Устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем Советский патент 1981 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к исследованиям физических свойств дисперсны систем и может быть использовано в мерзлотоведении, гидрогеологии, и женерной геологии, агрофизике и строительной теплофизике дляопреде ления массообменных характеристик капиллярно-пористых тел, например, горных пород, почв. Известно устройство для определе ния массообменных свойств капиллярн пористых систем, реализующих нестационарные условия массообмена 1. Недостатками таких устройств явл ются отсутствие строгого теоретичес кого обоснования методов, принципиальная невозможность получения полной зависимости массообменных свойст от влагосодержания с одного испытуемого образца, ограниченность применения узким диапазоном определения массообменных характеристик испытуемого образца по влагрсодержанию, необходимость наличия и использования эталонных образцов с точно известными массообменными свойствами и др. Известно устройство, основанное на стационарном принципе, которое включает в себя кассету с испытуемым образцом, воздуховод и фитили. Массообмен образца с внешней средой осуществляется путем испарения влаги в воздуховод с открытой поверхности образца, а стационарность режима достигается с помощью непрерывной подачи воды к противоположному торцу образца С23 . Использование в этом устройстве фитилей для подпитывания образца водой не обеспечивает полного и равномерного смачивания его торцовой поверхности , затрудняет точное измерение плотности- миграционного потока влаги, что является причиной недостаточной надежности устройства и : вносит существенную часть погрешностей в результаты определения массообменных характеристик. Кроме того, в устройстве конструктивно не предусмотрена возможность достаточно быстрого демонтажа кассеты с целью незамедлительного послойного определения характера распределения по высоте образца влагосодержания. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения массообмеиных свойств капиллярно-пористых систем, например, горных пород и почв, содержащее предназначенный для размещения образцов цилиндрический корпус с установленными по его высоте датчиками тензиометров и подсоединенную к нему через штуцер мерную трубку для подачи воды к образцу з;;.

Однако это устройство недостаточно надежно и не позволяет получить необходимую точность определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем.

Цель изобретения - повышение точности и надежности определения массо обменных свойств.

Поставленная цель достигается тем что в устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем например, горных пород и почв, содержащем предназначенный для размещения образцов цилиндрический корпус с установленными по его высоте датчиками тензиометров и подсоединенную к нему через штуцер мерную трубку для подачи воды к образ цу, корпус выполнен из соединяемых между собой кольцевых секций, нижняя из которых снабжена установленной над дном корпуса сеткой, между которой и дном расположен штуцер для подсоединения мерной трубки.

На чертеже показана схема устройства для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем.

На основании 1 установлен цилиндрический корпус 2, штатив 3, вентилятор 4 с воздуховодом 5. Корпус предназначен для размещения в нем испытуемого образца 6 и состоит из соединенных между собой кольцевых секций плексиглазовых колец 7, которые при необходимости могут свободно отделяться друг от друга. В нижней секции над дном 8 корпуса 2 установле на металлическая сетка 9, между которой и дном 8 закладывается слой влажного кварцевого песка. Последний предназначен для равномерного увлажнения нижнего торца испытуемого образца б и подачи к нему воды из мерной капиллярной трубки 10, которая-подсоединена к корпусу 2 через штуцер 11, располол енный между дном 8 и сеткой 9. .Сетка 9 предохраняет попадание песка в мерную трубку 10. С помощью трубки 10 можно достаточно точно по скорости движения мениска воды определить плотность миграционного потока влаги в образце б. В корпусе 2 предусмотрены отверстия для ввода тонкопористых керамических датчиков 12 тензиометра, который состоит из прозрачных гибких соединительных трубок 13, заполненных вакуумированной водой, газовых ловушек 14 и вакуумглетров 15, закрепленных на штативе 3. Корпус с испытуемым образцом установлен на домкратике 16 ,с помощью которого верхний торец образца б вводится в ответ)стие воздуховода 5. Вентилятор 4, установленная после него заслонка 17, воздуховод 5, в котором установлены нагреватель 18, термометр 19 и анемометр 20, предназначены, в целом,для создания, регулирования и контроля над испаряющей поверхностью образца потока воздуха заданной скорости и температуры.

Устройство работает следующим образом.

Опыт проводится в три этапа.

Подготовительный этап заключается в том, что дно 8 корпуса 2, расположенного на опущенном домкратике 1& ,эй ло;1ЯМатся слоем отмытого кварцевого песка, капиллярнонасыщенного водой, С помощью резинового патрубка к штуцеру 11 подсоединяется мерная трубка 10, имеющая сливной и налив 1Ой краники. Через наливной кран, при закрытом сливном кране, мерная трубка 10 и соединительный патрубок со штуцером заполняются водой, после чего наливной кран закрывается. Дале на дно 8 ставятся соединенные между собой кольца 7 с вставленным в них образцом 6, высота и диаметр которог совпадают с высотой цилиндрического корпуса 2 и его внутренним диаметром Верхний торец образца 6 в подготовительном этапе закрыт влагонепроницаемой пленкой. После введения в образец б датчиков тензометрического устройства 12 домкратиком 16 корпус 2 с образцом б поднимается вверх, и верхний торец образца б в результате подводится к отверстию в воздуховоде 5. После насыщения образца б водой до полной капиллярной влагоемкости, что фиксируется по прекращению движения мениска воды в мерной трубке 10 и нулевым показаниям вакуумметров 15. Подготовительный этап завершается.

Второй этап опыта заключается в доведении процесса массопереноса в образце до стационарного состояния. С верхнего торца образца 6 снимается влагоизоляционная пленка и осуществляется (с помощью заслонки 17) постепенное увеличение скорости воздушного потока (а при необходимости и его температуры посредством нагревателя 18) для обеспечения оптимального испарения влаги с образца и:создания соответственно, оптимальной плотности миграционного потока влаги в самом об|)азце. Во время опыта измеряются величины потенциалов влаги по показаниям вакуумметров 15, скорости движения мениска в капилляре 10, температура и скорость потока воздуха в воздуководе 5. Поддержание постоянства термодинамических условий паровоздушного потока над верхним торцом испытуемого образца и непрерывная подача воды к его нижнему торцу приводит к установлению стационарного режима влагопереноса, момент достижения которого фиксируется по не-изменности показаний тензиометров и скорости движения мениска в мерной капиллярной трубке. 10. Эти же показания в дальнейшем используются в окончательных расчетах. Третий завершающий этап опыта состоит в нахождении распределения влагосодерждния, объемного веса по высоте образца б на момент установления стационарного режима массообмена. Через нижний краник оставшаяся вода сливается из мерной трубки 10. Пос ледняя отсоединяется от корпуса. Из образца б вынимаются датчики 12 тензиометров. Домкратик 16 опускается,и корпус 2 с образцом 6 снимается.Далее поочередно вынимаются кольца 7, образец б быстро разрезается на слои,и для каждого слоя в отдельности опреде ляется влагосодержание тела и его объемный вес. Затем рассчитывают гла& ные массообменные характеристики: зависимость потенциала влаги, изотермическая массоемкость, коэффициенты . диффузии и массопровод ности от влагосодержания капиллярно-пористой системы. По сравнению с известными предлагаемое устройство обеспечивает существенное повышение точности и на-. дежности. измерений, дает возможность одновременно определять с одного образца все основные массообменные характеристики его в диапазоне по влагосодержанию, составу и строению исследуемого объекта и может найти широкое эффективное применение при решении задач тепломассообмена, что позволяет повысить качес во оценки грунтов как оснований инзйенерных сооружений, решать задачи по оценке баланса подземных вод, нефтенасыщенности пород, влажности почв и оптимизировать процессы оушки и т.п. Формула изобретения Устгройство для определения массообмённых свойств капиллярно-пористых систем, например, горных пород и прчв, содержащее предназначенный для размещения образцов цилиндрический корпус с установленными по его высоте датчиками тензорезисторов и подсоединенную к нему через штуцер мерную трубку для подачи воды к образцу, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и надежности определения, корпус выполнен из соединяемых между собой кольцевых секций, нижняя из которых снабжена установленной над дном корпуса сеткой, между которой и дном расположен штуцер для подсоединения мерной трубки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 673902, кл. G 01 N 25/56, 1978. 2.Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофизики. Минск, изд-во, АН БССР, 1961, с. 55-67. 3.Авторское свидетельство СССР 669271, кл. G 01 N 15/08, 1978 (прототип) .

сг)

$)

со CXI

со