Способ комплексного определения теплофизических свойств грунтов Советский патент 1990 года по МПК G01N25/18 

И

ским но п

проектировании

юбретеине относится к теплофизиче- измерениям и может быть использова- ри инженерных изысканиях и зданий и сооружений для районрв Крайнего Севера.

Ц(лью изобретения является повыше- точностти определения теплофизиче- :войств в диапазоне температур С путем обеспечения заданного пе- температуры по толщине образца, эличение мощности источника тепла, замороженный исследуемый ц, в 5...10 раз обусловлено сущест- увеличением эффективной тепло- ги грунтов в области активного го перехода (-5)...0°С, что позволяет

ние ских (-5)..,0 репада Ув

нагревающего образе венны 1 емкое фазовс

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 Ti и на холодной поверхности образца Т2; на фиг. 3 - расчетная схема, используемая при выводе формулы определения козффициента 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 монотон о о

100

ь

м

|

ом режиме с помощью электрического наревателя 4, обеспечивая перепад темепра- ур между нагревателем 4 и стенкой амеры 2 ДТ не менее 0,3°С и не более 1,5°С. Контроль за величиной А Т осуществяется с помощью дифференциальных теропар 5.

Процесс нагрева должен быть органиован так, 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 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, так как если вне зоны активных фазовых переходов обеспечивать перепад температуры не более 1,5°С, то непосредственно внутри этого диапазона при этой же скорости нагрева замерить перепад температур не уда- ется 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 доста- точно надежно определить теплофизиче- ские свойства.

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

г -jill

(1)

где Сэф - кажущаяся объемная теплоемкость грунта,

Т - температура грунта, °С;

Я - коэффициент теплопроводности грунта, 8т/м К;

X, t - пространственная и временная координаты.

Представим профиль температуры в образцеввидепараболы(t)x4c2(t)x+C3(t), (2)

где Ci, С2, Сз - эмпирические коэффициенты. Используем граничные условия

Т Ti(t)- C3-Ti(t),(3)

Т T2(t)(t)вЧ

+C2(t)(t) Отсюда

ci(t )в 2+C2(t )( t )-Ti(t )АТ .

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

(4)

25Я5|х-0 q(t), оХ

(5)

где S - площадь боковой поверхности ячей- J5 км для размещения образца, откуда, используя (2), можно записать

(0-Ш

(6)

Из (3), (4) и (6)

с,(,) (й)).

Дифференцирование по времени коэффициентов Ci, С2, Сз дает

();cU.) ). .

Вновь возвращаясь к (2), можно записать

„„ ат ..1

- Зх

Л

:CVt)x4cUt)+C23(t).

Вычислим эти величины при X О и подставим в уравнение (1);

С эфа1)-Т1( t )-2| ( ) (t) 2ДА/ -liT в2

откуда

). (7)

Необходимо учесть, что образец теплоизолирован (фиг. 3)

C34,q(t) . Отсюда в приближении

.f-TV СэфтЧ1),

где V 2Sb -, полный объем ячейки.

Учитывая это соотношение, (7) преобразуется к окончательному виду

я-в дсо.

: 2AT-V

Способ комплексного определения теп- лофизических свойств грунтов позволяет повысить точность измерений путем полного учета тепловой энергии, идущей на нагрев образца, а также дает возможность определять температурную зависимость

теп.юфизических характеристик, включая зон/ фазового перехода внутрипоровой

ВЛ31ГИ.

Формула изобретения Способ комплексного определения теп- лофизических свойств грунтов, включающий замораживание образца грунта, монотонный его нагрев источником тепла peг страцию теплового потока, входящего в образец, и перепада температуры по его

0

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,в указанном диапазоне температур мощность источника тепла увеличивают в 5...10 раз по отношению к мощности в остальных диапазонах температур.

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.