Способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах

Способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к области теплофизических 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 25/00

Г СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ЕДОМСТВО СССР (ОСПАТЕНТ СССР) АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1) 4819045/25

2) 16.02.90

6) 30.08.93. Бюл. N. 32

1) Государственный научно-исследовальский и проектный институт нефтяной и завой промышленности им. В.И.Муравнко

2) lO.С.Даниэлян и В.А.Таскаев

6) Лабораторные методы исследования ерзлых пород/Под ред. Э.Д.Ершова. М., зд-во МГУ, 1985, с.73 — 74, Курзаев А.В. и др. Связанная вода в исперсных системах, M.; Изд-во МГУ, 1977, 156-166.

4) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫ

АЗОВОГО ПЕРЕХОДА СВЯЗАННОЙ ВОЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ!

Изобретение относится к теплофизичеким измерениям.и может быть использовао для решения широкого класса задач ромерзания и оттаивания при проектироании и строительстве зданий и сооружений а мерзлых грунтах.

Цель изобретения — повышение точнои.

Сущность изобретения поясняется чержом, где на фиг,1 приведена схема устойства, " реализующего способ пределения теплоты фазового перехода вязанной воды в мерзлых грунтах; на фиг.2 изображен график изменения теплового отока, как функция температуры, который

ычерчивается на графопостроителе при отивании мерзлого грунта; на фиг,3 показаизменение температур . оттаивания и... Ы,, 1837215 А1 (57) Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в строительстве при проектировании сооружений, работающих в условиях замерзания и оттаивание грунтов.

Цель изобретения — повышение точности.

Исследуемый образец грунта эамораживают до фиксированной температуры, нагревают образец до температуры оттаивания, измеряют суммарное влагосодержание 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 последующи.. вычислением искомой характеристики. 3 табл., 3 ил. льдистости грунта при изменении суммарной влажности грунта.

Способ осуществляют следующим абра- 6д зом. 4

Образец грунта с известным влагосодержанием 041 до температуры Т0, ниже д которой фазовый переход практически не (Л 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 01(Т) образца. Далее определяют температуру оттаивания Т1, при которой . весь лед, находящийся в образце, переходит в воду и при этой температуре прекращают замер теплового потока и получают количество тепла 0(Т ), затраченного на от1837215

С,-2С, ««о Сл Т вЂ” — -с — f «P)о (T) cl! — xp« (— + Сгр Т

«N, «О) У.> (G) «««;p

«r «,T)—

30 где)о — теплота фазового перехода свободной воды;

Сп,Сa,СrI — соответственно удельная

35 теплоемкасть льда, воды и каркаса образца грунта;

Т вЂ” температура;

04(Т) — зависимость суммарного влагосодержания от температуры оттаивания;

WG(T) — суммарное влагосодержание грунта, температура оттаивания которого рлвна О С

G(T) — зависимость теплоты оттаивания;

mr@ — 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- 5О ставляет собой пассивный сканирующий калориметр, позволя«ющий 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 теплотаивание образца от температуры То и Т1.

Затем изменяют влажность образца высушиванием или насыщением влагой так, чтоGu новое значение суммарного вла«осодержания W< G соответствовало зоне интенсивных фазовых превращений для данного типа грунта, Повторяют охлаждение до температуры То, производят нагрев образца, при этом изменение льдистости равно 2(Т), затем определяют температуру оттаивания Т2, определяют количество тепла G(Tg), затраченного на оттаивание образца От температуры То и Тг 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, onределяют теплоту фазового перехода связанной воды. Понто- 2О рив эти операции несколько раз и учитывая, что зависимость суммарнаг0 влагосодержания от температуры оттаивания аналогична зависимости количества незамерзшей воды ат температуры па полученным данным определяют зависимости М4(Т) и Q(T), Затем искому.а характеристику рассчитыва«ат по формуле: изоляции боковой поверхности ячейка помещена в каркас из печапласта 4, Такая конструкция ячейки позволяет контролировать весь тепловой поток, п«раниэываюьций исследуемый грунт. В центрс рабочей камеры размещена дифференциальная термопара 5, которая измеряют температуру грунта, Один спай термопары Г«омещен в нуль термастат. Кроме того, устройство содержит усилитель сигнала термапары б, двухкаординатный графопостроитель 7 и самопишущий потенциаметр 8, Термопара 5 подключена к входу усилителя б, выход которого соединен с "Х" входом графопостроителя 8, Датч«яки тепловога потока 3 подключень«к самапие:ушему 10тенциаметру 7 и v. "У входу i рафг)построителя 8.

Способ определения тгл-,латы фазового перехода связанной воды e»)cpa»=!x грунтах осуществляют следующим образом, Грунт в талом состоянии, с определенНЫМ СУММаРНЫМ ВЛагОСОДЕРжаНИЕМ «« ««,1, предварительна подготовленн LIA согласно существующим методикам, помещают в камеру 2 ячейки. Пссле этога в цен rp ячейки помеьцают термапару 5. Ячейку эакрыва«ат крышкой и эамараживают Грунт, охладив да темпера-Гуры Тс,, ниже «:,OTOpoI ««1а"-:Овый пе-реход практически не происходит. Далее ячейку с Грунтам паме!ца!От в сг)еду с положи Гельнои темг)ератуоай. Прои )«аль)т ÎTl зива н ив Грунта, и Ои э Гам изменен ие льдистасти соответствует функции 1(Т). В процессе нагрева с помощью электраизмерительных приборов производят:,,àïèñü поКаза НИЙ ДаТЧИКОВ т ЕГ«ЛОВО ГО Г«ОТОКа И температуры. На графопостроителе производится запись теплавога патака как функции температуры q(T), )та зависимость имеет экстремум, по положени:о которого определяюттемпературуаттаивания Т1, при которой в грунте завершается фазовый переход лед-вода. На самопишущем потенциометре регистрируется изменение теплового потока ат времени ц(т), При достижении температуры Т1 запись показаний теплового потока прекращают, По полученным данным рассчитывают количество тепла С1(Т1), затраченного на оттаивание образца от температуры Т, и Tl. Далее изменяют влажность образца высушиванием или насыщением влагой (в данном примере — высушиванием), так, чтобы новое значение

Woz соответствовало зоне интенсивных фазовых превращений для данного типа грунта. Затем повторяют все операции— охлаждают грунт до температуры То, производят нагрев ячейки с грунтом (при этой влажности изменение льдистости соответ1837215 ствует 2(Т), по кривой ц(Т) на графопостроителе определяют температуру оттаивания

Tz, и по термограмме на самопишущем потенциометре определяют количество тепла

0Pz), затраченного на оттаивание образца оттемпературы Torso Tz, 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 W

= 50;(,. Уплотненный грунт поместили в ячейку, затем в него установили термопару.

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

3. Ячейку с грунтом охладили в холоильнике до температуры То = -4 С. 3аМораxvaavve 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 qpj, регистрируемой графопостроителем, максимума, испытания прекращали. По положению максимума определили температуру оттаивания грунта

Т1 =-0,29 С.

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

6. По полученным данным вычисляли количество теплоты 0(Т1), затраченное на оттаивание грунта от температуры То =-4 С до

T1 = -0,29 С, Расчет вели по формуле:

И вЂ” 1

0p)=h g (р)+цн- ), о)= а Е

1=1 ! где а= 0,00558 Дж/мВ с — коэффициентдат1чиков теплового потока ячейки;

Е) — показания датчиков теплового пото1ка, мВ;

N — количество точек замера экспери1ментальных данных;

h — временной шаг, сек.

Полученное значение количества теплоты 0(Т1) = 61,9 кДж/кг.

Из проведенного эксперимента значения 941, Т1, 0(Т1) заносили в таблицу 2, 5 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 влэж10 ность грунта Woz = 49,2;4.

8. Ячейку вновь поместили в холодиль. ник с температурой To = -4 С и заморозили грунт.

9. Ячейку извлекли из холодильника и

15 подвергли нагреву. На графопостроителе и потенциометре B ходе этого регистрировали сигналы датчиков температуры и теплового потока. Испытания были прекращены по достижении максимума на кривой qp}, по ко20 торому была определена температура оттаивания Т2 = -0,34 С. По результатам, зарегистрированным потенциометром, заполнили таблицу, подобную 1-й, 10. Рассчитали количество теплоты, за25 траченное на оттаивание грунта от температуры To = -4 С до температуры Tz = -0,34 С:

Q(Tz) = 60,13 кДж/кг, Полученные значения занесли в таблицу 2, 11. Далее вновь производили измене30 ние влажности высушиванием и повторяли операции, описанные выше. Изменение влажности производили несколько раз с тем, чтобы перекрыть весь диапазон эффективных фазовых превращений для данного

35 типа грунта, Полученные данные вновь заносили в табл.2.

12, Применяя статистическую обработку экспериментальных данных с последующей аппроксимацией, получили

40 зависимости Wo(T) и Q (T)

Wp(T} = 4,2 — 0,778 (1/T3) + 24,1 (1/T)

Qo(T) = 85,9 — 57,7 I/T

Полученные функции подставили в приведенную формулу и определили температур45 ную зависимость к (Т):

К(Т} (Ко Сл Т—

-й(> 0

У/о Т

С вЂ” 2С яо — ф,-)- - ) . а. () й) — -Я .

Результаты расчета приведены в табл.3.

Формула изобретения

Способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах, включающий определение суммарного влагосодеожания, нагрев предварительно замороженного до определенной температуры образца грунта и определение темпе1837215 т

Ko — Cn Т . - = Оу-" f Wo (Т) dt — y

Wo Т

Таблица 1

7 ратуры оттаивания с последующим вычислением искомой характеристики, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют количество тепла оттаивания, затраченного на на- 5 грев образца от начальной температуры до температуры оттаивания при различных где Xo — теплота фазового перехода свободной воды;

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

Т вЂ” температура оттаивания;

В/,(Т) — зависимость суммарного влагосодержания от температуры оттаивания; значениях начальной влажности образца, обеспечивающих нахождение температур оттаивания в зоне интенсивных фазовых превращений, определяют зависимость суммарного влагосодержания и теплоты оттаивания оттемпературы оттаивания, а искомую характеристику рассчитывают по формуле

Ф4(0) — суммарное влагосодержание грунта, температура оттаивания которого равна 0 С;

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

fArp — масса каркаса образца грунта, 1837215

Таблица 2

1837215

1837215

Составитель В.Марченко

Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор С.Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2862 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5