Способ лабораторного исследования теплопроводности мерзлого грунта Советский патент 1993 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью электри- средств и может быть применено, в частности, к способам лабораторного исследования теплопроводности мерзлого грунта

Образцы грунтов нарушенного сложения приготовляют из равномерно увлаж- ненного до заданной влажности и уплотненного до необходимой плотности, после чего образцы, с предварительно введенными в них спаями термопар, промораживаются при температуре ниже минус 10°С в течение времени, обеспечивающего полное замораживание, и дополнительно выдерживают при этой температуре в течение 6 -8 ч При испытании грунтов термос прибора заполняется охладительной или криогидрат- ной смесью с температурой не выше минус 20°С. В бачок теплоприемника наливается незамерзающая жидкость (спирт, керосин). Прибор закрывают крышкой, включают мешалку и доводят температуру в теплоприем- нике до температуры охладительной смеси с точностью до 0,1°С. Во время проведения опыта ведут наблюдения за изменениями во времени разности температур между образцом и теплоотводящей жидкостью в теплоприемнике с помощью гальванометра присоединенного к выводам дифференциальной термопары.

со ю ел о

Коэффициент температуропроводности рассчитывается по формуле:

0,006 , . м2/с .

где г - темп охлаждения;

кф - коэффициент формы калориметра. Затем определяется коэффициент теплопроводности грунта по формуле

Я а-С-уо. Вт/(м-К)

где с - удельная теплоемкость грунта, Дж/(кг -К);

у0 - плотность образца, кг/м .

Недостатком данного способа является то, что он требует применения охладительных или криогидратных смесей, незамерзающих жидкостей, относящихся к вредным веществам, а также определения удельной теплоемкости грунта при температурах, аналогичных температурам проведения опыта. Кроме того, процесс определения коэффициента теплопроводности длителен по времени, и не гарантирует точного определения искомой характеристики грунта.

За прототип принят способ лабораторного исследования теплопроводности мерзлого грунта по методу стационарного теплового режима, в котором исследуемый образец помещают в форму, промораживают, а затем фиксируют термоЭДС грунта.

Исследования ведут с помощью прибора, состоящего из плоского электронагревателя и малоинерционного тепломера, устанавливаемого на расстоянии 2 см от поверхности холодильника, представляющего собой ванночку с проточной незамерзающей жидкостью постоянной отрицательной температуры, регулируемой термостатом с точностью до 0,1°С. На поверхности образца заложены термопары. Прибор помещен в металлический кожух, заполненный теплоизоляцией. Нагреватель, тепломер и холодильник имеют форму круга диаметром 20-25 см. Подготавливается образец грунта по размерам прибора с заданной влажностью и плотностью и выдерживается в холодильной камере до полного промораживания образца при температуре ниже минус 10°С. Подготовленный образец помещают в прибор, обращая внимание на то, что основания образца мерзлого грунта должны быть плоскими и строго параллельными между собой. Терморегуляторы нагревателя и термостата холодильника устанавливаются на заданные значения температуры опыта и включают ток электронагревателя.

10

15

Разница температур должна быть не менее 5°С. Через 3-4 ч после включения нагревателя производят периодические отсчеты термоЭДС тепломера по потенциометру. После установления стационарного режима,, что соответствует постоянству отсчетов в течение 30 мин и более с точностью до 0,05 Мв, записывают показания термопар, установленных на поверхности образца. После окончания измерений образец грунта взвешивают с точностью до 0,01 кг и отбирают не менее 3 проб для определения влажности грунта, а также определяют плотность образца.

Вычисление коэффициента теплопроводности мерзлого грунта ведут по формуле

20

,- Вт/(м-К)

(3)

где h - толщина образца в мм;

Vi - установившаяся температура поверхности образца со стороны нагревателя, в°С;

V2 - установившаяся температура поверхности образца грунта со стороны холодильника, в °С;

q - количество тепла, проходящего через единицу поверхности образца в единицу времени при установившемся тепловом потоке, определяемом как

q VR Вт/м

(4)

5

0

5

0

5

где Е - измеренная по потенциометру ЭДС термобатареи тепломера в Мв;

V- постоянная тепломера, в Вт/(м2 Мв).

Недостатком данного способа является то, что прибор сложен в конструктивном выполнении, проведение опыта требует значительного времени, точного соблюдения геометрических параметров образца, температурного режима проведения испытаний, применения стабилизирующих веществ и охлаждающих жидкостей, не обеспечивает высокой точности определения коэффициента теплопроводности мерзлого грунта, а также сложно в технологическом отношении выполнения исследований.

Целью изобретения является- повышение точности исследований, упрощение технологии.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе лабораторного исследования теплопроводности мерзлого грунта, в котором исследуемый образец помещают в форму, промораживают и фиксируют изменения электропроводности грунта, грунт разделяют по высоте на несколько слоев заданной толщины, на границе каждого из которых помещают токопро- водники, затем ведут послойное промораживание грунта, фиксируют время промораживания каждого слоя и определя- ют коэффициент теплопроводности мерзлого грунта по формуле:

1

i 1

. мг

,Вт/(м-К)

(5)

где Амг искомый коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, Вт/(м-К);

Я |мг - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта 1-го слоя, Вт/(м-К);

п - количество слоев грунта, для которых определяются 1-е значения коэффициентов теплопроводности.

Такой способ лабораторного исследо- вания теплопроводности мерзлого грунта нам неизвестен.

Существующие способы определения коэффициентов теплопроводности мерзлого грунта либо не позволяют достичь высо- кой точности результатов, либо связаны с применением сложного технического процесса измерений и требуют использования вредных стабилизирующих веществ.

На чертеже приведены схемы осущест- вления предлагаемого способа лабораторного исследования теплопроводности мерзлого грунта:

На фиг.1 способ лабораторного исследования теплопроводности мерзлого грунта в форме, выполненной в виде параллелепипеда.

На фиг.2 - то же, в форме в виде шара.

На фиг.З - то же, в форме в виде цилинДРЭ.

Установка для лабораторного исследования теплопроводности мерзлого грунта включает (фиг.1) форму из органического стекла или текстолита 1 для талого грунта, состоящую из внутренней стенки 2, внеш- ней стенки 3, теплоизоляцию 4, полосу оргстекла или текстолита 5, приклеенную к стенкам 2 и 3 формы 1 для герметизации теплоизоляции 4, датчики тока 6, для регистрации время промораживания 1-го слоя грунта, заключенные в токоизолирующие трубки 7, токопроводник 8. общий для электрической цепи, источник тока 9, амперметр 10 для регистрации изменения силы тока при промерзании очередного слоя исследу- емого грунта 12. переключатель 11 датчиков тока 6, исследуемый грунт 12.

Способ заключается в следующем. В форму 1. выполненную в виде парал- лепипеда, размерами в плане не менее

15x15 см и глубиной не более 5 см, укладывают талый грунт 12, подготовленный с заданной влажностью и плотностью. В форме 1 размещают датчики тока б на фиксированных глубинах ;/1. тр.;/п, заключенные в токоизолирующие трубки 7. Датчики тока 6 подключают к источнику тока 9 и к амперметру 10 в виде электрической цепи, для чего к амперметру 10 подключают общий токопроводник 8.

Исследуемый грунт 12 укладывают в форму 1 с температурой близкой к 0°С, после чего выдерживают некоторое время при этой температуре. Затем на поверхности исследуемого грунта 12 резко изменяют температуру до отрицательной, включают электрическую цепь переключателем 11 датчиков тока 6 на верхний датчик тока 6, одновременно с этим в момент времени t 0 начинают процесс промораживания исследуемого грунта 12 одномерным тепловым потоком с поверхности. Как только промерзнет слой r исследуемого грунта 12, что фиксируется изменение силы тока в электрической цепи, регистрируемое амперметром 10, фиксируют время ti. Одновременно переключателем 11 датчиков тока 6 включают следующий датчик тока 6, размещенный на глубине tp, и фиксируют время замерзания т.2 слоя тр. исследуемого грунта 12. Затем подключают переключателем 11 датчиков тока 6 следующий датчик тока 6, размещенный на глубине tft, фиксируют время промерзания ta слоя з и т.д. до промерзания п-го слоя. Количество слоев должно быть не менее 3.

Коэффициент теплопроводности мерзлого грунта определяют по формуле (5), а коэффициент теплопроводности мерзлого грунта 1-го слоя по формуле

Умг-Wn -L- 2 Vc Ti

, Вт/(м-К)

(6)

где УМГ - плотность мерзлого грунта, в

w л - льдистость мерзлого грунта в долях единицы;

L - удельная теплота плавления льда, в Дж/кг;

1 - толщина 1-го слоя грунта, в мм;

Vc - отрицательная температура, при которой велось промораживание исследуемого грунта (берется по модулю), в °С;

ti - время промораживания 1-го слоя грунта, в с.

В форме по фиг.2 используют верхнюю полусферу 1 из латуни или меди с бортиком 2, нижнюю полусферу 3 из того же материала с

бортиком 2. служащего для соединения полусфер 1 и 3 в форму 11 в виде шара, диаметром 2R.

Датчики тока 4, заключенные в токоизо- лирующие трубки 5 и размещенные в нижней полусфере 3 на фиксированных

расстояниях /1, tjirjn, центральный токопроводник 6, размещенный в центре формы 11, источник тока 7, амперметр 8, регистрирующий изменения силы тока при промерзании очередного слоя rj исследуемого грунта 10, переключатель 9 датчиков тока 4, исследуемый грунт 10.

Способ заключается в следующем.

Талый грунт 10 укладывают с заданной влажностью и плотностью в полусферы 1 и 3. после чего их соединяют, при помощи бортиков 2 в форму 11 в виде шара.

Исследуемый грунт 10 выдерживают в форме 11 некоторое время при температуре 0°С, для приобретения ее всей массой исследуемого грунта Ю. Затем резко изменяют температуру на поверхности формы 11 до отрицательной.

Далее исследования идут аналогично способу по примеру 1, коэффициент теплопроводности мерзлого грунта определяют по формуле (5), а коэффициенты теплопроводности 1-го слоя грунта определяют по формуле:

мг

Mf-Wn-L -R)2VlJfR} Вт/(м.к) (7)

где R - радиус полусферы в м.

В форме по фиг.З используют верхний полуцилиндр 1 из латуни или меди с бортиком 2, нижний полуцилиндр 3 из того же материала с бортиком 2, служащего для соединения полуцилиндров 1 и 3 в форму 12 в виде цилиндра, торцовые стенки 4, датчики тока

5,заключенные в токоизолирующие трубки

6,размещенные в нижнем полуцилиндре 3

на фиксированных расстояниях /i, 772Цг

от внешней стенки полуцилиндра 3, центральный токопроводник 7, размещенный в центре формы 12, источник тока 8, амперметр 9, регистрирующий изменения силы тока при промерзании очередного слоя гц исследуемого грунта 11, переключатель 10 датчиков тока 5, исследуемый грунт 11.

Способ заключается в следующем.

Талый грунт 11 укладывают с заданной влажностью и плотностью в полуцилиндры 1 или 3, после чего их соединяют при помощи бортиков 2 в форму 12 в виде цилиндра и закрывают с торцов стенками 4.

Исследуемый грунт 11 выдерживают в форме 12 некоторое время при температуре

0°С, для приобретения ее всей массой грунта 11. Затем резко изменяют температуры на поверхности формы 12 до отрицательной.

Далее исследования идут аналогично

споробу по примеру 1, коэффициент теплопроводности мерзлого грунта определяют по формуле (5). а коэффициенты теплопроводности 1-го слоя грунта определяют по

формуле

1 Умг Уу1- мг |Vc ti -),Вт/(мК),

4 п5- 2Ч

(8)

где R - радиус полуцилиндра в м.

Были проведены испытания определения теплопроводности мерзлого грунта по

предлагаемому способу лабораторного исследования теплопроводности мерзлого грунта.

Результаты испытаний показали следующее (см. таблицу),

Общее время, затраченное на проведение одного опыта: по заявляемому способу - 3,5 ч; по методу стационарного теплового режима - 8,7 ч.

Время проведения одного опыта не учитывает определение льдистости влажности и плотности образца, т.к. является одинаковым для обеих методов.

Таким образом, сравнение результатов лабораторного исследования теплопроводности мерзлого золошлакового материала Воркутинской ТЭЦ-2 показало, что по заявляемому способу практически отсутствует разброс результатов испытаний в различных опытах и составляет 0,01 Вт/(м

Ю- в т° время как по методу стационарного теплового режима этот разброс составил 0,15 Вт/(м К), что составляет соответственно 0,95% и 13,6% от определенных величин коэффициентов теплопроводности мерзлого грунта и приводит к повышению точности исследований.

Предложение авторов позволяет использовать для проведения исследований простой технологический процесс, заключающийся в промораживании образца грунта, содержит минимум регистрируемых параметров, что позволяет повысить точность определения коэффициента теплопроводности мерзлого грунта и исключает применение при проведении исследований вредных стабилизирующих веществ.

Формула изобретения Способ лабораторного исследования теплопроводности мерзлого грунта, в котором исследуемый образец с заданной влажностью и плотностью помещают в форму, промораживают и фиксируют изменения электропроводности грунта, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности исследований и упрощения технологии, грунт укладывают в форму в виде параллелепипеда, разделяют по высоте на несколько слоев заданной толщины tfl, на границе каждого из которых помещают то- копроводники с датчиками тока, затем ведут послойное промораживание грунта, фиксируют время промораживания ti каждого слоя и определяют коэффициент теплопроводности 1-го слоя грунта Я ыг. а затем рас- считывают теплопроводность грунта Амг по формуле

,,

чмг

,Вт/(м-К),

где п и: 3 - количество слоев грунта, для которых определяются 1-е значения коэффициентов теплопроводности А ыг, при этом в 25

случае заполнения грунтом формы в виде параллелепипеда А|„гопределяется как

. Хмг-vvL- Лмг

5 10 15

0

5

в виде цилиндра как

-№|И-х-Л.

в виде шара как

Г Умг-wLfa - R)2 (2 9 + R) Лмг ,

где умг - плотность мерзлого грунта, кг/м3:

Л/Л - иодистость мерзлого грунта в долях единицы;

L - удельная теплота плавления льда, Дж/кг;

Vc - отрицательная температура, при которой велось промораживание, С;

R - радиус полусферы, М;

г - радиус полуцилиндра, М.

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью электрических средств и касается, в частности, способов лабораторного исследования теплопроводности мерзлого грунта. Способ обеспечивает качественное определение коэффициента теплопроводности мерзлого грунта Способ заключается в том. что талый грунт помещают в форму (параллелепипед, шар, цилиндр) с заданной влажностью и плотностью, грунт разделяют по высоте на несколько слоев заданной толщины, на гра,- нице каждого из которых помещают токо- проводники, а затем ведут послойное промораживание грунта, фиксируют время промораживания каждого слоя по изменению электропроводности грунта и определяют коэффициент теплопроводности мерзлого грунта по формуле ЛмГ 2) 1 1 А|мг/п Вт/м К, где Амг - искомый коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, Аыг - коэффициент теплопроводности мер- злого грунта 1-го слоя, п - количество слоев грунта, для которых определяются 1-е значения коэффициентов теплопроводности, 3 ил , 1 табл. Ј

Коэффициенты теплопроводности мерзлого золошлакового материала Воркутинской

ТЭЦ-2, секция № 3.

Фю1

Qtet

ЙУ/J