專利名稱：一種水溫層化動態實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種水溫層化動態實驗裝置。
背景技術：
水庫的修建帶來了防洪、發電、灌溉、航運、水產養殖和旅游等一系列綜合效益，但水庫在發揮巨大社會經濟效益的同時，對水質和生態環境也將產生一定的影響，水體溫度即是其中一個重要的基礎指標。水庫蓄水后將改變原有天然河道水溫的時空分布，特別是大型水庫建成后，庫區水體的水溫參數、流動狀態以及熱量輸運過程也隨之發生改變，形成特有的水溫分層分布特性，可能給下游的生態環境帶來重大影響。為了充分發揮水利工程的綜合效益，需要進行大量分析研究工作，分析水庫建成后水溫分布的影響因素和變化規律，準確預測水溫的時空分布，以期采用合理的工程并采取一定的工程措施，把低溫水下泄的不利影響降到最低限度。為此，對水庫庫內水溫分布進行室內實驗顯得異常重要，如高學平等人發明了水庫水溫分層模擬方法(申請(專利)號:CN201010119521.0)，為靜態水庫水溫分層的室內實驗提供了方法和裝置。但實際實驗發現，該裝置存在如下不足:1)實驗裝置只能模擬靜止(無出流)狀態下水庫的溫度分布，實際上的研究多需要分析不同工程措施下出水口溫度，水流須循環；2)若將該裝置直接加出水口，改制成循環裝置，加熱、穩定耗時較長，無法滿足實驗要求；不僅如此，外界環境對實驗區的溫度分布影響極大，實際有效實驗時間過短；研究動水狀態下水溫的分布，水槽在實驗時的穩定性應足夠大且受外界干擾應足夠小。因此需要發明一種新的實驗裝置，研究水溫的層化及采取相應工程措施后動水作用下水溫的分布及層化效應。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的上述缺點并且提供一種水溫層化動態實驗裝置，所述水溫層化動態實驗裝置可將加熱后的水體循環利用，運行穩定可靠，能量消耗少，受外界干擾小，可大幅延長有效實驗時間，可以用于深水水庫的溫度層化的模擬實驗及相關改善措施的研究工作。本發明涉及一種水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述水溫層化動態實驗裝置包括外循環水池、位于所述外循環水池下游的多個內循環水箱、位于所述多個內循環水箱下游的分布式用水供給控制系統、位于所述分布式用水供給控制系統下游的實驗水槽以及位于所述實驗水槽下游的回水系統。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述多個內循環水箱在水平方向上依次呈階梯狀排布，并且每一個內循環水箱包括位于其一個側面上的常溫水注入孔和位于相對側面上的水泵抽水孔和回水孔，所述常溫水注入孔的位置在豎直方向上高于所述水泵抽水孔和回水孔的位置。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述分布式用水供給控制系統包括供水水泵、位于所述供水水泵下游的回水管道以及多個并聯的供水管道，每一個供水管道上依次設置流量調節閥、流量計、自動感應開關以及溫度傳感器。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述實驗水槽包括加熱區、位于所述加熱區下游的分層水體熱交換區、位于所述分層水體熱交換區下游的水體整流區、位于所述水體整流區下游的實驗區、位于所述實驗水槽上方的水槽頂蓋以及位于所述水槽頂蓋上方的水溫保障系統。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述加熱區包括分層加熱系統，所述分層加熱系統包括多個加熱裝置、溫度控制裝置以及水平分層隔板。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述多個并聯的供水管道的數目小于或等于所述分層加熱系統的層數。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述水槽頂蓋與所述實驗水槽中的水面間距為5-lOcm，并且在所述加熱區、分層水體熱交換區、水體整流區和實驗區之間的過渡之處具有氣口。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述水溫保障系統保障所述實驗水槽中的表層水溫與實驗要求的表層水溫相同。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述分層水體熱交換區包括多個水平分層隔板，所述多個水平分層隔板具有孔洞。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述水體整流區包括多個水平分層隔板，并且所述多個水平分層隔板在接近所述實驗區邊緣處為翼形。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述分布式用水供給控制系統和所述實驗水槽之間通過軟管連接。根據本發明的一個優選的具體實施方案，所述供水水泵與所述實驗水槽位于不同區域從而保障所述供水水泵的震動不影響所述實驗水槽。本發明的有益效果是:所述水溫層化動態實驗裝置可將加熱后的水體循環利用，運行穩定可靠，能量消耗少，受外界干擾小，可大幅延長有效實驗時間，可以用于深水水庫的溫度層化的模擬實驗及相關改善措施的研究工作。
圖1是本發明的水溫層化動態實驗裝置的示意圖。圖2是本發明的水溫層化動態實驗裝置中的實驗水槽的示意圖。圖3是本發明的水溫層化動態實驗裝置中的多個內循環水箱的排布示意圖。圖4是本發明的水溫層化動態實驗裝置中的單個內循環水箱的結構示意圖。圖5是本發明的水溫層化動態實驗裝置中的分布式用水供給控制系統的示意圖。圖6是本發明的水溫層化動態實驗裝置中的具有孔洞的水平分層隔板的示意圖。
具體實施例方式參考圖1，其顯示了本發明的水溫層化動態實驗裝置的示意圖，所述水溫層化動態實驗裝置包括外循環水池1、位于所述外循環水池I下游的多個內循環水箱2、位于所述多個內循環水箱2下游的分布式用水供給控制系統3、位于所述分布式用水供給控制系統3下游的實驗水槽11以及位于所述實驗水槽下游的回水系統13。參考圖2，其顯示了本發明的水溫層化動態實驗裝置中的實驗水槽的示意圖，所述實驗水槽11包括加熱區4、位于所述加熱區4下游的分層水體熱交換區5、位于所述分層水體熱交換區5下游的水體整流區6、位于所述水體整流區6下游的實驗區7、位于所述實驗水槽11上方的水槽頂蓋28以及位于所述水槽頂蓋28上方的水溫保障系統27。所述加熱區4包括分層加熱系統10，所述分層加熱系統10包括多個加熱裝置22、溫度控制裝置23以及水平分層隔板24。所述分層水體熱交換區5和所述水體整流區6同樣包括多個水平分層隔板24，然而位于所述分層水體熱交換區5內的多個水平分層隔板24具有孔洞25，以促進不同層水體之間的熱交換，使上下層水體間的水溫連續分布，并且位于所述水體整流區6內的多個水平分層隔板24在接近所述實驗區7邊緣處為翼形26，以減少水平分層隔板24對水體的擾動。所述水溫保障系統27保障所述實驗水槽11中的表層水溫與實驗要求的表層水溫相同，保障實驗盡可能少受外界環境影響。所述水槽頂蓋28與所述實驗水槽11中的水面間距為5-lOcm，并且在所述加熱區4、分層水體熱交換區5、水體整流區6和實驗區7之間的過渡之處具有氣口 9，從而保障實驗水槽11內的水流為無壓流。回水系統13位于水槽出水口下方，以回收循環實驗產生的溫水，并采用回水水泵29將其抽到內循環水箱2，形成水流循環。將內循環水箱2中無法重復利用的溫水通過管道返回外循環水池1，水體循環不足部分由外循環水池I補充。參考圖3和圖4，其分別顯示了本發明的水溫層化動態實驗裝置中的多個內循環水箱的排布示意圖以及本發明的水溫層化動態實驗裝置中的單個內循環水箱的結構示意圖，所述多個內循環水箱2在水平方向上依次呈階梯狀排布，并且每一個內循環水箱2包括位于其一個側面上的常溫水注入孔30和位于相對側面上的水泵抽水孔31和回水孔32，所述常溫水注入孔30的位置在豎直方向上高于所述水泵抽水孔31和回水孔32的位置。每個內循環水箱2從高溫到低溫連通排布，存儲來自實驗水槽11出水口來水的內循環水箱2的水溫最高，其它內循環水箱2的水溫由實驗水槽11出水口來水與常溫來水混合確定。參考圖5，其顯示了本發明的水溫層化動態實驗裝置中的分布式用水供給控制系統的示意圖，所述分布式用水供給控制系統3包括供水水泵14、位于所述供水水泵14下游的回水管道19以及多個并聯的供水管道18，每一個供水管道18上依次設置流量調節閥16、流量計17、自動感應開關15以及溫度傳感器21。分布式用水供給控制系統3通過供水水泵14分別與每個內循環水箱2連接。通過溫度傳感器20從高溫內循環水箱2到低溫內循環水箱2依次判斷各個內循環水箱2內的水溫是否低于供水層所需的溫度，如果低于供水層所需的溫度，則打開自動感應開關15，使供水水泵14抽水的內循環水箱2溫度不大于所在層所需的溫度，且在所有內循環水箱2中其與所需溫度之間的溫差最小。通過流量調節閥16調節抽水量，并通過流量計17讀數，使每層的供水量都滿足實驗要求。供水水泵19提供的多余水量通過回水管道19返回內循環水箱2。多個并聯的供水管道18分別通過軟管21連接至分層加熱系統10且其數目小于或等于所述分層加熱系統10的層數。軟管21保證實驗水槽11不受供水管道18震動的影響。此外，供水水泵14及回水水泵29與所述實驗水槽11位于不同區域從而保障所述供水水泵14及回水水泵29的震動不影響所述實驗水槽11。參考圖6，其顯示了本發明的水溫層化動態實驗裝置中的具有孔洞的水平分層隔板的示意圖，這種具有孔洞25的水平分層隔板24位于分層水體熱交換區5內，以促進不同層水體之間的熱交換，使上下層水體間的水溫連續分布。實施例在實驗前，先根據模型相似準則，模型水庫的表底溫差應與實際水庫相等，確定實驗水槽11內水溫初始分布、分層層數及表層最高加熱溫度，例如需要模擬的水庫表底溫差為10°c，室內正常水溫為18°c，則水槽表層水體的溫度應為28°C，若分層加熱系統10有5層且在豎直方向上等距排布，則根據實驗要求的溫度分布，由溫度控制裝置23設置的溫度從上到下依次為:28°C，25°C，22°C，20°C，19°C，最低層為常溫18°C，同時將水槽頂蓋28上的水溫保障系統27的溫度設為28°C ;根據實驗要求，模型出水流量為5L/s，則根據明渠水流的流速分布特征，注入加熱系統各層的流量近似相等，即每層都為lL/s ;先將分層加熱系統10的電源打開，使低溫水加熱，預熱后，將循環水泵打開，使水體先從外循環水池I抽出，注入分層加熱系統10進行加熱，在分層水體熱交換區5使豎直方向上的溫度連續分布，后經整流區6過渡后進入實驗區7。實驗后經混合溫水進入回水系統13，經回水水泵29抽取送入內循環水箱2，通過分布式用水供給控制系統3為分層水體熱交換區5供水，并調整各流量調節閥16，使各流量計17的讀數為lL/s。待循環系統穩定后(各層流量、水溫分布滿足實驗要求)，即可在實驗區7進行相關實驗，分析現有工況下溫度的分布情況。若需要研究其它工況，只需要適當調整分層加熱系統10的溫度控制裝置23的控制溫度以及進入各加熱層的流量，待工況穩定即可。實際操作發現，在所述的工況下，分層加熱系統10單層功率為5kw的情況下，僅需要10分鐘左右的時間系統即可達到平衡狀態，達到平衡后，分層加熱系統10僅是斷續開啟，所述裝置可起到較好的節能作用。除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落入本發明要求的保護范圍。
權利要求
1.一種水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述水溫層化動態實驗裝置包括外循環水池、位于所述外循環水池下游的多個內循環水箱、位于所述多個內循環水箱下游的分布式用水供給控制系統、位于所述分布式用水供給控制系統下游的實驗水槽以及位于所述實驗水槽下游的回水系統。
2.根據權利要求1所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述多個內循環水箱在水平方向上依次呈階梯狀排布，并且每一個內循環水箱包括位于其一個側面上的常溫水注入孔和位于相對側面上的水泵抽水孔和回水孔，所述常溫水注入孔的位置在豎直方向上高于所述水泵抽水孔和回水孔的位置。
3.根據權利要求1所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述分布式用水供給控制系統包括供水水泵、位于所述供水水泵下游的回水管道以及多個并聯的供水管道，每一個供水管道上依次設置流量調節閥、流量計、自動感應開關以及溫度傳感器。
4.根據權利要求3所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述實驗水槽包括加熱區、位于所述加熱區下游的分層水體熱交換區、位于所述分層水體熱交換區下游的水體整流區、位于所述水體整流區下游的實驗區、位于所述實驗水槽上方的水槽頂蓋以及位于所述水槽頂蓋上方的水溫保障系統。
5.根據權利要求4所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述加熱區包括分層加熱系統，所述分層加熱系統包括多個加熱裝置、溫度控制裝置以及水平分層隔板。
6.根據權利要求5所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述多個并聯的供水管道的數目小于或等于所述分層加熱系統的層數。
7.根據權利要求4所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述水槽頂蓋與所述實驗水槽中的水面間距為5-lOcm，并且在所述加熱區、分層水體熱交換區、水體整流區和實驗區之間的過渡之處具有氣口。
8.根據權利要求4所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述水溫保障系統保障所述實驗水槽中的表層水溫與實驗要求的表層水溫相同。
9.根據權利要求4所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述分層水體熱交換區包括多個水平分層隔板，所述多個水平分層隔板具有孔洞。
10.根據權利要求4所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述水體整流區包括多個水平分層隔板，并且所述多個水平分層隔板在接近所述實驗區邊緣處為翼形。
11.根據權利要求1所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述分布式用水供給控制系統和所述實驗水槽之間通過軟管連接。
12.根據權利要求3所述的水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述供水水泵與所述實驗水槽位于不同區域從而保障所述供水水泵的震動不影響所述實驗水槽。
全文摘要
本發明涉及一種水溫層化動態實驗裝置，其特征在于，所述水溫層化動態實驗裝置包括外循環水池、位于所述外循環水池下游的多個內循環水箱、位于所述多個內循環水箱下游的分布式用水供給控制系統、位于所述分布式用水供給控制系統下游的實驗水槽以及位于所述實驗水槽下游的回水系統，所述水溫層化動態實驗裝置可將加熱后的水體循環利用，運行穩定可靠，能量消耗少，受外界干擾小，可大幅延長有效實驗時間，可以用于深水水庫的溫度層化的模擬實驗及相關改善措施的研究工作。
文檔編號E02B1/02GK103147421SQ201310067308
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月4日 優先權日2013年3月4日
發明者蔣定國, 戴會超, 劉偉, 王煜, 別玉靜, 唐夢君 申請人:中國長江三峽集團公司