基于地源熱泵便攜式巖土熱物性測試儀研制
設計地源熱泵系統(tǒng)的地熱換熱器需要知道地下巖土的熱物性參數(shù)。如果熱物性參數(shù)不準確,則設計的系統(tǒng)可能達不到負荷需要;也可能規(guī)模過大,從而加大初期投資。確定地下巖土熱物性參數(shù)的傳統(tǒng)方法是首先根據(jù)鉆孔取出的樣本確定鉆孔周圍的地質構成,再通過查有關手冊確定導熱系數(shù)。然而地下地質構成復雜,即使同一種巖石成分,其熱物性參數(shù)取值范圍也比較大。況且不同地層地質條件下的導熱系數(shù)可相差近十倍,導致計算得到的埋管長度也相差數(shù)倍,從而使得地源熱泵系統(tǒng)的造價會產生相當大的偏差。另外,不同的封并材料、埋管方式對換熱都有影響,因此只有在現(xiàn)場直接測量才能正確得到地下巖土的熱物性參數(shù)。但是由于在以往的工程實踐中很少涉及這樣的問題,既缺乏這方面的數(shù)據(jù)積累,也缺乏現(xiàn)成的測試方法。針對此間題,進行了深入的研究,開發(fā)出了具有自主知識產權的便攜式巖土熱物性測試儀,并應用到實際工程中。
1測試儀的原理及構成
地下巖土的導熱系數(shù)等無法直接測量,只能通過測量溫度、熱流等相關參數(shù)進行反推。在已鉆好的鉆孔中埋設導管并按設計要求回填,該鉆孔中的導管將來可以作為地熱換熱器的一個支路使用,回路中充滿水,讓水在回路中循環(huán)流動,自某一時刻起對水連續(xù)加熱相當長的時間(數(shù)天),并測量加熱功率、回路中水的流量和水的溫度及其所對應的時間,最后再根據(jù)已知的數(shù)據(jù)推算出鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數(shù)。
本儀器由流量傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、泵、電加熱器;管道和主機等緩威.結構面匡如圖1所示。
圖1中,由于泵的作用,流體由A口進入,流量傳感器采集流量信號,溫度傳感器采集溫度信號(T1)。流體通過泵后,由電加熱器加熱,加熱的流體溫度信號(T2)由傳感器采集,然后流體從B口流出,輸入到埋置于深層巖土中的導管內,導管內加熱的流體與深層巖上進行熱交換后,又從A口返回到儀器內,形成封閉的循環(huán)。將在一定時間內連續(xù)采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測量數(shù)據(jù),再利用參數(shù)估算法求出巖土的平均導熱系數(shù),達到檢測目的。電流傳感器、電壓傳感器用于對加熱器的加熱功率進行實時測量,以保證檢測精度。
1.1主機硬件
如圖2所示,主機由CPU AT89C52芯片、A/D轉換芯片TLC2543、串行通訊芯片MAX232、程序存儲器27C128、數(shù)據(jù)存儲器AT24C64、鍵盤、LCD顯示器、開關量輸出、打印機、電源等構成。各部分的主要功能敘述如下:
各路變送器傳來的電流信號在進行濾波和I/V變換后,由TLC2543進行模/數(shù)轉換。TLC2543是具有11個通道的12位模/數(shù)轉換芯片,由軟件控制信號通道的轉換。
程序存儲器27C128和數(shù)據(jù)存儲器AT24C64用于存放部分工作程序和測試數(shù)據(jù)。而AT24C64存儲的測試數(shù)據(jù)在系統(tǒng)停電后不丟失。
MAX232作為串行通訊的專用芯片,用作向上位機傳輸測試數(shù)據(jù)。
AT89C52是具有內部程亭存儲器的CPU,它控制整個系統(tǒng)的工作,內部的程序存儲器存放主要的工作程序和參數(shù),而內部RAM作為系統(tǒng)的寄存器區(qū)、標志區(qū)、打印及顯示緩沖區(qū)。
開關量的輔出通過繼電器控制加熱器的電源,當某種原因導致加熱溫度過高時則斷開加熱器電源,達到保護設備的目的。打印機用于保存永久數(shù)據(jù)。
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