[发明专利]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

说明书

本发明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，包括保温试验箱、换热机构、硐室封堵组件和加热板，保温试验箱内填充有隧道模型，而隧道模型开设有硐室，硐室的一端设有换热机构，另一端设有硐室封堵组件，硐室封堵组件包括支撑组件、耐热气囊、电磁阀和气压源，支撑组件设置在硐室内，至少两个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。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。

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：