Способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах Советский патент 1993 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к теплофизиче- рким измерениям и может быть использовано для решения широкого класса задач промерзания и оттаивания при проектировании и строительстве зданий и сооружений на мерзлых грунтах.

Цель изобретения - повышение точности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена схема устройства, реализующего способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах; на фиг.2 - изображен график изменения теплового готока, как функция температуры, который вычерчивается на графопостроителе при оттаивании мерзлого грунта; на фиг.З показа- ю изменение температур; оттаивания и

льдистости грунта при изменении суммарной влажности грунта.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец грунта с известным влагосо- держанием W01 до температуры Т0, ниже которой фазовый переход практически не происходит (для большинства грунтов Т0 не превышает-10°С). Далее производят нагрев этого образца и одновременно замеряют количество поступающего тепла. При этом происходит плавление льда и изменение льдистости U(T) образца. Далее определяют температуру оттаивания Ti, при которой весь лед, находящийся в образце, переходит в воду и при этой температуре прекращают замер теплового потока и получают количество тепла Q(Ti), затраченного на от00

СА

ч

Ю

таивание образца от температуры Т0 и Ti. Затем изменяют влажность образца высу- шиванием или насыщением влагой так, чтобы новое значение суммарного влагосодержзния W02 соответствовало зоне интенсивных фазовых превращений для данного типа грунта. Повторяют охлаждение до температуры То- производят нагрев образца, при этом изменение льдистости равно L.2(T), затем определяют температуру оттаивания Та, определяют количество тепла Q{T2), затраченного на оттаивание образца от температуры Т0 и Т2 и вновь меняют влажность образца, а именно, доводят до

следующего значения, расположенного в

зоне интенсивных фазовых превращений. Сопоставив изменение количества тепла, затраченного на оттаивание образца, и изменение льдистости, определяют теплоту фазового перехода связанной воды. Повто- рив эти операции несколько раз и учитывая, что зависимость суммарного влагосодержа- ния от температуры оттаивания аналогична зависимости количества незамерзшей воды

-

от температуры по полученным данным оп ределяют зависимости W0(T) и Q(T), Затем искомую характеристику рассчитывают по формуле:

-

, - с. т - bjffi / w. (т) a аш.;,(}- - - .-

жш

где Ко теплота фазового перехода свободной воды;

Сл.Св.Сгр - соответственно удельная теплоемкость льда, воды и каркаса образца грунта;

Т - температура;

Wo(T) - зависимость суммарного влаго- содержания от температуры оттаивания;

Wo{T) - суммарное влагосодержание грунта, температура оттаивания которого равна 0°С;

Q(T) зависимость теплоты оттаивания; mrp - масса каркаса образца грунта.

Способ поясняется фиг, 1-3.

Устройство, реализующее способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах, содержит теплометрическую ячейку 1, которая пред- ставляет собой пассивный сканирующий ка- лориметр, позволяющий определять температуру и количество теплоты, выделившейся на разных стадиях процесса оттаивания мерзлого грунта 2, помещенного в рабочий объем ячейки. В ячейке установлены датчики теплового потока 3 - тепломеры, представляющий собой батареи последовательно соединенных термопар, Для тепло5 Ю

15

20

25

30

35

40

5

50 55изоляции боковой поверхности ячейка помещена в каркас из пенопласта 4. Такая конструкция ячейки позволяет контролировать весь тепловой лоток, пронизывающий исследуемый грунт. В центре рабочей камеры размещена дифференциальная термопара 5, которая измеряют температуру грунта. Один спай термопары помещен в нуль термостат. Кроме того, устройство содержит усилитель сигнала термопары 6, двухкоор- динатный графопостроитель 7 и самопишущий потенциометр 8.

Термопара 5 подключена к входу усилителя б, выход которого соединен с X входом графопостроителя 8. Датчики теплового потока 3 подключены к самопишущему потенциометру 7 и к Y входу графопостроителя 8.

Способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах осуществляют следующим образом.

Грунт в талом состоянии, с определенным суммарным влагосодержанием W01, предварительно подготовленный согласно существующим методикам, помещают в камеру 2 ячейки. После этого в центр ячейки помещают термопару 5. Ячейку закрывают крышкой и замораживают грунт, охладив до температуры То, ниже которой фазовый переход практически не происходит. Далее ячейку с грунтом помещают в среду с положительной температурой. Происходит отта- ивание грунта, при этом изменение льдистости соответствует функции Li(T). В процессе нагрева с помощью электроизмерительных приборов производят запись показаний датчиков теплового потока и температуры. На графопостроителе производится запись теплового потока как функции температуры q(T), Эта зависимость имеет экстремум, по положению которого определяют температуру оттаивания Тч, при которой в грунте завершается фазовый переход лед-вода. На самопишущем потенциометре регистрируется изменение теплового потока от времени q(t). При достижении температуры Ti запись показаний теплового потока прекращают. По полученным данным рассчитывают количество тепла Q(Ti), затраченного на оттаивание образца от температуры Т0 и Ti. Далее изменяют влажность образца высушиванием или насыщением влагой (в данном примере - высушиванием), так, чтобы новое значение W02 соответствовало зоне интенсивных Фазовых превращений для данного типа грунта. Затем повторяют все операции - охлаждают грунт до температуры Т0, производят нагрев ячейки с грунтом (при этой влажности изменение льдистости соответствует LaCO п° кривой q(T) на графопостроителе определяют температуру оттаивания Та, и по термограмме на самопишущем потенциометре определяют количество тепла Q(Ta), затраченного на оттаивание образца от температуры Т0г до Та. Далее вновь меняют влажность образца, а именно, доводят до следующего значения, расположенного в зоне интенсивных фазовых превращений и повторяют все операции сначала. Проведя испытания несколько раз при различной влажности грунта, по полученным данным определяют зависимости WoOQ и Q(T). Далее по вышеприведенной формуле рассчитывают теплоту фазового перехода связанной воды.

Пример. Данным способом определяли теплоту фазового перехода связанной воды в мерзлом каолине. Определение проводилось в следующей последовательности,

1.В лабораторных условиях в талом состоянии был подготовлен грунт с влажностью Woi 50%. Уплотненный грунт поместили в ячейку, затем в него установили термопару.

2.Взвешиванием определили массу ячейки с грунтом m 128,4 г.

3.Ячейку с грунтом охладили в холодильнике до температуры Т0 -4°С. Замораживание длилось в течение 3,5 часов,

4.Ячейку извлекали из холодильника и производили нагрев грунта. Одновременно вели регистрацию показаний датчиков температуры и теплового потока на графопостроителе и потенциометре. По достижении функцией qfl), регистрируемой графопостроителем, максимума, испытания прекращали. По положению максимума определили температуру оттаивания грунта

Ti -0,29°C.

5.С термограммы, записанной потенциометром, снимали данные и заносили в табл.1.

6.По полученным данным вычисляли количество теплоты Q(Ti), затраченное на от- таивание грунта от температуры Т0 -4°С до

Ti -0,29°C. Расчет вели по формуле:

N - 1

Q(t) h Ј (qi + qi+i), qi a E(, 1 1

где a 0,00558 Дж/мВ с - коэффициент датчиков теплового потока ячейки;

EI - показания датчиков теплового пото- ка, мВ;

| N - количество точек замера экспери- |ментальных данных; h - временной шаг, сек.

Полученное значение количества теплоты Q(Ti) 61,9 кДж/кг.

Из проведенного эксперимента значения W01, Ti, Q(Ti) заносили в таблицу 2.

7.Изменили влажность грунта. Для этого открыли крышку ячейки и высушивали грунт в течение 1 часа при температуре +20°С, Ячейку закрыли крышкой и взвесили: m 128,2 г. Определили полученную влажность грунта W02 49,2%.

8.Ячейку вновь поместили в холодильник с температурой Т0 -4°С и заморозили грунт.

9.Ячейку извлекли из холодильника и подвергли нагреву. На графопостроителе и потенциометре в ходе этого регистрировали сигналы датчиков температуры и теплового потока. Испытания были прекращены по достижении максимума на кривой q(T), по которому была определена температура оттаивания Тг -0,34°С. По результатам, зарегистрированным потенциометром, заполнили таблицу, подобную 1-й.

10.Рассчитали количество теплоты, затраченное на оттаивание грунта от температуры То -4°С до температуры Т2 -0,34°С:

О.) 60,13 кДж/кг. Полученные значения занесли в таблицу 2.

11.Далее вновь производили изменение влажности высушиванием и повторяли операции, описанные выше. Изменение влажности производили несколько раз с тем, чтобы перекрыть весь диапазон эффективных фазовых превращений для данного типа грунта. Полученные данные вновь заносили в табл.2.

12.Применяя статистическую обработку экспериментальных данных с последующей аппроксимацией, получили зависимости W0(T) и Q0(T)

WofT) 4,2 - 0,778 (1/ТЗ) + 24.1 (1 /Т)

QofT) 85,9 - 57,7 l/T

Полученные функции подставили в приведенную формулу и определили температурную зависимость к (Т):

)И}(-Сл -тСв - 2 Сл W0(0)

/о w0(t)dt)Результаты расчета приведены в табл.3. Формула изобретения Способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах, включающий определение суммарного влагосодержания, нагрев предварительно замороженного до определенной температуры образца грунта и определение температуры оттаивания с последующим вычислением искомой характеристики, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют количество тепла оттаивания, затраченного на нагрев образца от начальной температуры до температуры оттаивания при различных

значениях начальной влажности образца, обеспечивающих нахождение температур оттаивания в зоне интенсивных фазовых превращений, определяют зависимость суммарного влагосодержания и теплоты оттаивания от температуры оттаивания, а искомую характеристику рассчитывают по формуле

Изобретение относится к области тепло- физических измерений и может быть использовано в строительстве npj проектировании сооружений,работающих в условиях замерзания и оттаивание грунтов. Цель изобретения - повышение точности. Исследуемый образец грунта замораживают до фиксированной температуры, нагревают образец до температуры оттаивания, измеряют суммарное алагосодержание и теплоту оттаивания при различной начальной влажности, обеспечивающей нахождение температур оттаивания в зоне интенсивных фазовых превращений, определяют зависимости суммарного влагссодержания и теплоты оттаивания от температуры оттаивания с последующим вычислением искомой характеристики. 3 табл., 3 ил.

-T.-% .а)-те(%Ј + сгрт

w,

W0(0)

ТСЦО тгр

где Х0 - теплота фазового перехода свободной воды;

Сл, Св, Сгр соответственно удельная теплоемкость льда, воды и каркаса образца грунта;

Т - температура оттаивания;

W0(D - зависимость суммарного влагосодержания от температуры оттаивания;

те(%Ј

ТСЦО тгр

W0(0) - суммарное влагосодержание грунта, температура оттаивания которого равна 0°С;

Q(T) - зависимость теплоты оттаивания от температуры оттаивания;

mrp - масса каркаса образца грунта,

Т а б л и ц а 1

Таблица 2

. Таблица 3

3 Тепловой поток

1

ttn-tf

Ф-116

гт

То

Т

Фиг.1

Ч(Т)т8

А

200

т, тг

Фие.З

То Т °С