自循環(huán)水冷卻凍融離心模型試驗裝置研制

趙寶忠，洪建忠，張鳴雷，栗 慶，羅昭宇，余小勇

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621000）

自循環(huán)水冷卻凍融離心模型試驗裝置研制

趙寶忠，洪建忠，張鳴雷，栗 慶，羅昭宇，余小勇

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621000）

凍融離心模型試驗裝置的研發(fā)在國內(nèi)尚處于起步階段。裝置根據(jù)半導(dǎo)體單元材料的Peltier效應(yīng)（帕爾貼效應(yīng)）設(shè)計了安裝于雙層結(jié)構(gòu)凍融模型箱的熱交換系統(tǒng)，實現(xiàn)了離心場下的凍融溫變模擬。針對離心機(jī)設(shè)備無外接冷卻水的問題，采用在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂上設(shè)置了由水箱、水泵和風(fēng)冷散熱器組成的自循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，利用離心機(jī)旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)臂與周圍空氣速度差產(chǎn)生的高速氣流帶走自循環(huán)水的熱量，實現(xiàn)了無外接水源情況下的凍融離心試驗。凍融離心試驗結(jié)果表明，該試驗裝置滿足試驗需求。

凍融離心模型；自循環(huán)水冷；半導(dǎo)體制冷

1 研究背景

近年來，離心機(jī)作為超重環(huán)境模擬試驗裝置，廣泛應(yīng)用于國防科研和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域，土工離心模型試驗技術(shù)也隨之發(fā)展成熟，在堤壩、路基、隧道和建筑物等方面的應(yīng)用研究，也得到不斷地創(chuàng)新發(fā)展。

我國多年凍土面積約占全國總面積的21.5%［1］，溫度變化跨度大，相關(guān)的建筑物或設(shè)施基礎(chǔ)會因為溫度變化產(chǎn)生凍脹融沉現(xiàn)象，嚴(yán)重者會導(dǎo)致相關(guān)工程結(jié)構(gòu)破壞。過去，對此類凍害的研究多集中在試樣研究和現(xiàn)場測試上；但現(xiàn)場實測和觀察，不但耗資巨大，有時也因條件所限變得非常困難。利用土工離心物理模擬試驗?zāi)芎芎玫啬M土工結(jié)構(gòu)在幾小時到幾年或者更長時間范圍內(nèi)由于溫度變化所導(dǎo)致的結(jié)果。在實驗室內(nèi)進(jìn)行凍融離心模擬試驗，既有理論意義又具實際意義。

國內(nèi)凍融離心試驗?zāi)壳皩儆趧倓偲鸩诫A段，由于試驗是在高過載環(huán)境下進(jìn)行，且存在熱量損失問題，對該類試驗裝置的研制帶來很大難度，為此，受南京水利科學(xué)研究院委托，中國工程物理研究院總體工程研究所研制了適用于離心過載環(huán)境的凍融模擬試驗裝置，該裝置無需外接冷卻水源，即可在離心場下實現(xiàn)凍融過程的物理模擬。

2 熱交換方式選擇

根據(jù)凍融模擬試驗要求，該裝置需產(chǎn)生大跨度的溫度變化環(huán)境。其技術(shù)指標(biāo)如下：（1）模型箱容積：700 mm×450 mm×350 mm；（2）裝置適用的最大加速度為50 g；（3）熱交換溫度控制范圍為-40℃～30℃；（4）試驗平臺為南京水利科學(xué)研究院TLJ-60A型離心機(jī)。

試驗中需設(shè)置一個可根據(jù)溫度需求對模型提供冷熱量傳遞的熱交換系統(tǒng)，以實現(xiàn)試驗中對模型進(jìn)行降溫與升溫。熱交換系統(tǒng)采取何種方式工作，是凍融離心試驗?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。

一般試驗中，可用于產(chǎn)生模型溫度變化的方式主要有3種［2］：（1）直接給模型供制冷劑（如：液氮）和熱風(fēng)；（2）模型附近用旋流器供冷熱；（3）利用半導(dǎo)體熱交換器件給模型供冷熱。

直接給模型供制冷劑（液氮）屬于一次性供給，其工程實現(xiàn)復(fù)雜且費用也高。在模型附近利用旋流器供冷熱，受試驗平臺本身結(jié)構(gòu)限制，只能采用氣瓶供氣，但供氣量有限。

半導(dǎo)體制冷器是利用其核心半導(dǎo)體單元材料的Peltier效應(yīng)（帕爾貼效應(yīng)）。當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，即達(dá)到在電偶兩端制冷和制熱的目的。

半導(dǎo)體制冷單元，是一種特種冷源，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下優(yōu)點和特點：（1）無制冷劑可連續(xù)工作，工作時無震動和噪音且壽命長；無污染源、無旋轉(zhuǎn)部件和無滑動部件，是一種固體元件，適合離心場下安裝使用。（2）半導(dǎo)體制冷單元具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，因此使用一個元件就可以代替兩個獨立的加熱元件和制冷元件。一件多用的特性符合凍融離心試驗提供冷熱溫度變化需求。（3）半導(dǎo)體制冷單元是電流換能型元件，通過輸入電流的控制，可實現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現(xiàn)遙控、程控和計算機(jī)控制，便于組成自動控制系統(tǒng)。（4）半導(dǎo)體制冷元件熱慣性小，制冷制熱時間快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電約1分鐘，制冷單元就能達(dá)到最大溫差。有利于縮短試驗時間，提高試驗效率。（5）半導(dǎo)體制冷單元的單個元件功率很小，但用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成熱交換系統(tǒng)，制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。溫差范圍，從90℃到-130℃都可以實現(xiàn)，滿足試驗對溫度變化要求。因而采用半導(dǎo)體制冷器組成的熱交換系統(tǒng)來給模型提供冷熱變化。

3 凍融離心模型試驗裝置設(shè)計

整個裝置主要由凍融模型箱、熱交換系統(tǒng)和自循環(huán)冷卻系統(tǒng)（包含水箱、水泵、風(fēng)冷散熱器、管路）等部分組成［3］，見圖1。

圖1 安裝于試驗平臺上的凍融試驗裝置

3.1 凍融模型箱設(shè)計凍融離心試驗?zāi)Ｐ拖鋺?yīng)具備良好保溫性能，用以降低試驗中的溫度損失，保證試驗順利進(jìn)行，同時降低熱交換系統(tǒng)的能耗。因而將凍融模型箱設(shè)計成具有內(nèi)箱、外箱及中間層的結(jié)構(gòu)，內(nèi)箱由熱傳導(dǎo)率低的材料構(gòu)成，外箱由金屬材料（常溫條件下模型箱）制成，用于固定、支撐內(nèi)箱；內(nèi)、外箱之間的中間層則由保溫材料構(gòu)成，以增強(qiáng)模型箱整體的保溫性能。模型箱下部設(shè)計有避免溫度損失的排水孔結(jié)構(gòu)，見圖2。

為避免熱交換系統(tǒng)與外模型箱直接接觸導(dǎo)致熱量損失，將保溫材料、熱交換系統(tǒng)等構(gòu)件進(jìn)行合理排布。

（1）內(nèi)箱。為具有一定的保溫性和支撐作用，采用熱傳導(dǎo)系數(shù)較低、厚度25 mm有機(jī)玻璃板制作內(nèi)箱，各板之間緊固聯(lián)接后涂抹密封膠，形成750 mm×450 mm×350 mm的內(nèi)腔。

（2）保溫層。在內(nèi)、外箱之間留50 mm的間隙，填充保溫材料（如聚四氟乙烯），并在間隙內(nèi)用木方進(jìn)行內(nèi)、外箱之間的支撐和固定，防止在離心場下，內(nèi)箱受到土模型作用出現(xiàn)變形、開裂。

圖2 凍融模型箱示意

（3）外箱。外箱采用普通碳素鋼焊接而成，以實現(xiàn)模型箱整體的安裝、固定及對內(nèi)箱的支撐等。另外，其結(jié)構(gòu)還考慮了與熱交換系統(tǒng)的安裝接口等。

3.2 熱交換系統(tǒng)設(shè)計熱交換系統(tǒng)是由一塊鋁質(zhì)換熱底板與聚甲醛箱板形成外形尺寸為850 mm×450 mm×140 mm的密封箱體。根據(jù)內(nèi)箱容積（決定制冷量）與溫度控制范圍要求，確定采用二級半導(dǎo)體制冷器件。在換熱板的內(nèi)表面均勻安裝12個熱功率約300 W的半導(dǎo)體致冷器件。并根據(jù)實驗要求，預(yù)留了位移傳感器安裝孔，供試驗測試使用。

熱交換系統(tǒng)箱體內(nèi)填滿保溫顆粒，減緩制冷器與外界之間的熱量交換過程，從而起到保溫作用。整個熱交換系統(tǒng)安裝在模型箱頂層，鑲嵌于木方及保溫層內(nèi)形成的止口內(nèi)，并與外模型箱隔離，以防止熱量大量流失，如圖3所示。

圖3 熱交換系統(tǒng)

制冷器底部與換熱板接觸的一端排布有很多半導(dǎo)體單元，其與換熱板之間涂有導(dǎo)熱硅脂，以保證溫度穩(wěn)定傳遞。制冷器的另一端設(shè)置有銅質(zhì)的水冷散熱結(jié)構(gòu)，并留有進(jìn)出水管接頭。制冷器結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。熱交換系統(tǒng)的制冷器分為兩組，6個一組，每組共用進(jìn)出水管。

3.3 自循環(huán)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計半導(dǎo)體制冷器是一種溫差器件，對半導(dǎo)體通電，器件一端制冷另一端就會產(chǎn)生熱量，當(dāng)冷端和熱端達(dá)到一定溫差，相互間傳遞的熱量相等時，就會達(dá)到熱平衡。此時冷、熱端的溫度不再變化。為實現(xiàn)更大制冷（熱）量，需采用輔助手段降低熱端溫度（或提高冷端溫度），以達(dá)到持續(xù)調(diào)節(jié)溫度的目的。本裝置中，設(shè)計了水冷卻系統(tǒng)降低熱端溫度，從而得到持續(xù)的降溫效果。

由于TLJ-60A型離心機(jī)設(shè)備本身不具有與地面相連的水循環(huán)結(jié)構(gòu)（如旋轉(zhuǎn)接頭），故熱交換系統(tǒng)采用在轉(zhuǎn)臂上增加由水箱和水泵組成的自循環(huán)水進(jìn)行冷卻。自循環(huán)水能否有效帶走制冷器產(chǎn)生的熱量，是試驗溫度能否成功降至-40℃的關(guān)鍵。

圖4 制冷器結(jié)構(gòu)示意

冷卻水箱安裝在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂上，水箱采用不銹鋼材料焊接成形。水箱設(shè)有進(jìn)出水口，為滿足離心場下供水需求，特配置二組微型高壓水泵，單個水泵可產(chǎn)生最大輸出壓力1.1 MPa和出口7 L/min的流量，通過輔助管路與制冷器進(jìn)出水口相連，形成自循環(huán)水冷卻。

由于水箱容積有限（約50 L），制冷器的總產(chǎn)熱功率約3 600 W，長時間工作時，循環(huán)水因自身溫度的逐漸升高而冷卻能力降低，就無法滿足后期的降溫要求。為解決此問題，在自循環(huán)回路中配置一組功率適當(dāng)?shù)娘L(fēng)冷散熱器，并使散熱葉片迎風(fēng)面與離心機(jī)轉(zhuǎn)動方向一致，這樣就可以利用離心機(jī)旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)臂與周圍空氣速度差產(chǎn)生的高速氣流帶走自循環(huán)水的熱量，使循環(huán)系統(tǒng)水溫始終保持在允許范圍內(nèi)，以滿足控溫需求。

自循環(huán)冷卻系統(tǒng)由水箱、高壓水泵、風(fēng)冷散熱器、供回水管路等系統(tǒng)組成，如前面圖1所示。

4 凍融離心模型試驗裝置測試

凍融離心模型試驗前，按土工離心試驗?zāi)Ｐ椭谱饕笤趦鋈谀Ｐ拖鋬?nèi)制作試驗土工模型，確保土工模型頂部與熱交換系統(tǒng)底部的換熱板之間距離在10～100 mm范圍內(nèi)。

將熱交換系統(tǒng)安裝在凍融模型箱頂部，并通過熱交換系統(tǒng)傳感器安裝孔固定位移傳感器。

將凍融模型箱整體安裝于離心機(jī)吊籃內(nèi)，并將熱交換系統(tǒng)的制冷器分別與控制系統(tǒng)、自循環(huán)水冷卻系統(tǒng)連接。啟動熱交換系統(tǒng)并在-40℃～30℃范圍內(nèi)設(shè)定凍融模型裝置工作溫度；根據(jù)試驗計劃在1 g～50 g范圍內(nèi)設(shè)定離心機(jī)運行曲線，并啟動離心機(jī)及數(shù)采系統(tǒng)。自循環(huán)水冷卻凍融離心模型試驗裝置50 g試驗數(shù)據(jù)見表1［4］。

表1 50g凍融離心模型制冷試驗

5 結(jié)語

自循環(huán)水冷卻凍融離心模型試驗裝置，設(shè)計的半導(dǎo)體熱交換器和雙層結(jié)構(gòu)凍融模型箱為試驗?zāi)Ｐ吞峁囟葓稣{(diào)節(jié)環(huán)境，同時利用離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時空氣快速流動的特點，設(shè)計了風(fēng)冷散熱器、水箱、水泵等構(gòu)件組成自循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，克服設(shè)備自身無水源限制條件，實現(xiàn)了熱交換系統(tǒng)產(chǎn)生足夠溫度變化的能力，其測試指標(biāo)優(yōu)于技術(shù)預(yù)期。

［1］ 陳湘生，濮家騮，殷昆亭，等.地基凍-融循環(huán)離心模型試驗研究［J］.清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，42（4）：531-534.

［2］ 陳湘生.人工凍結(jié)粘土力學(xué)及凍土地基離心模型試驗［D］.北京：清華大學(xué)，1999.

［3］ 趙寶忠，張鳴雷.凍融離心模型試驗系統(tǒng)研制工作總結(jié)報告［R］.錦陽：中國工程物理研究院總體工程研究所，2014.

［4］ 趙寶忠，張鳴雷.凍融離心模型試驗系統(tǒng)驗收測試報告［R］.錦陽：中國工程物理研究院總體工程研究所，2014.

Abstract：The developing of the frost heave and thaw settlement test equipment is still in the starting peri?od at home yet.Based on the Peltier Effect of semiconductor material，the paper designed a heat exchang?ing system which was installed in a two-layer frost heave and thaw settlement sample box and achieved the goal for frost heave and thaw settlement temperature changing.And also designed is the self-circulating water cooling system built up with water box，pump and wind cooling heat radiator for the lack of ground supported cooling water in the centrifuge，which cooled the self-circulating water by the wind velocity differ?ence of the revolving centrifuge arm with the environment and achieved the frost heave and thaw settlement centrifuge test without ground supported water.The frost heave and thaw settlement centrifuge test result show that the equipment can meet the test requirements.

Keywords：frost heave and thaw settlement centrifuge-model；self-circulating water cooling；semiconductor cooling

（責(zé)任編輯：王成麗）

The development of frost heave and thaw settlement centrifuge modeling test equipment by cooling with self-circulating water

ZHAO Baozhong，HONG Jianzhong，ZHANG Minglei，LI Qing，LUO Zhaoyu，YU Xiaoyong
（The Institute of Systems Engineering CAEP，Mianyang Sichuan China 621000，China）

TH122

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.012

1672-3031（2017）04-0314-05

2017-06-15

趙寶忠（1972-），男，河北唐山人，高級技師，主要從事離心機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)試研究。E-mail：zhaobz@caep.cn