Установка для определения коэффициента фильтрации пористых материалов Российский патент 2023 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к исследованиям свойств материалов, в частности, к определению коэффициента фильтрации пористых материалов.

Известен способ (патент RU 2 276 780 C2, G01N 15/08, опубл. 20.05.2006) определения коэффициента фильтрации горных пород, при этом наблюдение за образцом ведется через открытую с обоих концов трубку, выполненную из прозрачного материала, в которой герметично закреплен образец и помещенную в емкость с жидкостью, а расчет коэффициента фильтрации осуществляют по формуле для радиальной фильтрации.

Известен способ (SU 1 804 610 A3, G01N 15/08, опубл. 23.03.1993) определения фильтрационных характеристик горных пород, предполагает, что при центрифугировании на каждом режиме числа оборотов ротора центрифуги проводят серию опытов с различной по величине и постоянной во времени в пределах каждого опыта подачей жидкости в образец породы, при которых производят замер расхода жидкости.

Известен прибор (SU 1 026 039 A1, G01N 15/08, G01N 33/24, опубл. 30.06.1983) для определения коэффициента фильтрации грунта. Технический результат прибора достигается за счет вывода баланса уровня жидкости между напорным бачком и давлением грунтовых вод. Данный прибор включает в себя тонкостенный стакан с острой режущей кромкой, щупа, стенки которого имеют ряд сквозных отверстий.

Наиболее близким техническим решением является прибор для определения коэффициента фильтрации образцов из дренирующей асфальтобетонной смеси (патент RU 148806 U1, G01N 15/08, опубл. 20.12.2014), включающий трубу, переходник, кран, резиновую муфту и выпускной патрубок, при этом труба имеет градуировку и выполнена меньшего диаметра, а переходник выполнен из трех частей, соединенных при помощи резьбового соединения, так же, внутри верхней части переходника, по периметру, расположена горизонтальная ступень для установки градуированной трубы с образцом.

Однако данный прибор не обладает достаточной точностью измерения уровня жидкости, отсутствует регистрация массы фильтрационной жидкости и проточной жидкости.

Сущность изобретения заключается в том, что установка для определения коэффициента фильтрации пористых материалов, характеризующаяся содержанием резервуара для жидкости с электрическим водяным насосом, питающимся от источника постоянного тока, соединенного с сосудом в виде трубы с выполненным в стенке трубы прозрачным окном с градуировкой, который соединен переходным патрубком со вторым сосудом меньшей высоты, при этом второй сосуд снабжен выпускным патрубком, выходящим на емкость для жидкости, расположенную на электронных весах.

Техническим результатом является повышение информативности исследований.

Данный технический результат достигается тем, что используется две сообщающиеся емкости, лабораторный блок питания, электрический насос и весы, благодаря которым возможна регистрация уровня жидкости, и контроля скорости проточной жидкости, по которым рассчитывают коэффициент фильтрации.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема установки.

Установка включает в себя резервуар 1, из которого электрический водяной насос 2 забирает жидкость. Электрический водяной насос 2 запитывается от источника постоянного тока 3. Жидкость подается в первый сосуд 4, который представляет собой открытую сверху цилиндрическую трубу из поливинилхлорида с внутренним диаметром 78 мм, высотой 540 мм и толщиной стенок 2 мм, в стенке трубы выполнено градуированное прозрачное окно с нанесенной шкалой 5 в миллиметрах, для измерения высоты столба жидкости h, высотой 315 мм и шириной 7 мм. Сосуд 4 соединен переходным патрубком 6 со вторым сосудом меньшей высоты 7, с внутренним диаметром 78 мм, высотой 450 мм и толщиной стенок 2 мм, выполненной из поливинилхлорида, соединенной переходным патрубком, длиной 150 мм и диаметром 10 мм, в котором размещен выпускной патрубок 8, длиной 75 мм и диаметром 20 мм., образующих между собой систему сообщающихся сосудов. Выпускной патрубок 8 выходит на емкость для исследуемой жидкости 9, размещенную на электронных весах 10. Для замера исследуемой жидкости используется секундомер (не указан на чертеже). Резервуар 1, насос 2 и первый сосуд 4 соединены трубкой 11.

Установка работает следующим образом.

Перед началом работы установки, в первый сосуд 4 устанавливается образец. Образец жестко закрепляется таким образом, чтобы верхняя плоскость образца находилась параллельно нижней границе выпускного патрубка 8 (как показано на чертеже).

В то время, когда электрический водяной насос 2 выключен, уровень жидкости в первом сосуде 4 находится на верхней плоскости измеряемого образца, а во втором сосуде 7 на одном уровне с отверстием выпускного патрубка 8.

Во время проведения измерения, водяной насос 2 запитывается от источника постоянного тока 3. Напряжение и сила тока задается таким образом, чтобы соответствовать техническим характеристикам насоса 2.

После установки образца, в сосуд 4 по трубке 11 набирается жидкость до верхней плоскости образца через верхнее отверстие первого сосуда 4. Для этого насос 2 забирает жидкость из резервуара 1 и наполняет первый сообщающийся сосуд 4, а через его градуированное окно 5 контролируется высота столба жидкости. При этом скорость подачи жидкости постоянна.

Жидкость проходит через переходной патрубок 6, попадает во второй сосуд 7. спустя какое-то время, скорость оттока из выпускного патрубка 8 сосуда 7 выравнивается со скоростью наполнения насосом 2 первого сообщающегося сосуда 4. После этого, одновременно сбрасывается значение электронных весов 10 и включается секундомер, что позволяет замерить количество жидкости, попадающей в емкость 9 и рассчитать коэффициент фильтрации.

Данный коэффициент входит в интегральную форму закона Дарси:

где - скорость потока (м³/с), - коэффициент проницаемости пористой среды (м²), - площадь сечения (м²), - динамическая вязкость жидкости (Па·с или ), L - толщина пористой среды (м), - падение давления (Па или ).

Закон Дарси в интерпретации Био (1941):

где - объём жидкости, протекающий через единичную площадь за единицу времени (), k - коэффициент проницаемости среды Био, - вектор поровых давлений жидкости (Па). Чтобы определить размерность коэффициента проницаемости среды Био, выразим его через V и σ.

При помощи тривиальных преобразований и действий над размерностями представленных выше величин можно легко найти связь между коэффициентом проницаемости Дарси и коэффициентом фильтрации Био:

где - коэффициент фильтрации (м/с), - плотность жидкости (кг/м³), - ускорение свободного падения (м/с²).

Подставляя (3) в (1) получаем формулу для экспериментального определения коэффициента фильтрации:

Используя предложенную модель, можно допустить следующее упрощение:

Далее подставляем (5) в (4) и получаем формулу для расчета коэффициента фильтрации из результатов описанного выше эксперимента:

где t – время, h – измеренная высота столба жидкости, А – площадь сечения исследуемого материала, L – толщина исследуемого материала, V – объем жидкости, вытекшей в емкость 9 за время t. Объем рассчитывается из массы, полученной на весах 10 с использованием поправки на температуру воздуха в помещении, где проводился эксперимент.

Преимуществами предлагаемой установки является то, что фильтрация происходит через всю поверхность зоны фильтрации, что позволяет определять проницаемость по всей поверхности образца, возможность измерения расхода фильтрационной жидкости без водопроводной и канализационной сети, возможность использования проточной жидкости, и возможность замера массы фильтрационной жидкости, обеспечивая высокое качество измерений для пористых материалов.

Эксперимент проводился с губкой для тонкой фильтрации. В качестве жидкости использовалась дистиллированная вода. В процессе эксперимента, для каждого следующего измерения, изменялись сила тока и напряжение, подаваемые на насос, таким образом изменялось давление, действующее на губку.

Результаты экспериментов представлены в таблице. При наполнении водой, толщина губки изменилась, поэтому были рассчитаны два коэффициента фильтрации kf_1и kf_2, соответствующие толщине губки в сухом виде и после пропитывания водой. Площадь сечения, по понятным причинам, не изменялась. Точность определения коэффициентов kf_1и kf_2 представлена в таблице. Всего было произведено 24 измерения.

Таблица

Данные с экспериментально измеренными величинами и рассчитанным коэффициентом фильтрации

Изобретение относится к исследованиям свойств материалов, в частности, к определению коэффициента фильтрации пористых материалов. Установка для определения коэффициента фильтрации пористых материалов характеризуется содержанием резервуара для жидкости с электрическим водяным насосом, питающимся от источника постоянного тока, соединенного с сосудом в виде трубы с выполненным в стенке трубы прозрачным окном с градуировкой, который соединен переходным патрубком со вторым сосудом меньшей высоты, при этом второй сосуд снабжен выпускным патрубком, выходящим на емкость для жидкости, расположенную на электронных весах. Техническим результатом является повышение информативности исследований. 1 ил., 1 табл.

Установка для определения коэффициента фильтрации пористых материалов, характеризующаяся наличием резервуара для жидкости с электрическим водяным насосом, питающимся от источника постоянного тока, соединенного с сосудом в виде трубы с выполненным в стенке трубы прозрачным окном с градуировкой, который соединен переходным патрубком со вторым сосудом меньшей высоты, при этом второй сосуд снабжен выпускным патрубком, выходящим на емкость для жидкости, расположенную на электронных весах.