Устройство для определения газопроницаемости природных сред Российский патент 2024 года по МПК G01N7/10 

Устройство относится к области исследования физических параметров природных сред и может быть использовано в экологии, бриологии и лихенологии для измерения газопроницаемости мхов, кустистых лишайников и торфа, с целью проведения экспериментов в полевых и лабораторных условиях.

Известно устройство по патенту KR 101254737 B1, в котором расходомером для измерения расхода воздуха в образце древесины измеряют продольную проницаемость, поскольку скорость потока больше при том же перепаде давления, чем в случае радиального (радиационного) направления в продольном (усадочном) направлении. Для изучения газопроницаемости древесины нужно обеспечение высокого давления, разницу которого фиксируют манометрами.

Известен способ измерения газопроницаемости материалов SU 750346 A1, согласно которому ячейку, состоящую из двух камер (рабочей и вакуумной) и разделенную испытуемым образцом, вакуумируют, подают газ в рабочую камеру и регистрируют изменение давления в вакуумной камере, отличающийся тем, что с после подачи газа в рабочую камеру изолируют от системы подачи и одновременно с регистрацией изменения давления газа в вакуумной камере регистрируют изменение давления в рабочей камере.

Вышеперечисленные устройства, а также их аналоги, созданы для промышленных испытаний и не подходят для проведения полевых экспериментов. Кроме того, требуют подачи высокого давления и оборудованы манометрами, газопроницаемость вычисляется по перепадам давления между частями устройств.

Техническая задача заключается в создании портативного устройства для определения газопроницаемости природных сред, как в лабораторных, так и в полевых условиях.

Технический результат - создание технической возможности для измерения газопроницаемости природных сред, с возможностью оперативной смены исследуемых образцов, проведения сравнительных испытаний в полевых условиях.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для определения газопроницаемости природных сред состоит из разборного на три части корпуса (1), в верхней части оборудованный разъемом для подключения перезаправляемых газовых баллонов (2), с помощью свинчивания болтового соединения (3) скрепляемый с непроницаемой перегородкой с герметизирующими прокладками (4), через которую проходит сменная колонковая труба (5), заполненная анализируем образцом (6), на противоположных концах сменной колонковой трубы (5) вкручиваются съемные нагревательные элементы (7) и вкручивается съемный вентилятор (8); скрепляемый с нижней частью корпуса (1), которая, как и верхняя часть корпуса (1), оборудована штуцерами для подключения трехходовых диффузионных краников (9) и датчиками газонализатора (10), к которым подключен газоанализатор (11).

Устройство поясняется следующими чертежами:

На Фиг. 1 представлено устройство в двух проекциях, где цифрами обозначены: 1 - корпус; 2 - разъем для перезаправляемых газовых баллонов; 3 - болтовое соединение; 4 - непроницаемая перегородка с герметизирующими прокладками; 5 - сменная колонковая труба; 6 - анализируемый образец; 7 - съемные нагревательные элементы; 8 - съемный вентилятор; 9 - штуцеры для подключения трехходовых диффузионных краников; 10 - датчики газоанализатора; 11 - газоанализатор.

На Фиг. 2 представлено устройство в собранном (А) и разобранном (Б) виде.

Устройство состоит из разборного на три части корпуса (1), в верхней части оборудованного разъемом для подключения перезаправляемых газовых баллонов (2), с помощью свинчивания болтового соединения (3) скрепляемого с непроницаемой перегородкой с герметизирующими прокладками (4), через которую проходит сменная колонковая труба (5), заполненная анализируем образцом (6), на противоположных концах которой могут быть вкручены съемные нагревательные элементы (7) и вкручен съемный вентилятор (8); скрепляемого с нижней частью корпуса (1), которая как и верхняя часть корпуса (1), оборудована штуцерами для подключения трехходовых диффузионных краников (9) и датчиками газонализатора (10), подключенными к газоанализатору (11).

Устройство работает следующим образом.

Анализируемый образец отбирают сменной колонковой трубой (5) в полевых условиях. В зависимости от природных сред (торф, лишайники, мхи и др.) могут использовать колонковые трубы различной длины и диаметров (керны). Для длительной транспортировки сменную колонковую трубу (5), заполненную анализируемым образцом (6), с двух сторон закрывают крышками и герметично заматывают лабораторной пленкой в стыках.

Свинчиванием болтового соединения (3) собирают устройство, состоящее из трех составных соосных частей корпуса (1), таким образом, создают замкнутую систему:

Верхняя часть оборудована разъемом для подключения перезаправляемых газовых баллонов (2) для возможности подачи CO₂, оборудована штуцером для подключения трехходового диффузионного краника (9) и встроенным датчиком газоанализатора (10).

Непроницаемая перегородка с герметизирующими прокладками (4), в которую вставляют сменную колонковую трубу (5), заполненную анализируемым образцом (6), на противоположных концах которой могут быть расположены посредством вкручивания съемные нагревательные элементы (7) и съемный вентилятор (8).

Нижняя часть, которая как и верхняя часть оборудована штуцером для подключения трехходового диффузионного краника (9) и встроенным датчиком газоанализатора (10).

В верхней части с помощью разъема для подключения перезаправляемых газовых баллонов (2) подключают газовый баллон CO₂ и повышают концентрацию CO₂, газоанализатор (11) фиксирует значение концентрации газа C1. За счет перепада давления, расположения верхней части устройства, а также за счет съемного вентилятора (8), газ стремится из верхней части устройства в нижнюю часть устройства, проходя через замедляющий его перемещение анализируемый образец (6), где показатели концентрации газа C2 считываются датчиком газонализатора (10) и фиксируются газоанализатором (11).

Для проведения экспериментов, приближенных к реальным условиям, съемный вентилятор (8) может быть снят, а к сменной колонковой трубе (5), заполненной анализируемым образцом (6), прикручены съемные нагревательные элементы (7). В таком случае, CO₂ подают в нижнюю часть устройства, что позволяет имитировать реальные природные потоки, исходящие от торфа, почвы под воздействием нагрева от солнечных лучей. Также может быть смоделирован восходящий поток воздуха или его отсутствие благодаря съемному вентилятору (8).

Возможно использовать инертный газ, мало распространенный в природных средах, например, гелий. Для регистрации изменений в концентрациях инертного газа через штуцеры с трехходовыми диффузионными краниками (9) отбирают пробы воздуха в верхней и нижней частях устройства в разный период времени при проведении экспериментов. В таком случае, в качестве газоанализатора (11) можно воспользоваться стационарным лабораторным оборудованием с возможностью определения концентрации инертных газов.

Газопроницаемость вычисляют из измерений концентрации газа с использованием формулы для проницаемости горной породы, пористой среды. В природных материалах (торфах, лишайниках, мхах и др.) поры представляют собой каналы, размеры которых значительно превышают длину свободного пробега молекулы газа. Для таких больших отверстий проникновение представляет собой истечение через отверстие и для газов происходит так же, как для жидкостей. На этом основании можно пользоваться этой формулой.

По линейному закону фильтрации Дарси скорость фильтрации газа в пористой среде пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна вязкости:

(1.1)

откуда

(1.2)

где

ν - скорость линейной фильтрации (см/с),

Q - объемный расход флюида (см³/с),

μ - вязкость флюида (сП),

ΔP - перепад давления (атм),

S - площадь фильтрации (см²),

L - длина образца (см),

K - проницаемость (Д).

Газ будем считать идеальным, т.к. давление не превышает 10 атм, и взаимодействием молекул можно пренебречь.

Измеряемой величиной является концентрация газа до и после исследуемого образца.

Перепад давления ΔP=P1-P2 определяется как разность давлений в камере до образца и в камере после образца. Давление газа идеального газа вычисляется из уравнения Менделеева-Клапейрона:

(1.3)

где

n - концентрация газа,

k - постоянная Больцмана,

Т - температура, К.

Скорость линейной фильтрации v можно определить при измерении времени t, за которое концентрации в камерах до и после образца сравняются и станут равными некоторой средней концентрации n_cp. Это будет время, за которое газ пройдет длину (толщину) образца L.

, (1.4)

Вязкость идеального газа вычисляется по формуле Сазерленда в зависимости от температуры:

(1.5)

где

μ - динамическая вязкость (в Па⋅с) при заданной температуре;

μ0 - контрольная вязкость (в Па⋅с) при некоторой контрольной температуре T0;

T - заданная температура в кельвинах;

T0 - контрольная температура в кельвинах;

C - постоянная Сазерленда для того газа, вязкость которого требуется определить.

Для углекислого газа С=240 К, Т0=293,15 К, μ0=14,8 мкПа⋅с.

Эту формулу можно применять для температур в диапазоне 0<T<555 K и при давлениях менее 3.45 МПа с ошибкой менее 10%, обусловленной зависимостью вязкости от давления.

Суммируя вышесказанное, получим итоговую формулу для газопроницаемости:

, (1.6)

где C₁ и C₂ - концентрация углекислого газа в первой и второй камерах, t - время, за которое концентрации в обеих камерах выровняются.

Пример реализации 1.

Был проведен эксперимент по определению газопроницаемости бурого сфагнума (лат. Sphagnum fuscum) при разном содержании воды в образцах. Из высушенных образцов, отобранных в полевых условиях, на ключевом участке возле научной станции Ханымей, было сформировано 3 керна длиной 17 см каждый. Два керна были увлажнены.

В непроницаемую перегородку с герметизирующими прокладками вставляли сменную колонковую трубу, заполненную анализируемым образцом (керн), на сменную колонковую трубу сверху вкручивался вентилятор, части корпуса герметично соединяли болтовым соединением. Для проведения данного опыта были смоделированы условия, приближенные к естественным - углекислый газ подавался снизу вверх, в верхней части создавался турбулентный поток воздуха. Одновременно с подачей CO₂ из газового баллона в нижнюю часть, в верхней части включали вентилятор, запускали запись показателей датчиков газоанализатора.

В результате получали значения и графики изменения CO₂, представленные на Фиг. 3. Результат проведения испытаний в виде графика газоанализатора (А) и графиков после обработки на ПК для сухого (Б), влажного (В) и переувлажненного (Г) мха, где по осям ОХ расположено число измерений n=x*15сек, по оси OY - концентрация CO₂ [ppm].

После проведения серии испытаний, полученные данные обрабатывались на ПК. По формуле (1.6) был произведен расчет газопроницаемости.

Далее представлен подробный пример расчета для образца №2. В данном случае концентрация газа в емкостях представлена в ppm, необходимо конвертировать значения. ΔC в начальный момент времени между первой и второй емкостью равен 4409 ppm. Количество вещества в м³ объема C будет рассчитываться по формуле 1.10, полученной из формул 1.7, 1.8, 1.9:

С [мг/м³]=C [ppm]*M/V_M, (1.7)

где

M - молярная масса CO₂=44.01 г/моль,

V_M - молярный объем = 22.4 литра

C [моль/м³]=C [мг/м³]/M/1000, (1.8)

С [кол-во частиц/м³] = C [моль/м³]*Na, (1.9)

где

Na - число Авогадро = 6.022*10²³

Подставляя значения в полученную формулу (1.6), при ; L=0,17 м; t=15 мин; C=4409 ppm:

Для исключения влияния потока воздуха, для корректного представления результатов, была рассчитана относительная газопроницаемость Sphagnum fuscum [%], где за 100% был принят сухой образец. Результат представлен в таблице 1.

Таблица 1. Исходные и расчетные данные газопроницаемости Sphagnum fuscum

Sphagnum fuscum 1 2 3 масса образца, гр. 22.14 16.36 17.23 масса воды, гр. 0.00 52.54 117.56 % влажности 0.00 321.15 682.30 Температура образца, °С 25.40 22.70 22.70 давление, атм. 1.013 1.013 1.013 газопроницаемость, Дарси 2.829 0.99 0.428 относительная газопроницаемость, % 100.00 34.99 15.13

Пример реализации 2.

Был проведен эксперимент по определению газопроницаемости бурого сфагнума (лат. Sphagnum fuscum) в лабораторных условиях. Сбор устройства проводили аналогично Примеру 1.

В данном случае был смоделирован нисходящий поток CO₂ во время штиля. Поскольку CO₂ тяжелее воздуха, в безветренную погоду он опускается сверху вниз, минуя естественные преграды, в данном случае -сухой бурый сфагнум.

Во время лабораторного эксперимента газ подавался сверху, одновременно с подачей CO₂ из баллона в верхнюю часть, производилась запись показателей датчиков газоанализатором. После проведения серии испытаний, полученные данные обрабатывались на ПК. По формуле (1.6) был произведен расчет газопроницаемости. Результат представлен в таблице 2.

Таблица 2. Газопроницаемость Sphagnum fuscum во время штиля

Sphagnum fuscum 1 2 масса образца, гр. 24.83 16.75 масса колонковой трубы, гр. 45.39 44.89 Температура образца, °С 22.80 24.40 давление, атм. 1.013 1.013 газопроницаемость, Дарси 0.053 0.025

Результатом работы устройства являются данные по абсолютной и относительной газопроницаемости исследуемых сред: мхов, кустистых лишайников, торфа и других. Устройство позволяет оперативно произвести ряд полевых испытаний для различных природных сред благодаря возможности оперативно менять колонковую трубу, а следовательно, и исследуемые образцы, а также позволяет произвести лабораторные эксперименты с кернами, отобранными в полевых условиях при их транспортировке в герметичных емкостях. В лабораторных условиях возможно проведение испытаний с инертным газом.

Список использованных источников

1. KR 01254737 B1 Semi-automatical instrument deivce of permeability for wood 2013-04-26.

2. SU 750346 A1 Способ измерения газопроницаемости материалов 23.07.1980.

Использование: для исследования физических параметров природных сред. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения газопроницаемости природных сред состоит из разборного на три части корпуса, в верхней части оборудованного разъемом для подключения перезаправляемых газовых баллонов, с помощью свинчивания болтового соединения скрепляемого с непроницаемой перегородкой с герметизирующими прокладками, через которую проходит сменная колонковая труба, заполненная анализируемым образцом, на противоположных концах сменной колонковой трубы вкручиваются съемные нагревательные элементы и вкручивается съемный вентилятор, скрепляемый с нижней частью корпуса, которая, как и верхняя часть корпуса, оборудована штуцерами для подключения трехходовых диффузионных краников и датчиками газоанализатора, к которым подключен газоанализатор. Технический результат: обеспечение возможности измерения газопроницаемости природных сред, возможности оперативной смены исследуемых образцов, проведения сравнительных испытаний в полевых условиях. 3 ил., 2 табл.

Устройство для определения газопроницаемости природных сред, состоящее из разборного на три части корпуса, в верхней части оборудованного разъемом для подключения перезаправляемых газовых баллонов, с помощью свинчивания болтового соединения скрепляемого с непроницаемой перегородкой с герметизирующими прокладками, через которую проходит сменная колонковая труба, заполненная анализируемым образцом, на противоположных концах сменной колонковой трубы вкручиваются съемные нагревательные элементы и вкручивается съемный вентилятор, скрепляемый с нижней частью корпуса, которая, как и верхняя часть корпуса, оборудована штуцерами для подключения трехходовых диффузионных краников и датчиками газоанализатора, к которым подключен газоанализатор.