一種混凝土與冷卻水管換熱試驗(yàn)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種混凝土與冷卻水管換熱試驗(yàn)方法。本發(fā)明專利技術(shù)的試驗(yàn)原理簡單，具備可操作性，通過改變熱流強(qiáng)度、改變水管材質(zhì)得到混凝土試塊與冷卻水管的換熱效率，以期通過對試驗(yàn)結(jié)果分析研究，從中尋求換熱系數(shù)與熱流變化、材料常物性等因素的一般性規(guī)律，以便建立換熱系數(shù)計(jì)算模型，弄清混凝土與冷卻水管在試驗(yàn)期全過程的換熱行為，為今后對相同水管的應(yīng)用進(jìn)行仿真研究時(shí)提供關(guān)鍵參數(shù)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種混凝土與冷卻水管換熱試驗(yàn)方法
本專利技術(shù)涉及一種混凝土與冷卻水管換熱試驗(yàn)方法。
技術(shù)介紹
混凝土是熱性材料，澆筑后由于水泥水化放熱反應(yīng)，溫度不斷上升，內(nèi)部最高可達(dá)30℃～70℃；它同時(shí)又是惰性材料，內(nèi)部熱量散失遲于表面，形成了內(nèi)部溫度高于表面的情形。過大的基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差的存在均易導(dǎo)致混凝土的開裂，因此從根本上防止混凝土裂縫出現(xiàn)就是及時(shí)地將其內(nèi)部的熱量導(dǎo)出，其中水管冷卻技術(shù)是一種行之有效的混凝土內(nèi)部降溫方法，其中水管冷卻效率一定程度上取決于水管與混凝土的熱交換能力，通常由換熱系數(shù)表征，同時(shí)該系數(shù)也是水管冷卻混凝土數(shù)值仿真的關(guān)鍵參數(shù)，其精度直接決定了仿真計(jì)算的精度。但換熱系數(shù)目前仍由經(jīng)驗(yàn)確定，尚缺乏有效的試驗(yàn)手段來獲取。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的就是為了解決上述問題，提供一種混凝土與冷卻水管換熱試驗(yàn)方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：一種混凝土與冷卻水管換熱試驗(yàn)方法，包括以下步驟：(1)制作多棱柱混凝土試塊，多棱柱混凝土試塊的棱數(shù)為n，n≥5，在試塊中間設(shè)有冷卻水水管Ⅰ，冷卻水管Ⅰ的兩端伸出混凝土試塊；(2)多棱柱混凝土試塊有n個(gè)面，每個(gè)面沿長度方向分為4個(gè)區(qū)域，分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)，在每個(gè)面對應(yīng)的每個(gè)區(qū)域上設(shè)置有薄膜加熱器；(3)在冷卻水管Ⅰ的內(nèi)壁和外壁上、多棱柱混凝土試塊內(nèi)均設(shè)有貼片式熱電偶，貼片式熱電偶沿著冷卻水管Ⅰ呈環(huán)形輻射均勻設(shè)置，貼片式熱電偶與中央處理器配套使用；(4)將多棱柱混凝土試塊和冷卻水管Ⅰ放置在試驗(yàn)箱內(nèi)；(5)將多棱柱混凝土試塊的n個(gè)面和每個(gè)面上4個(gè)區(qū)域的薄膜加熱器的加熱情況進(jìn)行隨機(jī)組合，薄膜加熱器的加熱溫度在設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行變化，由貼片式熱電偶測得各點(diǎn)的溫度值，得出各點(diǎn)混凝土試塊與冷卻水管Ⅰ的換熱效率；(6)制作多棱柱混凝土試塊，在試塊中間設(shè)有與冷卻水水管Ⅰ材質(zhì)不同的冷卻水水管Ⅱ，重復(fù)上述步驟，得出各點(diǎn)混凝土試塊與冷卻水管Ⅱ的換熱效率；(7)將步驟(5)和步驟(6)中得出的換熱效率進(jìn)行回歸分析，得到混凝土試塊與冷卻水管的換熱效率模型。所述多棱柱混凝土試塊的外表面設(shè)有石棉層，石棉層與試驗(yàn)箱內(nèi)壁之間設(shè)有聚四氟乙烯隔層，冷卻水管Ⅰ伸出的兩端外表面設(shè)有聚四氟乙烯隔層，試驗(yàn)箱內(nèi)剩余的空隙內(nèi)填充細(xì)沙。所述薄膜加熱器的加熱溫度為30℃～70℃。所述冷卻水管Ⅰ為鐵管，冷卻水水管Ⅱ?yàn)镠DPE管。所述試驗(yàn)箱是由玻璃纖維板制成的，試驗(yàn)箱設(shè)置在支撐座上。所述多棱柱混凝土試塊為五棱柱混凝土試塊，五棱柱混凝土試塊有5個(gè)面，分別為Ⅰ面、Ⅱ面、Ⅲ面、Ⅳ面和Ⅴ面。本專利技術(shù)的試驗(yàn)原理簡單，具備可操作性，通過改變熱流強(qiáng)度、改變水管材質(zhì)得到混凝土試塊與冷卻水管的換熱效率，以期通過對試驗(yàn)結(jié)果分析研究，從中尋求換熱系數(shù)與熱流變化、材料常物性等因素的一般性規(guī)律，以便建立換熱系數(shù)計(jì)算模型，弄清混凝土與冷卻水管在試驗(yàn)期全過程的換熱行為，為今后對相同水管的應(yīng)用進(jìn)行仿真研究時(shí)提供關(guān)鍵參數(shù)。附圖說明圖1是本專利技術(shù)的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的A-A截面圖。具體實(shí)施方式如圖1～圖2所示的混凝土與冷卻水管換熱試驗(yàn)方法，包括以下步驟：(1)制作多棱柱混凝土試塊6，多棱柱混凝土試塊6的棱數(shù)為n，n≥5，在試塊中間設(shè)有冷卻水水管Ⅰ7，冷卻水管Ⅰ7的兩端伸出混凝土試塊；(2)多棱柱混凝土試塊6有n個(gè)面，每個(gè)面沿長度方向分為4個(gè)區(qū)域，分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)，在每個(gè)面對應(yīng)的每個(gè)區(qū)域上設(shè)置有薄膜加熱器5，通過薄膜加熱器5對混凝土試塊進(jìn)行加熱；(3)在冷卻水管Ⅰ7的內(nèi)壁和外壁上、多棱柱混凝土試塊6內(nèi)均設(shè)有貼片式熱電偶1，貼片式熱電偶1沿著冷卻水管Ⅰ7呈環(huán)形輻射均勻設(shè)置，貼片式熱電偶1與中央處理器配套使用，可直接測量液體和固體溫度，中央處理器可以為安裝有配套軟件的計(jì)算機(jī)；(4)將多棱柱混凝土試塊6和冷卻水管Ⅰ7放置在試驗(yàn)箱8內(nèi)，試驗(yàn)箱8是由玻璃纖維板制成的能夠起到固定混凝土試塊和冷卻水管以及隔絕它們與外部環(huán)境的熱交換的作用，試驗(yàn)箱8設(shè)置在支撐座2上；(5)將多棱柱混凝土試塊6的n個(gè)面和每個(gè)面上4個(gè)區(qū)域的薄膜加熱器5的加熱情況進(jìn)行隨機(jī)組合，薄膜加熱器5的加熱溫度在設(shè)定的30℃～70℃范圍內(nèi)進(jìn)行上下緩慢變化，由貼片式熱電偶1測得各點(diǎn)的溫度值，得出各點(diǎn)混凝土試塊與冷卻水管Ⅰ7的換熱效率；(6)制作多棱柱混凝土試塊6，在試塊中間設(shè)有與冷卻水水管Ⅰ材質(zhì)不同的冷卻水水管Ⅱ，重復(fù)上述步驟，得出各點(diǎn)混凝土試塊與冷卻水管Ⅱ的換熱效率；(7)將步驟(5)和步驟(6)中得出的換熱效率進(jìn)行回歸分析，得到混凝土試塊與冷卻水管的換熱效率模型。所述多棱柱混凝土試塊6的外表面設(shè)有石棉層4，用于絕緣、保溫，石棉層4與試驗(yàn)箱8內(nèi)壁之間設(shè)有聚四氟乙烯隔層3，起到絕緣的作用，冷卻水管Ⅰ7伸出的兩端外表面設(shè)有聚四氟乙烯隔層3，試驗(yàn)箱8內(nèi)剩余的空隙內(nèi)填充細(xì)沙9，用于固定隔熱。通過上述試驗(yàn)，能夠得到在非均勻熱流強(qiáng)度下，水管管壁與混凝土試塊的實(shí)際換熱效率，換熱效率公式為：式中，hj,i為混凝土測點(diǎn)j作用下水管i點(diǎn)的換熱效率；Tj為混凝土測點(diǎn)j溫度；Tw,i為水管i點(diǎn)的水溫；Tex,i為水管i點(diǎn)的外壁面溫度；k為水管導(dǎo)熱系數(shù)；χj為測點(diǎn)j到水管外壁面垂直距離，αj,i為測點(diǎn)j到水管i點(diǎn)的法相轉(zhuǎn)角。通過換熱效率公式，可以得到上述不同工況的換熱效率值，將得出的換熱效率進(jìn)行回歸分析，得到混凝土試塊與冷卻水管的換熱效率模型。根據(jù)試驗(yàn)成果，通過熱平衡分析特定工況下的水管瞬態(tài)換熱能力，并依據(jù)牛頓冷卻定律，計(jì)算水管的瞬態(tài)局部換熱系數(shù)值，通過分析其與熱流變化的基本規(guī)律，構(gòu)建一個(gè)考慮熱流變化的換熱系數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該關(guān)系式避開傳統(tǒng)熱阻理論，除物性條件外，將同時(shí)考慮冷卻水管在混凝土瞬態(tài)熱流場的作用，這一思路與現(xiàn)有關(guān)于熱阻概念的探討結(jié)論相符?？紤]到單一的試驗(yàn)結(jié)果所構(gòu)建的模型缺乏一般性，我們進(jìn)行兩組不同材質(zhì)水管在上述組合工況下的試驗(yàn)，采用的冷卻水管Ⅰ為鐵管，冷卻水水管Ⅱ?yàn)镠DPE管，以便建立一個(gè)更具一般性的換熱系數(shù)模型，以期通過對試驗(yàn)結(jié)果分析研究，從中尋求換熱系數(shù)與熱流變化、材料常物性等因素的一般性規(guī)律，以便建立換熱系數(shù)計(jì)算模型。將換熱系數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼系剿芾鋮s場、混凝土溫度場與徐變應(yīng)力場的耦合分析程序中，并利用該耦合程序和PSO算法反分析程序?qū)λ芾鋮s混凝土試驗(yàn)成果進(jìn)行精細(xì)仿真，以期弄清混凝土與冷卻水管在試驗(yàn)期全過程的換熱行為，并得到換熱系數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭邢嚓P(guān)參數(shù)的反演數(shù)據(jù)，為今后對相同水管的應(yīng)用進(jìn)行仿真研究時(shí)提供關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)施例多棱柱混凝土試塊6可以為五棱柱、六棱柱或七棱柱混凝土試塊，混凝土試塊每個(gè)面上4個(gè)區(qū)域的薄膜加熱器的加熱情況進(jìn)行隨機(jī)組合；多棱柱混凝土試塊6為五棱柱混凝土試塊時(shí)，五棱柱混凝土試塊有5個(gè)面，分別為Ⅰ面、Ⅱ面、Ⅲ面、Ⅳ面和Ⅴ面，五棱柱混凝土試塊的5個(gè)面和每個(gè)面上4個(gè)區(qū)域的薄膜加熱器的加熱情況進(jìn)行隨機(jī)組合，組合工況如表1所示。表1鐵管和HDPE管的試驗(yàn)工況附：表中√表示加熱，×表示不加熱。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種混凝土與冷卻水管換熱試驗(yàn)方法，其特征在于：包括以下步驟：（1）制作多棱柱混凝土試塊，多棱柱混凝土試塊的棱數(shù)為n，n≥5，在試塊中間設(shè)有冷卻水水管Ⅰ，冷卻水管Ⅰ的兩端伸出混凝土試塊；（2）多棱柱混凝土試塊有n個(gè)面，每個(gè)面沿長度方向分為4個(gè)區(qū)域，分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)，在每個(gè)面對應(yīng)的每個(gè)區(qū)域上設(shè)置有薄膜加熱器；（3）在冷卻水管Ⅰ的內(nèi)壁和外壁上、多棱柱混凝土試塊內(nèi)均設(shè)有貼片式熱電偶，貼片式熱電偶沿著冷卻水管Ⅰ呈環(huán)形輻射均勻設(shè)置，貼片式熱電偶與中央處理器配套使用；（4）將多棱柱混凝土試塊和冷卻水管Ⅰ放置在試驗(yàn)箱內(nèi)；（5）將多棱柱混凝土試塊的n個(gè)面和每個(gè)面上4個(gè)區(qū)域的薄膜加熱器的加熱情況進(jìn)行隨機(jī)組合，薄膜加熱器的加熱溫度在設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行變化，由貼片式熱電偶測得各點(diǎn)的溫度值，得出各點(diǎn)混凝土試塊與冷卻水管Ⅰ的換熱效率；（6）制作多棱柱混凝土試塊，在試塊中間設(shè)有與冷卻水水管Ⅰ材質(zhì)不同的冷卻水水管Ⅱ，重復(fù)上述步驟，得出各點(diǎn)混凝土試塊與冷卻水管Ⅱ的換熱效率；（7）將步驟（5）和步驟（6）中得出的換熱效率進(jìn)行回歸分析，得到混凝土試塊與冷卻水管的換熱效率模型。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種混凝土與冷卻水管換熱試驗(yàn)方法，其特征在于：包括以下步驟：（1）制作多棱柱混凝土試塊，多棱柱混凝土試塊的棱數(shù)為n，n≥5，在試塊中間設(shè)有冷卻水水管Ⅰ，冷卻水管Ⅰ的兩端伸出混凝土試塊；（2）多棱柱混凝土試塊有n個(gè)面，每個(gè)面沿長度方向分為4個(gè)區(qū)域，分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)，在每個(gè)面對應(yīng)的每個(gè)區(qū)域上設(shè)置有薄膜加熱器；（3）在冷卻水管Ⅰ的內(nèi)壁和外壁上、多棱柱混凝土試塊內(nèi)均設(shè)有貼片式熱電偶，貼片式熱電偶沿著冷卻水管Ⅰ呈環(huán)形輻射均勻設(shè)置，貼片式熱電偶與中央處理器配套使用；（4）將多棱柱混凝土試塊和冷卻水管Ⅰ放置在試驗(yàn)箱內(nèi)；（5）將多棱柱混凝土試塊的n個(gè)面和每個(gè)面上4個(gè)區(qū)域的薄膜加熱器的加熱情況進(jìn)行隨機(jī)組合，薄膜加熱器的加熱溫度在設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行變化，由貼片式熱電偶測得各點(diǎn)的溫度值，得出各點(diǎn)混凝土試塊與冷卻水管Ⅰ的換熱效率；（6）制作多棱柱混凝土試塊，在試塊中間設(shè)有與冷卻水水管Ⅰ材質(zhì)不同的冷卻水水管Ⅱ，重復(fù)上述步驟，得出各點(diǎn)混凝土試塊與冷卻水...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳守開，郭磊，李祥雨，郭利霞，白衛(wèi)峰，汪倫焰，李慧敏，
申請(專利權(quán))人：華北水利水電大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：河南,41