一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，包括模型水庫、空調主機、若干環(huán)形冷凝管、溫度感應器和若干溫度探頭；其中，若干環(huán)形冷凝管從上至下均勻設置在模型水庫底層，空調主機用于通過與其相連的各個環(huán)形冷凝管對模型水庫底層的水進行制冷；溫度感應器與空調主機相連接，用于實測模型水庫底層水溫，實現對空調主機的啟動或停止的自動控制；若干溫度探頭分別置于模型水庫底層水體，用于校核制冷后期等溫層水體溫度的均勻性。采用本發(fā)明的模擬裝置形成的分層水體具有垂向分層穩(wěn)定，同一水平面水溫均勻，制冷速度快、能耗低、裝置簡單、實施方便，水體流場不受控溫部件干擾等特點。
【專利說明】—種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置
【【技術領域】】
[0001]本發(fā)明屬于湖泊水庫水質污染控制領域，涉及分層湖泊水庫中試研究，具體涉及一種基于自然傳熱的水庫水溫分層模擬裝置。
【【背景技術】】
[0002]深水型湖泊水庫水體溫度具有明顯的季節(jié)性沿深度成層分布的特點，一般夏季自上而下形成變溫層、躍溫層和等溫層的典型水溫分層結構，水溫逐漸降低、密度逐漸增加，躍溫層內溫度梯度夏季可高達0.7 V /m左右。在分層湖庫底層水體，溶解氧受躍溫層浮阻力的作用而得不到補充，而各種微生物和化學作用則會使水中的溶解氧逐漸被消耗，當水中溶解氧濃度低于2mg/L時，底泥中的有機質、氮、磷、鐵、錳會釋放進入水體，形成湖庫的內源污染。當季節(jié)更替導致表層與底層水溫相近時，湖庫易發(fā)生“翻庫”現象，水質污染嚴重的等溫層水體與中上部水體發(fā)生混合，污染整個湖庫水質。內源污染使表層水體磷、氮含量增加，在夏秋季節(jié)水溫、光照合適時，會引起藻類的大量繁殖和水體富營養(yǎng)化。水溫分層是導致分層湖庫水質內源污染和富營養(yǎng)化的重要誘因之一。由于缺乏能模擬實際分層湖庫的裝置，目前分層湖庫內源污染和富營養(yǎng)化控制技術的研究基本都處于實驗室靜態(tài)機理研究和受限條件下 的現場觀測研究，致使湖庫水質污染控制技術的應用效果難以在可控試驗環(huán)境中進行實質性的系統(tǒng)研究。
[0003]目前涉及湖泊水庫水溫分層的主要模擬裝置有三類。一是在模型水池內注入鹽水和淡水形成類似于水溫分層的密度分層水體，即淡咸水模擬裝置；二是在模型水池內利用熱水和冷水流入水槽形成一定的水溫分層水體，即冷熱水模擬裝置；三是通過在模型水池上方用加熱器使水體升溫的方法形成一定的水溫分層水體，即加熱模擬裝置。在淡咸水模擬裝置內，利用鹽、淡水組成的密度差通常僅能模擬兩層，很難形成穩(wěn)定的連續(xù)水溫分層水體，不能真實地再現實際湖庫水溫沿水深的連續(xù)分布。在冷熱水模擬裝置內，利用熱水、冷水流入水槽以形成水溫分層，雖然能在一定條件下形成相對穩(wěn)定的水溫分層結構，但其對冷、熱水輸入系統(tǒng)的控制要求非常高。在加熱模擬裝置內，利用加熱器升溫雖然理論上在水平向密度流的作用下，熱量能被水平傳輸，使等高面上的水溫趨于均勻，但存在以下幾個明顯不足:1)受加熱器性能的影響，水溫分層空間分布的均勻性難以保證；2)底層水溫多數條件下無法降低至實際分層湖庫等溫層的常見水溫5°C左右，難以在任何季節(jié)都能進行與實際湖庫水溫分層條件相近的分層水環(huán)境試驗；3)加熱棒本身也會影響模型湖庫內的水流狀態(tài)。目前的水溫分層模擬裝置均存在各自的缺陷和不足，很難經濟、有效、簡便地形成不影響水流狀態(tài)的，符合實際湖泊水庫水溫分布特點的穩(wěn)定水溫分層結構。
【
【發(fā)明內容】
】
[0004]本發(fā)明的目的在于針對現有水溫分層模擬裝置的不足，提供了一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置。
[0005]為實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:[0006]一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，包括模型水庫、空調主機、溫度感應器、若干溫度探頭和若干環(huán)形空調冷凝管；其中，若干環(huán)形冷凝管從上至下設置在模型水庫底層，空調主機用于通過與其相連的各個冷凝管對模型水庫中的底層水體進行制冷；溫度感應器與空調主機相連接，用于自動控制空調主機的開啟或關閉；若干溫度探頭分別置于模型水庫底層水體不同位置，用于測量等溫層水體各處水溫。
[0007]本發(fā)明進一步改進在于，還包括設置在模型水庫底層的出流口。
[0008]本發(fā)明進一步改進在于，模型水庫中環(huán)形冷凝管的數量為N-1個，其從上至下分別為第I層冷凝管、第2層冷凝管、……、第N-1層環(huán)形冷凝管，N-1層冷凝管通過支架支撐。
[0009]本發(fā)明進一步改進在于，模型水庫中還設置有刻度尺。
[0010]本發(fā)明進一步改進在于，還包括緩沖水池，其通過進水槽與模型水庫相連通。
[0011]本發(fā)明進一步改進在于，還包括水箱，其通過加水管以及設置在加水管上的水泵與緩沖水池相連通。
[0012]本發(fā)明進一步改進在于，還包括設置在加水管上的流量計，且流量計設置在靠近水泵出水口的一端。
[0013]本發(fā)明進 一步改進在于，加水管上還設置有開關。
[0014]與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:采用本發(fā)明的模擬裝置形成的水溫分層水體具有垂向水溫分層穩(wěn)定，同一水平面水溫均勻，制冷速度快、能耗低、
[0015]裝置簡單、水體分層界面無物體干擾實驗測量等特點。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0016]圖1為本發(fā)明冷凝系統(tǒng)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置的結構示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明的不同室溫下溫度分層示意圖；
[0019]圖4為西安黑河金盆水庫實際水溫季節(jié)變化。
[0020]其中:1、水箱；2、加水管；3、水泵；4、流量計；5、刻度尺；6、第I層環(huán)形冷凝管；7、第2層環(huán)形冷凝管；8、第N-1層環(huán)形冷凝管；9、支架；10、模型水庫；11、出流口 ；12、溫度探頭；13、溫度感應器；14、空調主機；15、進水槽；16、緩沖水池；17、開關；18、測溫儀主機。
【【具體實施方式】】
[0021]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0022]參見圖1，本發(fā)明一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，其核心思想是通過對模型水庫底層水體制冷的方法，首先在模型水庫底層形成等溫層，然后利用自然傳熱機制，在模型水庫內自上而下形成變溫層、躍溫層和等溫層，即形成與實際湖泊水庫類似的水溫分層結構。
[0023]參照圖2，本發(fā)明一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，包括水箱1、模型水庫10、空調主機14、溫度感應器13、若干溫度探頭12、緩沖水池16和若干環(huán)形空調冷凝管；其中，若干環(huán)形冷凝管從上至下設置在模型水庫10底層，模型水庫10底層根據實際分層型湖泊水庫水溫分布的特點，按比例在模型水庫10中確定，即為模型水庫10的等溫層；空調主機14用于通過與其相連的各個冷凝管對模型水庫10中的底層水體進行制冷；溫度感應器13與空調主機14相連接，用于自動控制空調主機的開啟或關閉；若干溫度探頭12分別置于模型水庫底層水體不同位置，用于測量等溫層水體各處水溫，確保等溫層水溫各處相等。緩沖水池16通過進水槽15與模型水庫10相連通。水箱I通過加水管2以及設置在加水管2上的水泵3與緩沖水池16相連通。在加水管2上設有流量計3，且流量計
3設置在靠近水泵3出水口的一端。此外，加水管2上還設置有開關17。
[0024]其中，模型水庫10中環(huán)形冷凝管的數量為N-1個，其從上至下分別為第I層冷凝管6、第2層冷凝管7、……、第N-1層環(huán)形冷凝管8，N-1層冷凝管通過支架9支撐。此外，在模型水庫10中的還設有出流口 11和刻度尺5。
[0025]為了對本發(fā)明一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置進一步了解，現對其工作原理做進一步詳細說明。 [0026]參見圖1，本發(fā)明核心思想是在模型水庫底層做N-1層環(huán)形空調冷凝管對底層水體進行降溫處理，當底層水體被制冷達到指定溫度時，空調停止工作；當加底層水體溫度高于指定溫度時，空調開始工作。通過長時間的制冷，逐漸在模型水庫底層形成水溫較低的穩(wěn)定等溫層水體；在室溫下利用自然傳熱，模型水庫表層水溫隨著氣溫的變化而變化，在模型水庫表層形成水溫變化較小的變溫層，在表層變溫層和底層等溫層之間形成溫度和密度變化較為劇烈的躍溫層，以近似模擬實際湖泊水庫的水溫分層結構。
[0027]參見圖2，環(huán)形空調冷凝管對模型水庫底層水體進行降溫處理，當底層水體被制冷達到指定溫度時，溫度感應器13給空調主機14 一個停機信號，空調主機14停止工作；當底層水體溫度高于指定溫度時，溫度感應器13給空調主機14 一個開機信號，空調主機14開始工作。直到模型水庫下層水體溫度達到指定要求。具體說明如下:
[0028]I)首先根據實際分層湖泊水庫水溫分布的特點，結合模型水庫的規(guī)格(長L/m、寬B/m、高H/m)，按一定比例確定模型水庫底層等溫層水體的所需高度hi (m)，將模型水庫底層高度為hi的等溫層分為N層，相應均勻設置N-1層環(huán)形空調冷凝管，空調主機的功率視模型水庫的規(guī)格確定。例如，模型水庫底層等溫層高度被確定為0.4m，沿水深方向將等溫層分為4層，則需設置3層環(huán)形冷凝管，由低到高依次為第3層、第2層、第I層，距離庫底的高度依次為0.lm、0.2m、0.3m。
[0029]2)根據分層湖泊水庫的實際等溫層水溫，確定模型水庫等溫層所需的水溫，設置溫度感應器的指定溫度值；在模型水庫底層等溫層水體中間放置溫度感應器，溫度感應器和空調主機組成聯動系統(tǒng)，溫度感應器對模型水庫等溫層中的水溫進行實時監(jiān)控，并及時給空調主機發(fā)出啟動或關閉信號，空調主機自動啟動或停止；溫度感應器的控溫精度為-0.5°C~+0.5°C，空調主機啟停的控溫范圍為-1°C~+1°C。
[0030]3)模擬裝置的具體工作程序為:開啟空調主機，通過N-1個冷凝管對模型水庫底層等溫層水體進行降溫處理，溫度感應器實時測量等溫層中部水層水體的溫度，當等溫層水體被制冷達到指定的溫度時，溫度感應器給空調主機發(fā)出一個關機信號，空調停止工作；當等溫層水體溫度高于預期的指定溫度，溫度感應器給空調主機發(fā)出一個開機信號，空調主機開始工作，如此不斷重復循環(huán)，直至等溫層水體水溫均勻達到指定溫度，模擬過程結束。長時間的制冷形成了水溫較低的穩(wěn)定等溫層水體，室溫下利用自然傳熱，表層水溫隨著氣溫的變化而變化，在表層一定范圍內形成水溫差別較小的變溫層；在表層變溫層和底部等溫層之間，形成溫度梯度很大的躍溫層，以近似模擬實際水庫的水溫分層結構。
[0031]4)為了在確保制冷后期模型水庫等溫層水溫各處均達到指定要求，當制冷一定時間以后，溫度感應器實測的水體溫度穩(wěn)定達到指定溫度時，在模型水庫高度為hi的等溫層水體中，水平方向均勻選定8個點，采用由4個溫度探頭組成的探頭陣列分別測量各點處的垂向水溫分布，如果模型水庫等溫層水體內各處水溫均達到指定溫度，模型水庫等溫層正式穩(wěn)定形成。
[0032]5)采用該水溫分層模擬裝置，可以實現用戶所要求的不同水溫分層結構；在室溫固定的情況下，可以通過設置溫度感應器的不同溫度，自然實現具有不同躍溫層溫度梯度的穩(wěn)定水溫分層結構；在設置溫度感應器的固定溫度的情況下，可以依據室溫的季節(jié)性變化，自然實現具有不同躍溫層溫度梯度的穩(wěn)定水溫分層結構，便利地進行分層水體試驗研究。
[0033]6)為使表層水體能夠很好地和空氣對流，緩沖水池16、模型水庫10均為無蓋水槽。
[0034]對比圖3和圖4，可以看出利用本發(fā)明的模擬裝置，可以在可控的試驗條件下，使模型水庫水體達到較為穩(wěn)定的，與實際湖泊水庫水溫分層結構類似的水溫分層狀態(tài)。
[0035]以往水溫分層水體模擬裝置，通常在水池內以鹽淡水為介質形成兩層的密度分布，或是在水池內利用熱水或冷水流入水槽形成一定的水溫分布，或是在水池內或外通過加熱器加熱水形成一定的水溫分布，很難模擬與實際的湖泊水庫類似的自然水溫分布結構。本發(fā)明提供一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，將直接形成穩(wěn)定的多層連續(xù)性水溫分層水體，進行水溫分層模擬實驗。
[0036]本發(fā)明可根據需要，擴大或縮小模型水庫尺寸，配置不同功率的空調主機，進行不同尺度條件下水溫分層模擬實驗的研究。本發(fā)明所說的基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，具有結構簡單，易于實施，操作方便，功能豐富等優(yōu)點，具有推廣應用價值。
【權利要求】
1.一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，其特征在于，包括模型水庫(10)、空調主機(14)、溫度感應器(13)、若干溫度探頭(12)和若干環(huán)形空調冷凝管；其中，若干環(huán)形冷凝管從上至下設置在模型水庫(10)底層，空調主機(14)用于通過與其相連的各個冷凝管對模型水庫(10)中的底層水體進行制冷；溫度感應器(13)與空調主機(14)相連接，用于自動控制空調主機的開啟或關閉；若干溫度探頭(12)分別置于模型水庫底層水體不同位置，用于測量等溫層水體各處水溫。
2.根據權利要求1所述的一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，其特征在于，還包括設置在模型水庫(10 )底層的出流口( 11)。
3.根據權利要求1所述的一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，其特征在于，模型水庫(10)中環(huán)形冷凝管的數量為N-1個，其從上至下分別為第I層冷凝管(6)、第2層冷凝管(7)、……、第N-1層環(huán)形冷凝管(8)，N-1層冷凝管通過支架(9)支撐。
4.根據權利要求1至3任一項所述的一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，其特征在于，模型水庫(10 )中還設置有刻度尺(5)。
5.根據權利要求1至3任一項所述的一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，其特征在于，還包括緩沖水池(16)，其通過進水槽(15)與模型水庫(10)相連通。
6.根據權利要求5所述的一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，其特征在于，還包括水箱(1)，其通過加水管(2)以及設置在加水管(2)上的水泵(3)與緩沖水池(16)相連通。
7.根據權利要求6所述的一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，其特征在于，還包括設置在加水管(2)上的流量計(3)，且流量計(3)設置在靠近水泵(3)出水口的一端。
8.根據權利要求7所述的一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置，其特征在于，加水管(2)上還設置有開關(17)。
【文檔編號】E02B1/02GK103924548SQ201410140443
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權日:2014年4月9日
【發(fā)明者】孫昕, 陳恩源, 解岳 申請人:西安建筑科技大學