CN113686913B - 一种土工试验箱底部闭环制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土工试验箱底部闭环制冷系统，包括土工试验箱和用于对土工试验箱进行降温的制冷器，土工试验箱的底板夹层内划分为至少两个独立区域，每个独立区域内均开设有蛇形凹槽，每个蛇形凹槽的一端与制冷器的出液口连接，另外一端与制冷器的进液口连接；本发明在土工试验箱的底板夹层内设置至少两个独立区域的蛇形凹槽，并将蛇形凹槽的出液口和进液口分别连通制冷器，通过蛇形凹槽的弯曲结构延长冷却液在蛇形凹槽内的流动时间，使大型土工试验箱底板能够长时间的对土工试验箱中的土体进行充分降温，此外，同时对多个的独立区域的蛇形凹槽分别循环降温，或者单独的选择其中某几个区域进行降温，达到对土体降温速度可控的目的。

Description

一种土工试验箱底部闭环制冷系统

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，特别是涉及一种土工试验箱底部闭环制冷系统。

背景技术

近年来，围绕寒区工程建设的紧迫性逐渐提上日程。然而，针对寒区工程建设所面临的冻融灾害、冻害的防治和致灾演变等问题，并没有专门的装置设备来演示土层冻融、冻害过程，因而无法根据模拟情况来解决实际过程中遇到土体冻害问题。

目前，虽然存在一些模拟土体冻融过程的试验装置，但是对于土体的降温过程缓慢，需要长时间才能完成，在对土体进行降温过程中，冷却液经过土体的时间较快，冷却液吸收土体热量的时间较短，不能对土体实现良好的降温效果。

如公开号为CN 109083206 A的一种土工离心机模拟冻融循环过程的试验方法及装置中，对土体进行降温时，利用具有制冷功能的盖体对土体进行覆盖，然后对土体进行降温，但是，存在如下问题，制冷的盖体在进行降温过程中，通过设置在盖体内的直管对土体完成吸热和散热的过程，导致吸热和散热的时间较短，造成土体降温效率过低的问题，又如公开号为CN 107907662 A的一种多功能土工模型试验系统及方法中，通过制冷压缩机直接与箱体相连对土体进行降温，在箱体上设置进口和出口完成对箱体内土体的降温过程，整个降温过程仅仅依靠冷气的循环过程进行，气体在箱体内进行流动过程极快，而吸收土体热量是一个缓慢的过程，因此，无法做到对土体高效充分的降温。为了解决上述问题，本发明提供一种土工试验箱底部闭环制冷系统，来解决降温效率不高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种土工试验箱底部闭环制冷系统，达到提高土体降温效率的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种土工试验箱底部闭环制冷系统，包括土工试验箱和用于对土工试验箱进行降温的制冷器，所述土工试验箱的底板夹层内划分为至少两个独立区域，每个所述独立区域内均开设有蛇形凹槽，每个所述蛇形凹槽的一端与制冷器的出液口连接，另外一端与所述制冷器的进液口连接，所述制冷器用于对所述蛇形凹槽内的液体进行循环降温。

优选地，所述独立区域包括第一舱室和第二舱室，所述第一舱室和第二舱室沿所述独立区域的长边布置，所述第一舱室上的所述蛇形凹槽和第二舱室上的所述蛇形凹槽相互连通。

优选地，相邻所述凹槽之间用隔板隔开，所述隔板选用钢制隔板。

优选地，所述制冷器包括相互连接的制冷内机和制冷外机。

优选地，所述制冷内机包括机箱和换热装置，所述机箱包括水箱和装置箱，所述水箱上开设有出液口、进液口、第一进液口和第一出液口，所述出液口与所述蛇形凹槽的一端连接，所述进液口与所述蛇形凹槽的另外一端连接，所述装置箱和所述水箱通过第一进液口和第一出液口连通，所述换热装置包括换热器、第一水泵和第二水泵，所述第一水泵和换热器安装在所述装置箱内，所述第二水泵安装在所述水箱内，所述换热器一端与所述第一进液口连接，另外一端与所述第一水泵的进水端连接，所述第一出水泵的出水端与所述第一出液口连接，所述第二水泵的出水端与所述出液口连接。

优选地，所述制冷外机包括散热扇、电源接口、高压管口和低压管口，所述装置箱上还开设有高压管口通孔和低压管口通孔，所述高压管口通过高压管贯通所述高压管口通孔与所述换热器连接，所述低压管口通过低压管贯通所述低压管口通孔与所述换热器连接，所述电源接口与电源连接。

优选地，若干所述蛇形凹槽与所述出液口的连接管道通过三通接头连通后与所述水箱连通，若干所述蛇形凹槽与所述进液口的连接管道通过三通接头连通后与所述水箱连通。

优选地，所述管道采用液压胶管。

优选地，所述土工试验箱侧壁顶部间隔布置有若干柱状体，相邻侧壁顶部的柱状体的高度相同。

优选地，所述液体选用高级重负荷全配方防冻冷却液。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明在土工试验箱的底板夹层内设置至少两个独立区域的蛇形凹槽，并将蛇形凹槽的出液口和进液口分别连通制冷器，首先通过蛇形凹槽的弯曲结构延长冷却液在蛇形凹槽内的流动时间，使大型土工试验箱底板能够长时间的对土工试验箱中的土体进行充分降温，此外，同时对多个的独立区域的蛇形凹槽分别循环降温，或者单独的选择其中某几个区域进行降温，达到对土体降温速度可控的目的。

2、本发明的独立区域包括第一舱室和第二舱室，第一舱室和第二舱室沿独立区域的长边布置，第一舱室上的蛇形凹槽和第二舱室上的蛇形凹槽相互连通，相同流速下沿长边进行流通的冷却液比短边流通的冷却液的时间更长，可使大型土工试验箱底板吸收更多的热量，达到更加良好的降温效果。

3.本发明中相邻凹槽之间用隔板隔开，隔板选用钢制隔板，避免隔板长时间在防冻液的腐蚀作用下发生穿孔的问题，影响土工试验箱的使用寿命。

4.本发明中制冷器包括相互连接的制冷内机和制冷外机，通过制冷内机对土工试验箱中的土体进行循环降温，制冷外机用于对制冷内机循环到的热量进行散热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为土工试验箱底部闭环制冷系统示意图；

附图2为土工试验箱构造示意图；

附图3为土工试验箱底部构造示意图；

附图4为土工试验箱底板底板夹层蛇形凹槽示意图；

附图5为制冷内机示意图；

附图6为制冷外机示意图；

附图7为土工试验箱底部闭环制冷系统的温度和时间曲线。

其中，1、土工试验箱；2、土工试验箱底板；3、制冷内机；4、制冷外机； 5、液压胶管；6、三通接头；7、蛇形凹槽进液口；8、蛇形凹槽出液口；9、柱状体；10、独立区域；11、蛇形凹槽；12、隔板；13、水箱；14、第一水泵； 15、第二水泵；16、换热器；17、第一进液口；18、第一出液口；19、进液口； 20、出液口；21、第二水泵进液口；22、第二水泵出液口；23、第一水泵进液口；24、第一水泵出液口；25、换热器进液口；26、换热器出液口；27、高压管口通孔；28、低压管口通孔；29、第一高压管接口；30、第一低压管接口； 31、高压管道；32、低压管道；33、第二高压管接口；34、第二低压管接口； 35、电源接口；36、散热扇；38、电源线；39、竖板；40、装置箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种土工试验箱底部闭环制冷系统，达到提高土体降温效率的目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1至7，一种土工试验箱底部闭环制冷系统，包括土工试验箱1和用于对土工试验箱1进行降温的制冷器，土工试验箱1的底板夹层内划分为至少两个独立区域10，每个独立区域10内均开设有蛇形凹槽11，每个蛇形凹槽 11的一端与制冷器的出液口20连接，另外一端与制冷器的进液口19连接，制冷器用于对蛇形凹槽11内的液体进行循环降温；本发明在土工试验箱1的底板夹层内设置至少两个独立区域10的蛇形凹槽11，并将蛇形凹槽11的两端分别连通制冷器的进液口19和出液口20，通过蛇形凹槽11的弯曲结构延长冷却液在蛇形凹槽11内的流动时间，使大型土工试验箱底板2能够长时间的对土工试验箱1中的土体进行充分降温，增强土体的降温效果。此外，同时对多个独立区域10的蛇形凹槽分别循环降温，或者单独的选择其中某几个区域进行降温，达到对土体降温速度可控的目的。

参考图4，独立区域10包括第一舱室和第二舱室，第一舱室和第二舱室沿独立区域10的长边布置，第一舱室上的蛇形凹槽11和第二舱室上的蛇形凹槽11相互连通，相同流速下沿长边进行流通的冷却液的时间比短边流通的冷却液的时间更长，可使大型土工试验箱底板2中的冷却液吸收更多的热量，只通过很少的冷却液循环的次数即可达到土工试验箱1中土体的设计温度值；进一步的，这里提到的设计温度值，是试验人员根据需要模拟地区的冻融土体中的温度值得出的相同或者相近的温度值。

参考图4，相邻凹槽之间用隔板12隔开，隔板12选用钢制隔板12，避免隔板12长时间在防冻液的腐蚀作用下发生穿孔的问题，影响土工试验箱1的使用寿命；进一步的，隔板12材质的选择为防腐蚀性能较强的板材，如钢制隔板12，亚克力板，或者涂抹有防腐蚀层的其他板材均可。

参考图1，制冷器包括相互连接的制冷内机3和制冷外机4，通过制冷内机3对土工试验箱1中的土体进行循环降温，制冷外机4用于对制冷内机3 循环到的热量进行散热。

参考图5，制冷内机3包括机箱和换热装置，机箱包括水箱13和装置箱 40，水箱13上开设有出液口20、进液口19、第一进液口17和第一出液口18，出液口20与蛇形凹槽11的一端连接，进液口19与蛇形凹槽11的另外一端连接，装置箱40和水箱13通过第一进液口17和第一出液口18连通，换热装置包括换热器16、第一水泵14和第二水泵15，第一水泵14和换热器16安装在装置箱40内，第二水泵15安装在水箱13内，换热器16一端与第一进液口 17连接，另外一端与第一水泵进液口23连接，第一水泵出液口24与第一出液口18连接，第二水泵进液口21直接与冷却液接触，第二水泵出液口22与出液口20连接；其具体循环工作流程如下：首先，进行吸热后的冷却液从蛇形凹槽11一端流出并通过进液口19回流至水箱13中，然后所有吸热后的冷却液通过设置在水箱13上的第一出液口18进入到装置箱40内的第一水泵14 当中，并通过第一水泵14泵入到换热器16中，经过换热器16的换热得到降温后的冷却液通过管道到达同样设置在水箱13上的第一进液口17，并通过第一进液口17进入到水箱13当中，水箱13中设置的第二水泵15，降温后的冷却液在第二水泵15的泵送作用下通过设置在水箱13上的出液口20，并通过出液口20进入到蛇形凹槽11当中，从而完成一个冷却液降温的循环过程；进一步的，装置箱40与水箱13之间通过竖板39隔开，第一进液口17和第一出液口18均设置在竖板39上，且第一出液口18的位置靠近竖板39的底部，第一进液口17的位置靠近竖板39的顶部，设置在竖板39底部的第一出液口18 更方便吸收热量后的冷却液回流，而设置在竖板39顶部的第一进液口17处的冷却后的冷却液回流时，由于第一进液口17处在较高的位置，因此冷却液通过较长时间自由落体运动，可以做到对冷却液的进一步散热降温，进一步的，换热器16上开设有换热器进液口25和换热器出液口26，分别连通第一出液口18和第一进液口17。

参考图6，制冷外机4包括散热扇36、电源接口35、第二高压管接口33 和第二低压管接口34，装置箱40上还开设有高压管口通孔27和低压管口通孔28，高压管口通过高压管贯通高压管口通孔27与换热器16连接，低压管口通过低压管贯通所述低压管口通孔28与换热器16连接，电源接口35与电源连接，电源接口35与装置箱40通过电源线38连接；制冷内机3中换热器16吸收的热量以高压气体的形式通过高压管口进入到制冷外机4中，然后通过制冷外机4中散热扇36进行降温，降温后的气体通过低压管口再次进入到换热器16中，使得换热器16再次对冷却液热量的吸收，从而完成对热气循环的降温过程，保证了对吸收热量后的冷却液的持续高效的降温过程，进而达到提高土体降温效率的目的；进一步的换热器16上开设有与高压管连通的第一高压管接口29和第一低压管接口30，第一高压管接口29与第二高压管接口 33通过高压管道31连通，第一低压管接口30与第二低压管接口34通过低压管道32连通。

参考图1，若干独立区域内10的蛇形凹槽11与出液口20的连接管道通过三通接头6连通后与水箱13连通，若干独立区域内10的蛇形凹槽11与进液口19的连接管道通过三通接头6连通后与水箱13连通；进一步的，定义蛇形凹槽11与出液口20连接的一端为蛇形凹槽进液口7，蛇形凹槽11与进液口19连接的一端为蛇形凹槽出液口8，由于土工试验箱底板2夹层内开设有至少两个独立区域10，每个独立区域10内开设的蛇形凹槽11均开设有蛇形凹槽出液口8和蛇形凹槽进液口7，并与水箱13的进液口19和出液口20连接，导致水箱13上的进液口19会连接多根管道，使得连接不方便，同时，“多对一”的连接方式，容易导致接口连接不紧密，发生冷却液泄露的问题，而设置三通接头6分别将所有的连通进液口19的管道和连通出液口20的管道进行集中处理，然后通过单独管道与进液口19或者出液口20连接，避免发生上述的“多对一”的连接方式，造成的接口连接不紧密，发生冷却液泄露的问题。

进一步的，管道采用液压胶管5，具有较强的防腐以及保温作用，降低冷却液对管道的腐蚀作用，同时，避免了冷却液在流入到蛇形凹槽11中时吸收空气中的热量，降低冷却液的冷却效果的问题。

参考图2，土工试验箱1侧壁顶部间隔布置有若干柱状体9，相邻侧壁顶部的柱状体9的高度相同，在对土工试验箱1的顶部铺设保温材料时，可以将保温材料卡接在柱状体9的接缝处，使得土工材料尽可能的对土体面完全贴合固定，以此保证土箱在降温过程中热量的回流，从而达到良好的降温效果。

进一步的，液体选用高级重负荷全配方防冻冷却液，具有较强的吸热能力，且腐蚀性较低。

为了检验土工试验箱1制冷系统的设计方法可行性与可靠性，下面进行试验验证土工试验箱1制冷系统的降温和控温性能，首先选用黏土充当填充物，进行填土并分层夯实，黏土的含水率为30％，依次分层填土并进行人工夯实；当填土达到土箱顶部时进行物理降温，并得到说明书附图7中的数据走向。

从图7中可以看出，随着制冷时间的增加土工试验箱1底部的温度逐渐降低并达到预设温度。首先，在0～20小时中，土工试验箱1底部的温度从最初的17.5℃快速下降至4℃左右；随着降温时间的增加，土工试验箱1底部的温度从20～172小时区间中逐渐趋于稳定并在153小时时达到预设温度；土工试验箱1底部的温度在153～172小时区间中达到预设温度并趋于稳定。从整个的降温过程及降温结果中可以充分验证此发明具有降温效果显著，具有广泛的应用场景。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种土工试验箱底部闭环制冷系统，其特征在于，包括土工试验箱和用于对土工试验箱进行降温的制冷器，所述土工试验箱的底板夹层内划分为至少两个独立区域，每个所述独立区域内均开设有蛇形凹槽，每个所述蛇形凹槽的一端与制冷器的出液口连接，另外一端与所述制冷器的进液口连接，所述制冷器用于对所述蛇形凹槽内的液体进行循环降温；

所述独立区域包括第一舱室和第二舱室，所述第一舱室和第二舱室沿所述独立区域的长边布置，所述第一舱室上的所述蛇形凹槽和第二舱室上的所述蛇形凹槽相互连通；

所述制冷器包括相互连接的制冷内机和制冷外机；

所述制冷内机包括机箱和换热装置，所述机箱包括水箱和装置箱，所述水箱上开设有出液口、进液口、第一进液口和第一出液口，所述出液口与所述蛇形凹槽的一端连接，所述进液口与所述蛇形凹槽的另外一端连接，所述装置箱和所述水箱通过第一进液口和第一出液口连通，所述换热装置包括换热器、第一水泵和第二水泵，所述第一水泵和换热器安装在所述装置箱内，所述第二水泵安装在所述水箱内，所述换热器一端与所述第一进液口连接，另外一端与所述第一水泵的进水端连接，所述第一出水泵的出水端与所述第一出液口连接，所述第二水泵的出水端与所述出液口连接；

若干所述蛇形凹槽与所述出液口的连接管道通过三通接头连通后与所述水箱连通，若干所述蛇形凹槽与所述进液口的连接管道通过三通接头连通后与所述水箱连通。

2.根据权利要求1所述的一种土工试验箱底部闭环制冷系统，其特征在于，相邻所述凹槽之间用隔板隔开，所述隔板选用钢制隔板。

3.根据权利要求1所述的一种土工试验箱底部闭环制冷系统，其特征在于，所述制冷外机包括散热扇、电源接口、高压管口和低压管口，所述装置箱上还开设有高压管口通孔和低压管口通孔，所述高压管口通过高压管贯通所述高压管口通孔与所述换热器连接，所述低压管口通过低压管贯通所述低压管口通孔与所述换热器连接，所述电源接口与电源连接。

4.根据权利要求1所述的一种土工试验箱底部闭环制冷系统，其特征在于，所述管道采用液压胶管。

5.根据权利要求1所述的一种土工试验箱底部闭环制冷系统，其特征在于，所述土工试验箱侧壁顶部间隔布置有若干柱状体，相邻侧壁顶部的柱状体的高度相同。

6.根据权利要求1所述的一种土工试验箱底部闭环制冷系统，其特征在于，所述液体选用高级重负荷全配方防冻冷却液。