Способ комплексного определения теплофизических свойств грунтов

 

Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения теплофизических свойств замороженных грунтов. Цель изобретения - повышение точности определения теплофизических свойств в диапазоне температур - 5...0°С путем обеспечения заданного перепада температур по толщине образца. Замороженный грунт в процессе испытаний монотонно нагревают источником тепла с одновременным измерением теплового потока, входящего в образец грунта, и перепада температуры по его толщине. В области активного фазового перехода (-5...0°С) мощность источника тепла увеличивают в 5...10 раз по отношению к мощности в остальных диапазонах температур. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l9) (я)з G 01 N 25/18

АРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

НТ СССР

ГОС Д

ПО 3

ПРИ ГК (П л,11:

К АВ

ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

482222/23-25

5,09,88

3.11.90, Бюл. К 43

Государственный научно-исследовакий и проектный институт нефтяной и ой промышленности им. В.И. МуравГ .С.Даниэлян, П. А. Яницкий В.С.ЗайВ.А.Таскаев

36.6(088.8) вторское свидетельство СССР

764, кл. G 01 N 25/02, 1982. ванов В.А. и др, Автоматизированная овка для комплексного измерения тепических свойств и количества незаей воды в протаивающих средах:

ы докладов Всесоюзной научно-исслеельской конференции "Методы и средтеплофизических измерений", тополь, 1987, ч. 1, с, 32-33. уста лофи мерз

Тези дова ства

Сева

И ским но и проек район обретеине относится к теплофизичезмерениям и может быть использовари инженерных изысканиях и ировании зданий и сооружений для в Крайнего Севера.

Ц ние т ских (-5). „0 репад

Ув нагре образ венны емкос фазов (21) (22) (46) (71) тель газо ленк (72) цев (53) . (56)

М93 лью изобретения является повышечностти определения теплофизичевойств в диапазоне температур

С путем обеспечения заданного петемпературы по толщине образца. личение мощности источника тепла, гющего замороженный исследуемый ц, в 5...10 раз обусловлено сущестувеличением эффективной теплоги грунтов в области активного

ro перехода (-5)...0 С, что позволяет (54) СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ГРУНТОВ (57) Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения теплофизических свойств замороженных грунтов. Цель изобретения — повышение точности определения теплофизических свойств в диапазоне температур, (-5)...0 С путем обеспечения заданного перепада температур по толщине образца, Замороженный грунт в процессе испытаний монотонно нагревают источником тепла с одновременным измерением теплового потока, входящего в образец грунта, и перепада температуры по его толщине. В области активного фазового перехода (-5)...0 С мощность источнимка тепла увеличивают в 5...10 раз по отношению к мощности в остальных диапазонах температур. 3 ил. обеспечить заданный оптимальный перепад температуры по толщине образца.

На фиг. 1 приведен пример реализации предлагаемого способа с помощью плоского круглого нагревателя; на фиг. 2 — динамика изменения температуры на поверхности нагревателя Т1 и на холодной поверхности образца Тг, на фиг. 3 — расчетная схема, используемая при выводе формулы определения коэффициента теплопроводности.

Способ осуществляется следующим образом.

Образец 1 грунта делится на две равные части. размещается в ячейке 2 и замораживается. Далее ячейки с мерзлым грунтом размещают в теплоизоляционной камере 3 и осуществляют нагрев грунта в монотон1608537 ном режиме с помощью электрического нагревателя 4, обеспечивая перепад темепратур между нагревателем 4 и стенкой камеры 2 ЛТ. не менее О,З С и не более

1,5 С.. Контроль за величиной ЛT осуществляется с помощью дифференциальных термопар 5.

Процесс нагрева должен быть организован тэк, чтобы в течение всего эксперимента перепад температур между нагревателем и холодной стенкой был в диапазоне 0,3 — 1,5 С, Нижний предел 0,3 С обусловлен точностью измерения температуры существующими датчиками и приборами. Верхний предел температурного диапазона определяется характерными особенностями фазовых переходов влаги в дисперсных материалах и должен быть не более 1,5 С для обеспечения условий однородного фазового перехода влаги во всем объеме, При больших перепадах температуры распределение внутрипорового льда в дисперсных материалах не может быть при. нято однородным во всем объеме, Проведение исследований при постоянной скорости нагрева не решает задачи, тэк как если вне зоны активных фазовых переходов обеспечивать перепад температуры не более 1,5ОС, то непосредственно внутри этого диапазона при этой же скорости нагрева замерить перепад температур не удается из-за его малости. Если ориентироваться на полутороградусный перепад внутри зоны активных фазовых переходов, то вне его при той же скорости нагрева разность температур становится настолько больше, что не позволяет достаточно надежно определить теплофизические свойства.

Расчетная формула для определения теплопроводности грунта находится из решения задачи теплопроводности в одномерной постановке. Уравнение теплопроводности при условии малости перепада температуры грунта AT = Т1 - Т2 в граничных точках х = О, х = Ь (фиг, 3) можно записать в формуле

-гт д 2-ТСэф — = Л дх 2 (1) где Сэф — кажущаяся объемная теплоемкость грунта, Дж/м К;

Т вЂ” температура грунта, С;

Л вЂ” коэффициент теплопроводности грунта, Вт/м К; х, t — пространственная и временная координаты.

Представим профиль температуры в образце в виде параболы т=с 1(t ) 2+<- 2(t ) х+С з(а ), (г ) (6) Способ комплексного определения теплофизических свойств грунтов позволяет повысить точность измерений путем полного учета тепловой энергии, идущей на нагрев образца, а также дает возможность определять температурную зависимость где С1, С2, Сз — эмпирические коэффициенты, Используем граничные условия т I =о = т1(t ) - Сз=т1(t ), (3 )

Т I х=В = T2(t ) С1(t )в + (4 )

+С2(t )в+Со =Т2(t )

Отсюда

C1(t )в +С2(1 ) в =Т2() — T1(t ) =ЛТ

Используем условие, характеризующее приток тепла q(t) в образец

2S Л вЂ” х-о = Ч (t) дТ (5) где S — площадь боковой поверхности ячейки для размещения образца, откуда, используя (2), можно записать

Г2(1 ) = - = ).

Из (3), (4) и (6)

С1(Е) = 2 () — ЛТ).

Дифференцирование по времени коэффициентов С1, С2, СЗ дает

25 С1 = — 2 (— — ЛТ ): С 2(1)=—

С з(т )=Т 1(1 ).

Вновь возвращаясь к (2), можно записать

30 2C1, С 1(t)x +С 2(t)+C з(с). дх

Вычислим эти величины при Х = 0 и подставим в уравнение (1): в2 2$

С ф(т1) Т1()= (1 ЛТ) = о(с 2(Лт откуда

40 .Л,= — 1Т- (С фТ "„(t)). (7)

Необходимо учесть, что образец теплоизолирован (фиг. 3.)

Сэф-q (i ) (V @ ), дТ

Отсюда в приближении д(, — Т 1, СэфТ 1(t)=, дТ 1, 1 q ч где Ч =2Sb — полный объем ячейки.

Учитывая это соотношение, (7) преобразуется к окончательному виду

Л—

1608537 физических характеристик, включая фазового перехода внутрипоровой теп о зон вла и ормула изобретения 5 особ комплексного определения тепических свойств грунтов, включаюзамораживание образца грунта, онный его нагрев источником тепла рацию теплового потока, входящего 10 зец, и перепада температуры по его

Фй2. 5

Составитель В,Марченко

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л.Бескид

Реда

Тираж 497 Подписное дарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., 4/5

Зака енно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Ф

Сп лоф з щи мон т рег ст во ра толщине с последующим вычислением искомых характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения теплофизических свойств в диапазоне температур (-5)...0 С путем обеспечения заданного перепада температуры по толщине образца,e указанном диапазоне температур мощность источника тепла увеличивают в 5...10 раз по отношению к мощности в остальных диапазонах температур.