一种研究高地温隧道空气源换热硐室传热效率的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及硐室换热效率测试领域，具体为一种研究高地温隧道空气源换热硐室传热效率的试验装置及方法。

背景技术

我国的高地温隧道越来越多，在面临高温施工环境的同时，热能也是一种环保、稳定的清洁能源，可直接用于寒区隧道洞口防冻等，有效解决隧道冻害问题。

公开号CN113339873 A针对寒区高地温隧道的防寒抗冻系统提出了空气源热泵取热硐室，即在隧道围岩温度较高位置修建取热硐室，利用空气源热泵吸收空气热量用于隧道洞口防冻。但空气源换热硐室的多体耦合传热机理尚不明确，且空气源热泵取热过程中围岩储热性能的变化特征尚不清楚，这使得其硐室设计和热泵功率选择存在不合理之处，在一定程度上限制了空气源换热硐室的应用和发展。

针对上述现有技术所存在的空气源换热硐室的多体耦合传热机理尚不明确的缺陷，公开号为 CN107014974B提供了一种用于增强型地热系统的模拟实验装置及利用其测试增强型地热系统储层热能提取率的方法，此现有技术通过调整换热室出入口的开闭，可模拟布井方式对热能提取效率和稳产时间的影响；通过改变岩块组合方式及支撑剂的分布，可模拟不同压裂方式、裂缝宽度、裂缝条数、缝网形态对热能提取效率和稳产时间的影响。虽说此现有技术通过控制变量的方式探究换热效率，但是硐室的尺寸对换热效率的影响还无法进行探究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究高地温隧道空气源换热硐室传热效率的试验装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种研究高地温隧道空气源换热硐室传热效率的试验装置，包括保温试验箱、换热机构、硐室封堵组件和加热板，所述保温试验箱内填充有隧道模型，而隧道模型开设有硐室，所述保温试验箱内设有加热板，其中：

所述硐室的一端设有换热机构，另一端设有硐室封堵组件，所述硐室封堵组件包括支撑组件、耐热气囊、电磁阀和气压源，所述支撑组件设置在硐室内，至少两个所述耐热气囊通过电磁阀连通，而其中一个耐热气囊与支撑组件连接并与气压源连通。

优选的，所述支撑组件包括支撑架、滑块、丝杆、螺纹套筒和连杆，支撑架上等角度设置的三根导轨内配合有滑块，丝杆转动安装在支撑架上，所述螺纹套筒套设在丝杆上并与丝杆形成螺纹连接副，所述滑块上铰接有连杆，而连杆的另一端与螺纹套筒铰接。

优选的，所述气压源由伸缩软管和气泵组成，所述伸缩软管的一端与耐热气囊连通，另一端与气泵连通。

优选的，所述硐室的端部设有隔热板。

优选的，所述换热机构包括换热器、水箱、水管和定流泵，所述换热器设置在硐室内，而水箱通过两根水管与换热器连通，水管贯穿过隔热板，其中一根水管与水箱之间设有定流泵，其中水管上设有温度传感器。

优选的，所述水箱的中部设有隔板，其中隔板将水箱分隔为储水腔和回流腔，其中定流泵与储水腔连通。

优选的，所述硐室和隧道模型内均设有温度传感器。

一种研究高地温隧道空气源换热硐室传热效率的试验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1，向保温试验箱内装填围岩相似材料，进而构筑隧道模型，在装填围岩相似材料时将加热板和温度传感器埋在预设位置，并在设计位置构造硐室；

S2，在硐室的一侧设置换热机构，另一侧设置硐室封堵组件；

S3，利用加热板对隧道模型加热；

S4，通过换热机构将硐室内的热量换出；

S5，在S4换热完成后通过两侧水管温差计算硐室换热效率，而后停止换热，接着通过向耐热气囊内泵入正压使其膨胀，进而改变硐室的尺寸，而后再重复S4，进而得出改变硐室尺寸后的换热效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过向耐热气囊通入正压，那么耐热气囊膨胀改变硐室的尺寸，那么通过控制变量的方式来探究硐室尺寸对换热效率的影响，探明硐室温度场时空演化规律和围岩储热性能变化机制，为优化空气源换热硐室设计、提高地热能利用率提供基础和依据。

附图说明

图1为本发明整体结构的示意图；

图2为本发明中硐室封堵组件的主视图；

图3为本发明中支撑组件的三维示意图；

图4为本发明中耐热气囊的剖视图；

图5为本发明中换热机构的三维示意图。

图中：1保温试验箱、2换热机构、3硐室封堵组件、4加热板、5隔热板、6温度传感器、21换热器、22水箱、23水管、24定流泵、231温度传感器、31支撑组件、32耐热气囊、33电磁阀、34伸缩软管、35气泵、311支撑架、312滑块、313丝杆、314螺纹套筒、315连杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：

一种研究高地温隧道空气源换热硐室传热效率的试验装置，包括保温试验箱1、换热机构2、硐室封堵组件3和加热板4，其中：

保温试验箱1内填充有隧道模型，而隧道模型开设有硐室，保温试验箱1内设有加热板4，优选的加热板4为电加热板；

硐室的一端设有换热机构2，另一端设有硐室封堵组件3，硐室封堵组件3包括支撑组件31、耐热气囊32、电磁阀33和气压源，支撑组件31设置在硐室内，至少两个耐热气囊32通过电磁阀33连通，而其中一个耐热气囊32与支撑组件31连接并与气压源连通，其中气囊32未充气时呈折叠状态，那么在气囊32充入正压时就会膨胀，进而填充硐室达到改变硐室尺寸的效果。其中电磁阀33电性连接有控制开关，进而通过控制开关开启或者关闭电磁阀33，而电磁阀33的开启与关闭为本领域技术人员的公知的技术手段，在此就不赘述其开关原理。

作为优选的实施例，支撑组件31包括支撑架311、滑块312、丝杆313、螺纹套筒314和连杆315，支撑架311上等角度设置的三根导轨内配合有滑块312，丝杆313转动安装在支撑架311上，螺纹套筒 314套设在丝杆313上并与丝杆313形成螺纹连接副，滑块312上铰接有连杆315，而连杆315的另一端与螺纹套筒314铰接。通过转动丝杆313使得螺纹套筒314向靠近支撑架311或者远离支撑架311 的方向运动，进而连杆315推动滑块312滑移，那么滑块312的端部能够贴合在硐室内壁，达到支撑的效果，而支撑组件31采用螺纹连接副进行限位，便于支撑组件31移位，那么在气囊32完全膨胀或者膨胀之后无法到达硐室预定位置时可以通过支撑组件31移位。当然本实施例公开的支撑组件31与硐室的限位方式并非是唯一的限位方式，也可以是在支撑架311与滑块312之间设置弹簧，需要移位时直接拉动滑块312，而移位完成后弹簧自动回弹，使得滑块312的端部贴合在硐室内部。

作为优选的实施例，气压源由伸缩软管34和气泵35组成，伸缩软管34的一端与耐热气囊32连通，另一端与气泵35连通。通过伸缩软管34的设置避免了气囊32移位时带动气泵35同步移位。

作为优选的实施例，硐室的端部设有隔热板5。

作为优选的实施例，换热机构2包括换热器21、水箱22、水管23和定流泵24，换热器21设置在硐室内，而水箱22通过两根水管23与换热器21连通，水管23贯穿过隔热板5，其中一根水管23与水箱22之间设有定流泵24，其中两根水管23上均设有温度传感器231，那么通过温度传感器231能够测得冷水的温度以及换热之后热水的温度，进而得出换热的效率。其中换热器21为内部是空腔结构的热交换组件，当冷水流入换热器21时通过与热空气接触实现加热，进而达到换热的效果。

作为优选的实施例，水箱22的中部设有隔板，其中隔板将水箱22分隔为储水腔和回流腔，其中定流泵24与储水腔连通。

作为优选的实施例，硐室和隧道模型内均设有温度传感器6。进而通过温度传感器6实时的检测硐室内部以及隧道模型的温度梯度。

一种研究高地温隧道空气源换热硐室传热效率的试验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1，向保温试验箱1内装填围岩相似材料，进而构筑隧道模型，在装填围岩相似材料时将加热板4 和温度传感器6埋在预设位置，并在设计位置构造硐室；

S2，在硐室的一侧设置换热机构2，另一侧设置硐室封堵组件3；

S3，利用加热板4对隧道模型加热；

S4，通过换热机构2将硐室内的热量换出；具体为，通过定流泵24将储水腔的冷定流泵入换热器 21内，而后硐室内部的热量由换热器21传递至冷水，而后经过加热的水回流至回流腔。

S5，在S4换热完成后通过两侧水管23温差计算硐室换热效率，而后停止换热，接着通过向耐热气囊32内泵入正压使其膨胀，进而改变硐室的尺寸，而后再重复S4，进而得出改变硐室尺寸后的换热效率。其中换热效率是根据热交换出的热水的温度以及所蕴含的热值体现的，由于两根水管23上均设有温度传感器231，那么通过温度传感器231即可测得冷水的温度以及换热之后热水的温度，进而得出换热的效率。

改变硐室的尺寸具体为，通过气压源向与其连通的气囊32通入正压，那么此气囊32膨胀，进而填充硐室，而在需要进一步改变硐室内部尺寸时，电磁阀33开启，那么气压源继续通入正压时另一气囊32也实现膨胀。而通过直接移动支撑组件31的位置，实现改变整个硐室封堵组件3的位置，保证硐室的尺寸达到实验预设的尺寸。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。