成一个地下能源结构，两个分流器4可以连接有多个地下能源结构，两个分流器4在连接地下能源结构后各自剩余的分流端口之间通过硅胶管7对应连接；温度控制系统入口侧的分流器4的一侧分流端口安装了多个温控阀5和空气阀6。能量桩9安装在超重力离心机吊篮内的测试土体中。多级离心泵8和旋转接头3之间以及温度控制系统和旋转接头3之间均通过尼龙管2连接。

温控阀5设置不同的工作模式，通过设置温控阀的开度，从而对入口侧的分流器4分流端口出水流量进行分配调节，开度和流量正相关，且流量大使得温度高，流量小使得温度低，实现按需控制温度的效果。

冷却循环水机1的输出端和多级离心泵8的输入端均经旋转接头3在超重力离心机运行下分别和温度控制系统的输入端、输出端连通，使得温度控制系统的输入端和冷却循环水机1的输出端始终连接，温度控制系统的输出端和多级离心泵8的输入端始终连接。旋转接头避免尼龙管道因为一端固定，另一端高速旋转而扭伤。

具体实施中在实验前消除管道中气泡，提高实验中温度测量稳定性和准确性的方法，包括以下步骤：

首先打开空气阀，并预先设定温控阀开度，然后打开冷却循环水机水箱盖，加蒸馏水至最大水位线，再打开该循环水机的开关，通过其内置水泵，将水箱中的水抽往硅胶管中，直至回路中没有气泡，流量计读数稳定；

启动离心机，重力加速度达到预先设定值后，打开多级离心泵的开关，观察流量计读数是否在设定范围内；

通过冷却循环水机设置循环水温度，使出水的温度达到预先的设定值，从温度数据采集器导出每个时刻测得的数据。

如图1所示，实验前首先打开空气阀6，然后打开冷却循环水机1水箱盖，加蒸馏水至最大水位线，再打开冷却循环水机1的开关，通过冷却循环水机1连接多级离心泵8，将水箱中的水抽往硅胶管7中，直至回路中没有气泡，流量计10读数稳定。

实验中，通过冷却循环水机1的控制面板设定温度，使循环水加热或冷却到设定温度，经尼龙管道2，首先由进线回路上的旋转接头3，向超重力离心机吊篮的温度控制系统输入，经入口侧的分流器4分流，通过预先设置开度的温控阀5，再通过预埋入能源桩9内部的硅胶管7，并可同时向多个地下能源结构施加不同幅值的温度荷载。最后通过出线回路上的旋转接头3，靠多级离心泵8推动液体输出吊篮，最终回到冷却循环水机1，开始下一次循环过程。

本发明的冷却循环水机1可以提供0-99℃的冷热循环水，达到短时间内对结构温度精确控制的要求。

本发明的两个分流器的分流端口之间通过硅胶管以并联的方式连接；入水侧分流器一侧上设有温控阀，控制各支流流量从而控制水温；并且空气阀6设有可打开关闭的空气排气口，该分流器布置于超重力离心状态下的靠近旋转中心处，通过空气排气口将气泡排出。

驱动采集系统放置于地面上，可以避免超重力对能动部件性能产生影响。

本发明的多级离心泵用来增加扬程，克服重力加速度；并布置于出线回路上，减少对流量计读数的影响。

实施例：设计加速度为100g

冷却循环水机的型号为f12-ma，尼龙管和硅胶管的内直径分别为10mm和1.5mm，离心机型号为c67，其旋转接头允许通过水流最高温度为60℃，分流器型号为431-7223，有4个支流口，每个支流口有效内直径为3.175mm，温控阀和空气阀型号为17968，有效外直径为3.175mm，三级离心泵的型号为d25-50*3(扬程150m)，流量计的型号为mr3a16bvbn(量程2-30l/min)，温度传感器的型号为se028(量程-75—+250℃)，温度数据采集器的型号为tc-08(精度±0.5℃)。

具体步骤如下：

s1、首先根据各能量桩设计温度，调节各支流温控阀的开度，设计温度和温控阀开度正相关，即开度越大，温度越高，反之亦然，并完全打开空气阀，然后打开冷却循环水机的内置水箱盖，加入蒸馏水，直到达到水箱的最大水位线，再打开该循环水机开关，通过其内置水泵向硅胶管内抽水，直至回路中没有气泡；

s2、启动超重力离心机，重力加速度达到预先设定的100g后，再打开三级离心泵的开关，检查流量计读数稳定；

s3、通过冷却循环水机控制面板设置循环水温度，首先使温度达到预先的设定值50℃，待温度稳定后，再次调整控制面板，使得温度降至预先的设定值9℃，重复该步骤6次；

s4、关闭超重力离心机，停止数据采集，最后关闭冷热水循环水机和多级离心泵。