Способ определения коэффициента теплопроводности снега в условиях естественного залегания снежного покрова

Настоящее изобретение относится к теплофизике и предназначено для определения теплопроводности снега в условиях естественного залегания снежного покрова и может быть использовано при изучении термических свойств снега разной структуры и плотности. Сущность способа заключается в измерении плотности и твердости снега и определении коэффициента теплопроводности снега по эмпирическим зависимостям. Способ определения теплопроводности, включающий измерение плотности и вычисления теплопроводности по эмпирической зависимости, отличающийся тем, что дополнительно измеряется твердость снега и производится определение коэффициента теплопроводности снега по эмпирическим зависимостям:

при 0,15≤ρ≤0,45 и

при 390<Р≤715, λ=0,4219ρ+0,1922;

при 175<Р≤390, λ=0,3824ρ+0,1362;

при 50<Р≤175, λ=0,4021ρ+0,0674;

при 0<Р≤50 и

при 0,2≤ρ≤0,4, λ=0,7398ρ-0,0907;

при 0,15≤ρ<0,2, λ=0,146ρ+0,0281,

где Р - твердость снега, Н;

λ - коэффициента теплопроводности снега, Вт/(м⋅К);

ρ - плотность снега, г/см3.

Технический результат - повышение точности определения коэффициента теплопроводности снега в условиях естественного залегания снежного покрова.

 

Настоящее изобретение относится к теплофизике и предназначено для определения теплопроводности снега в условиях естественного залегания снежного покрова и может быть использовано при изучении термических свойств снега разной структуры и плотности.

Известен способ определения теплопроводности сыпучих и дисперсных материалов, который заключается в предварительном нагреве до требуемой температуры металлической пластины и ее последующем погружении в слой сыпучего материала [Патент РФ 2502988, опубл. 27.12.2013]. Однако для определения теплопроводности снега такой подход не применим, так как приведет к таянию снега или изменению его структуры.

Способ определения теплопроводности керна с применением рентгеновского микрокомпьютерного томографа для сканирования образца керна [Патент РФ 2503956, опубл. 10.01.2014] является дорогостоящим и неприменим для рыхлого снега в условиях естественного залегания снежного покрова.

Более рациональным и дешевым является способ определения теплопроводности сыпучих материалов на примере суглинистых почв, сущность которого заключается в том, что по измеренным параметрам почвы: температуре, объемному весу и полевой влажности вычисляют теплопроводность сыпучего материала по известной эмпирической зависимости [Патент РФ 2046325, опубл. 20.10.1995]. Основным недостатком данного способа является ограниченность применения предлагаемой региональной эмпирической зависимости для суглинистых почв и невозможность ее применения для снега.

В качестве прототипа выбран способ определения теплопроводности снега, сущность которого заключается в том, что по измеренной плотности снега вычисляют теплопроводность снега по известным эмпирическим зависимостям [Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск, Академ. Издат. «Гео», 2008, 230 с. - 124 с.]. Основным недостатком данного способа является точность определения теплопроводности снега при применении предлагаемых эмпирических зависимостей, так как они не учитывают структурные особенности разного типа снега.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уточнение теплопроводности снега в условиях естественного залегания снежного покрова и может быть использовано при изучении термических свойств снега разной структуры и плотности.

Для уточнения теплопроводности снега были разработаны формулы, полученные на основе множественных полевых физических экспериментов по определению влияния твердости снега разной плотности на коэффициент теплопроводности.

Данная задача решается за счет того, что заявленный способ определения теплопроводности, включающий измерение плотности и вычисления теплопроводности по эмпирической зависимости, отличающийся тем, что дополнительно измеряется твердость снега и производится определение коэффициента теплопроводности снега по эмпирическим зависимостям:

при 0,15≤ρ≤0,45 и

при 390<Р≤715, λ=0,4219ρ+0,1922;

при 175<Р≤390, λ=0,3824ρ+0,1362;

при 50<Р≤175, λ=0,4021ρ+0,0674;

при 0<Р≤50 и

при 0,2≤ρ≤0,4, λ=0,7398ρ-0,0907;

при 0,15≤ρ<0,2, λ=0,146ρ+0,0281,

где Р - твердость снега, Н;

λ - коэффициента теплопроводности снега, Вт/(м⋅К);

ρ - плотность снега, г/см3.

Сущность способа заключается в измерении плотности и твердости снега и определении коэффициента теплопроводности снега по эмпирическим зависимостям. Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента теплопроводности снега в условиях естественного залегания снежного покрова.

Снежный покров является важным звеном в теплообмене в системе приповерхностный слой атмосферы - поверхностные покрова - грунты. Его роль в теплообмене определяется его высокой теплозащитной способностью. При ее снижении увеличивается выхолаживание грунта, что защищает многолетнемерзлые породы от деградации при потеплении климата и способствует устойчивому развитию холодных районов. При увеличении теплозащитной способности снежного покрова происходит повышение температуры грунтов, ускоряется деградация многолетней мерзлоты, что угрожает устойчивости зданий, инженерных сооружений и коммуникаций.

Снежный покров в течение холодного периода года претерпевает значительные структурные изменения. Образуется слоистость снежного покрова [Патент РФ 2552859, опубл. 10.06.2015 - способ определения пространственно-временной неоднородности снежного покрова в условиях его естественного залегания]. Каждый слой снежного покрова характеризуется разной плотностью и теплозащитными свойствами. Теплозащитная способность снежного покрова характеризуется его термическим сопротивлением. Значение термического сопротивления снежного покрова зависит от коэффициента теплопроводности снега. Существующие формулы позволяют оценить коэффициент теплопроводности снега в зависимости от его плотности. Однако различия в значениях коэффициента теплопроводности, рассчитанного по разным формулам при одинаковой плотности, превышает 100%. Одной из причин этого являются структурные особенности снега. Теплопроводность снега состоит в основном от двух составляющих - конвективной и кондуктивной теплопроводности, причем вклад последней является преобладающим. Кондуктивная теплопроводность снега зависит от контактов между кристаллами льда. Чем больше площадь контактов, тем лучше происходит передача тепла от одного слоя к другому. Но от связей между кристаллами льда зависят и прочностные характеристики снега, в частности его твердость.

В результате многочисленных экспериментальных исследований на архипелаге Шпицберген получены зависимости теплопроводности снега от его твердости при температуре снега от -3°С до -14°С. Для очень рыхлого, среднего и твердого снега [Международная классификация для сезонно-выпадающего снега (руководство к описанию снежной толщи и снежного покрова). Русское издание - Материалы гляциологических исследований, 2012. Вып. 2. 80 с.] получены эмпирические зависимости теплопроводности снега от его плотности. Сравнение полученных формул с данными других исследований показали, что в диапазоне изменения плотности снега от 150 кг/м3 до 400 кг/м3 полученные зависимости охватывают основной диапазон изменения коэффициента теплопроводности снега.

Для измерения твердости снега применяется зонд Хефели - стержень с конусовидным наконечником (угол раствора конуса - 60°; диаметр основания - 40 мм; вес - 10 Н; метровая секция зонда имеет массу 1 кг), предназначенный для проталкивания его сверху вниз в отложенный снег. Измеренная сила, требуемая для проникновения в снег, является мерой сопротивления снега проникновению.

По диапазону изменения твердости снега, которая измеряется зондом Хефели или ручным индексом прочности, снег делится по Международной классификации на очень рыхлый (твердость 0-50 Н, ручной индекс прочности - в снег проникает кулак), рыхлый (твердость 50-175 Н, ручной индекс прочности - в снег проникают 4 пальца), средний (твердость 175-390 Н, ручной индекс прочности - в снег проникает 1 палец), твердый (твердость 390-715 Н, ручной индекс прочности - в снег проникают острие отточенного карандаша).

Слой глубинной изморози в снежном покрове является «очень рыхлым» по твердости и является причиной схода многих лавин. В качестве примера оценим коэффициент теплопроводности «среднего» снега и глубинной изморози плотностью 0,3 г/см3. По формулам для «среднего» снега λ=0,3824ρ+0,1362 и «очень рыхлого» снега λ=0,7398ρ-0,0907 получим значения коэффициентов теплопроводности 0,251 и 0,131 Вт/(м⋅К). Таким образом, отличие составляет почти 90%, которое по известным формулам не определяется.

Способ определения теплопроводности снега, включающий измерение плотности и вычисления теплопроводности по эмпирической зависимости, отличающийся тем, что дополнительно измеряется твердость снега и производится определение коэффициента теплопроводности снега по эмпирическим зависимостям:

при 0,15≤ρ≤0,45 и

при 390<Р≤715, λ=0,4219ρ+0,1922;

при 175<Р≤390, λ=0,3824ρ+0,1362;

при 50<Р≤175, λ=0,4021ρ+0,0674;

при 0<Р≤50 и

при 0,2≤ρ≤0,4, λ=0,7398ρ-0,0907;

при 0,15≤ρ<0,2, λ=0,146ρ+0,0281,

где Р - твердость снега, Н;

λ - коэффициента теплопроводности снега, Вт/(м⋅К);

ρ - плотность снега, г/см3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплофизическим измерениям в области материаловедения и может быть использовано для определения теплопроводности твердых тел. В заявленном способе исследуемый образец приводят в тепловой контакт по плоскости с нагревателем с одной стороны, а с другой стороны приводят в тепловой контакт по плоскости с теплоприемником.

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для определения темпов изменения температуры пород недр при извлечении или аккумулировании тепловой энергии.

Изобретение относится к области определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций и может быть использовано в строительстве для оценки теплофизических свойств по результатам испытаний в натурных условиях.

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно к способам обогащения различных пород полезных ископаемых по их теплофизическим свойствам, и может быть использовано при сепарации минеральных частиц, в том числе алмазосодержащей породы, на различных этапах.

Изобретение относится к области исследования и анализа технологических сыпучих материалов, в т.ч. пищевых, характеризующихся насыпной плотностью.

Изобретение относится к области технической физики, в частности к тепловым методам исследования материалов. Способ определения удельной теплоемкости сыпучих материалов заключается в том, что герметизируют объем с образцом известной массы, образец приводят в тепловой контакт по плоскости с источниками тепла, подводят тепло к образцу, измеряют температуру источников тепла и их удельную мощность, вычисляют тепловые потоки через образец.

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик анизотропных материалов. Заявлен способ измерения теплофизических свойств анизотропных материалов методом линейного импульсного источника теплоты, заключающийся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде двух массивных пластин, между которыми размещают линейный электронагреватель и измеритель температуры.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения пожароопасных свойств материалов и веществ. Предлагается установка по определению критического значения лучистого теплового потока.

Изобретение относится к стационарным способам определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов. Разработанный способ может применяться в строительстве и теплоэнергетике для исследования теплопроводных качеств сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий на поверхностях плоских источников теплоты.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплопроводности материалов. Согласно заявленному способу исследуемый образец известной толщины через источник теплоты с заданной плотностью теплового потока приводят в тепловой контакт с эталонным образцом, термостатируют при заданной температуре исследуемый и эталонный образец и измеряют температуру.

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению, а именно к приборам для измерения коэффициента теплопроводности волокнистых пищевых продуктов животного происхождения. Устройство для определения коэффициента теплопроводности волокнистых пищевых продуктов животного происхождения состоит из разъемного корпуса, выполненного из теплоизолирующего материала, в нижней части которого установлен теплонагреватель, а на его верхней части установлен холодильник, между которыми в контакте расположены три тепломеры, выполненные в виде плоских медных пластин, между которыми зафиксированы две ампулы. При этом ампула, расположенная между верхней и средней пластинами, предназначена для исследуемого продукта, а ампула, расположенная между средней и нижней пластинами, - для эталонного продукта. На медных пластинах установлены термодатчики, а в ампуле с исследуемым продуктом установлен виброинициатор кристаллизации. В качестве холодильника используют холодильник Пельтье. Технический результат - повышение быстроты и точности определения коэффициента теплопроводности волокнистых пищевых продуктов животного происхождения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Использование: для качественного определения по меньшей мере одного физического и/или химического свойства ламинатной панели. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью устройства мобильной радиосвязи выполняют следующие шаги: а) расположение устройства мобильной радиосвязи на поверхности ламинатной панели, б) измерение по меньшей мере одной физической и/или химической измеряемой величины посредством интегрированного в устройстве мобильной радиосвязи измерительного инструмента и в) по меньшей мере, качественное определение по меньшей мере одного физического и/или химического свойства из измеренной по меньшей мере одной физической и/или химической измеряемой величины. Технический результат: обеспечение возможности быстро и просто определять самим покупателем характеристики ламинатной панели в месте ее продажи. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для измерений теплопроводности относится к устройствам для измерений высоких значений теплопроводности стационарным методом, предусматривающим использование продольного теплового потока в образце исследуемого материала. Предложено устройство для измерений высоких значений теплопроводности методом стационарного теплового потока в образце, содержащее термостат, охлаждающий один конец исследуемого образца и обеспечивающий постоянство заданного значения его температуры; нагреватель, размещенный на другом конце образца; датчики, измеряющие разность температур на образце и подключенные к измерителю их сигналов. Причем устройство также содержит подключенную к источнику питания и выполняющую функцию термостата первую батарею Пельтье, на поверхности которой последовательно расположены и плотно прижаты друг к другу датчик теплового потока, пластина-концентратор теплового потока с первым датчиком температуры, образец с окружающей его теплоизоляцией, контактная пластина со вторым датчиком температуры, вторая батарея Пельтье, также подключенная к источнику питания и выполняющая функцию нагревателя. Технический результат - повышение точности измерения высоких значений теплопроводности твердых тел с гарантированной достоверностью полученных результатов без привлечения к процессу измерений образцов с известными значениями теплопроводности. 1 ил.

Изобретение относится к технологии измерения тепловых потоков между твердой поверхностью и текучей средой и может быть использовано в теплофизическом эксперименте при исследовании теплоотдачи. Способ заключается в том, что для экспериментального определения коэффициента теплоотдачи на границе текучая среда - твердая поверхность выполняется предварительный нагрев теплообменной поверхности (1), выполненной из неэлектропроводного материала, при пропускании тока большой величины через электропроводный слой (2) - тонкую металлическую фольгу с высоким температурным коэффициентом сопротивления, наклеенную на эту поверхность. В потоке охлаждающей среды измеряется темп охлаждения теплообменной поверхности (1), для чего через фольгу (2) пропускается ток минимальной величины, достаточной для измерения ее электрического сопротивления, по величине которого определяется температура фольги методом термометра сопротивления. Коэффициент теплоотдачи определяется по темпу охлаждения теплообменной поверхности (1) методом регулярного режима. Предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяет снизить погрешность определения коэффициента теплоотдачи за счет использования одних и тех же элементов для нагрева теплообменной поверхности и измерения ее температуры, а также трудоемкость проведения опытов, т.к. нагрев осуществляется без переустановки объекта. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к системам контроля эффективности работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования жилых, общественных и административных зданий и может быть использовано при проектировании, реконструкции и оптимизации режимов работы указанных систем, а также при разработке и внедрении энергосберегающих мероприятий. В способе оценки комфортности микроклимата в помещениях жилых, общественных и административных зданий, заключающемся в измерении в помещении температуры воздуха, относительной влажности, подвижности воздуха, температуры окружающих поверхностей, предварительно определяют преимущественный тип и характеристики выполняемой работы, а также сопротивление теплопроводности преимущественного типа одежды людей, дополнительно измеряют температуру поверхности одежды человека, концентрацию диоксида углерода в воздухе обследуемого помещения и в наружном воздухе, вычисляют составляющие уравнения теплового баланса человека, определяют коэффициент комфортности теплового состояния человека k1, коэффициент радиационного охлаждения k2, коэффициент асимметрии радиационных потоков k3, коэффициент качества воздушной среды k4. Вычисляют уровень комфортности микроклимата по формуле: W=k1⋅k2⋅k3⋅k4, и оценивают уровень комфортности микроклимата по следующей шкале: <-0,5 - холодно, дискомфорт, -0,3÷-0,5 - прохладно, легкий дискомфорт, 0÷-0,3 - прохладно, но комфортно, 0 - комфорт, 0÷0,3 - тепло, но комфортно, 0,30÷0,5 - тепло, легкий дискомфорт. Технический результат - повышение точности определения уровня комфортности помещений жилых, общественных и административных зданий.

Изобретение относится к термометрии, а именно к области измерения теплофизических свойств ограждающих конструкций зданий, строительных сооружений и других инженерно строительных объектов, где необходимо определение количественных теплофизических характеристик. Переносной автоматизированный комплекс для определения теплофизических свойств содержит источник тепла, соединенный с программируемым реле, подключенным к персональному компьютеру и аналоговым датчикам температуры, равномерно расположенным по периметру внутренней стороны исследуемого объекта. Беспроводные датчики температуры равномерно расположены по периметру внешней стороны исследуемого объекта с возможностью передачи данных на персональный компьютер. Технический результат – повышение информативности получаемых результатов измерений за счет того, что комплекс позволяет установить фактические коэффициенты сопротивления теплопередачи и теплосопротивления для всего исследуемого объекта в целом с учетом всех неоднородностей строительных материалов оградительных конструкций с высокой достоверностью результата за счет получения реальных значений в ходе эксперимента для каждого отдельного объекта с учетом его специфических особенностей, уменьшение длительности и увеличение скорости проведения исследования за счет упрощения конструкции и мобильности комплекса. 1 ил.

Предлагаемый способ относится к области информационно-измерительной техники и может быть использован для предотвращения пожаров на объектах энергетики и других отраслей промышленности. Предложен способ определения концентрации компонента в двухкомпонентной газовой смеси, помещенной в измерительной камере, основанный на использовании теплопроводности контролируемой газовой смеси, сначала вычисляют массу m контролируемого компонента в газовой смеси по формулеm=ρ vк (λсм1+λсм2-λсм12)/λсм2,где ρ - плотность контролируемого компонента, vк - объем камеры, λсм1 - теплопроводность первого компонента, λсм2 - теплопроводность второго контролируемого компонента, λсм12 - теплопроводность газовой смеси. Затем с учетом массы одной молекулы контролируемого второго компонента, определяют концентрацию искомого параметра. Технический результат - повышение точности измерения концентрации компонента в двухкомпонентной газовой смеси. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тепловому неразрушающему контролю объектов, и может быть использовано для технической диагностики качества неоднородных конструкций, например зданий и сооружений, по сопротивлению теплопроводности в условиях нестационарных внешних воздействий. Способ включает измерение температуры на наружной и внутренней поверхностях многослойной конструкции и теплового потока на внутренней ее стороне, накопление по каждому измерению значений температуры на противоположных сторонах многослойной конструкции и значения теплового потока на внутренней и наружной сторонах. В процессе накопления значений температуры и теплового потока измеряют за каждый период изменения наибольшее и наименьшее значения температуры и тепловых потоков на внутренней и наружной поверхностях многослойной конструкции, измеряют среднюю величину наибольшего и наименьшего значений температуры и теплового потока за период измерения, измеряют диапазон изменения наибольших и наименьших значений температуры и теплового потока на наружных и внутренних поверхностях многослойной конструкции с вероятностью 0,95. Ограничивают максимальные и минимальные значения измеряемых температуры и тепловых потоков и определяют сопротивление теплопередаче R многослойной конструкции в точке контролируемого участка поверхности исследуемого объекта с координатами Х0, Y0. Технический результат - повышение достоверности и производительности определения качества исследуемого объекта в нестационарных условиях теплопередачи за счет исключения влияния на результаты внешних мешающих факторов. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для определения параметров стационарного и нестационарного теплообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда». Заявлен аппаратный комплекс для оценки теплотехнических параметров текстильных материалов, включащий физическую модель элемента тела человека в виде герметичной цилиндрической емкости с рабочей жидкостью, оснащенной внутренним нагревателем и регулятором температуры; систему моделирования потоотделения, состоящую из термостатированного резервуара с жидкостью и насоса, подающего жидкость на рабочую поверхность с помощью трубопровода, коллектора и распределительных игл; систему непрерывного контроля мощности, потребляемой нагревателем; первичные преобразователи температуры, подключенные к регуляторам температуры для ее непрерывного контроля; средства измерения длительности импульса подачи энергии в рабочий объем и времени между моментами повторных включений нагревателя. Причем аппаратный комплекс дополнительно содержит систему автоматизации испытаний. Модель элемента тела человека выполняется в виде цилиндрического резервуара, к фланцу которого через герметизирующую прокладку прикреплено дно с электронагревателем и измерителем температуры, электронагреватель имеет спиралевидную форму, что обеспечивает более равномерную температуру рабочего объема и рабочей поверхности модели элемента тела человека. Система непрерывного контроля мощности выполнена в виде ваттметра с цифровым выходом, а измеритель температуры рабочего объема выполнен в виде полой трубки длиной не менее 0,5 м из влагостойкого материала, хорошо проводящего тепло, со штуцером и оснащен не менее чем четырьмя первичными преобразователями температуры с цифровым выходом, равномерно размещенными по высоте трубки, пустоты между которыми заполнены мелкодисперсным материалом высокой теплопроводности, например кварцевым песком. Технический результат - повышение качества моделирования эксплуатационных условий и точности измерения теплофизических свойств текстильных. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Использование в строительстве для оценки теплозащитных свойств по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях. Сущность способа определения временного интервала при проведении натурных теплофизических исследований наружных стен зданий, выполненных из кирпича, при котором в толще стенового ограждения возникают условия квазистационарного режима теплопередачи, включает измерение температуры наружного и внутреннего воздуха, температуры внутренней и наружной поверхности стены, температуры в 5 точках путем размещения датчиков на равных расстояниях в толще стены. По результатам измерений строится график, на котором выделяются промежутки времени tстац, в период которых амплитуда колебаний температуры наружного воздуха не более 2°С и длительность которых не менее времени тепловой инерции стены. Находится время прохождения tν ближайшего локального экстремума температур от наружной до внутренней поверхности стены. Исключается из начала выделенного промежутка tстац период времени, равный tν. Дальнейшие операции проводятся с оставшимся промежутком tстац 1. В случае, если tν>tстац, данный интервал исключается из рассмотрения. Задаемся допустимой погрешностью Δtтреб. Проверяется условие Δt≤Δtтреб для каждого результата измерения. Если условие не выполняется, данный результат исключается из временного интервала tстац 1. Если доля исключенных результатов превышает значение Δtтреб, данный интервал tстац 1 не подходит для определения сопротивления теплопередаче, рассматривается следующий интервал. Технический результат - расширение диапазона определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций. 5 ил.
Наверх