CN104237305B - 一种岩体热导率测试装置及测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种岩体热导率测试装置及测试系统，测试装置包括控制箱、压力加载装置、样品加热装置、温/湿度控制器以及温度感测器、热流计；该控制箱包含一个供容纳岩石样品的箱体，该箱体顶部设有开口；该压力加载装置用于对岩石样品加载压力，其包括一个设于该控制箱的该开口的压力杆，该压力杆与岩石样品顶部接触的一端设有第一温度感测器、及一个热流计；该样品加热装置设于该箱体的底部，用于对岩石样品进行加热；一第二温度感测器，其与该岩石样品的底部接触，用于感测该岩石样品底部经加热所达到的温度；该温/湿度控制器的入风口和出风口分别与该箱体内腔以管道连通，通过该温/湿度控制器控制该箱体内的环境温度和湿度。
Description
技术领域
本发明涉及岩样物理特性测试技术，尤指一种岩石的热导率的测试设备及测试系统。
背景技术
深部岩石的导热特性是国内外岩土工程领域最前沿的热点课题之一，是开展矿山地热防治及利用、页岩气开采、CO2储存(CCS)、煤炭地下气化(UCG)和核废料处置等众多深部工程的基础。
岩石热导率(thermal conductivity of rocks)是衡量岩石导热特性的指标，其表示岩石导热能力的大小，即沿热流传递的方向单位长度(l)上温度(θ)降低一度时单位时间(τ)内通过单位面积(s)的热量(Q)。
岩石的热导率取决于岩石的成分、结构、形成条件、含水状况、温度和压力等。地壳上部的温度和压力对岩石热导率的影响极小。而深部岩石的导热率随压力、密度和湿度的加大而增高，随温度的增高而减小。为了进行深部岩石导热性能的研究和测试，在岩石的成分、结构已确定的情况下，岩石中含水状况(湿度)、温度和压力等均与岩体的热导率密切相关。
目前，岩体热导率基本上是在实验室内测量的，松散物质则可以就地测量。实验室热导率测量有稳态法和瞬时法两种。常应用稳定平板式岩石热导仪、稳定分棒式岩石热导仪等稳态法，测量岩石热导率。就地测量方法一般采用非稳态法，即瞬时法。通常用一根直径与长度比小于1：30的探棒插入松散沉积物中，探棒里有一个电热器和测温用的热敏电阻。用已知并恒定的速率加热探棒，记录其温升值。温升的大小是加热时间和周围物质热导率的函数。用温度相对于时间的对数作图，就可以得到测量数据的最简判读方法，也可以通过计算直接算出周围物质的热导率。此外，还应用非稳定环形热源——微形探针岩石热导仪等非稳态法。就地测量方法适用于深海沉积物、土壤、砂和冰雪等，其优点是能够测得原始状态下的热性质，但测量结果只能反映测量仪器周围物质的瞬时热状态。现有测量方式得到的测量结果不准确、也不客观，而且效率低下。
发明内容
因此，本发明的目的就是提供一种可实现温度-湿度-压力耦合作用下的岩体热导率测试的装置、系统及测试系统。
为了实现上述目的，本发明技术方案是：
一个控制箱，该控制箱包含一个供容纳岩石样品的箱体，该箱体顶部设有开口；
一个压力加载装置，用于对岩石样品加载压力，其包括一个设于该控制箱的该开口的压力杆，该压力杆与岩石样品顶部接触的一端设有第一温度感测器、及一个热流计；
一个样品加热装置，其设于该箱体的底部，用于对岩石样品进行加热；
一个第二温度感测器，其与该岩石样品的底部接触，用于感测该岩石样品底部经加热所达到的温度；
一个温/湿度控制器，该温/湿度控制器的入风口和出风口分别与该箱体内腔以管道连通，以控制该箱体内的环境温度和湿度。
其中，所述的箱体为保温材料制成或箱体墙壁为隔热结构，如夹层真空结构。
其中，或者为非隔热材料(例如不锈钢等)先制作该箱体的外墙，再于该外墙内壁增设一层保温材料共同制成。
其中，所述的保温材料可为聚氨酯和岩棉复合保温层。
通过上述保温结构或隔热结构的设计，可使该箱体内的环境温度不受或者较少地受到外界环境温度的影响。
其中，该样品加热装置还包括一个样品托盘，该加热装置的热源设于该样品托盘的下方，该第二温度感测器设于该托盘表面且与该岩石样品底面接触。该托盘为导热性能好的金属材质(如铝或铜)，减少对岩石样品热导率测试造成影响和误差。
其中，该样品加热装置的热源是电热丝。
其中，该箱体内还设有一个温/湿度感测器，用于感测该箱体内部的环境温/湿度，且该温/湿度感测器与该温/湿度控制器信号连接。
其中，该温/湿度控制器包括蒸发器、加热器、加湿器、制冷机及控制面板，通过该控制面板设定该温/湿控制器的工作参数，使该温/湿度控制器依据该设定的参数，向该箱体内环境输出经加热/冷却或干燥/加湿处理的气体。
其中，在该箱体的开口处下方，设有一个密封圈，该密封圈设于该压力杆的外周，使该压力杆在工作过程中能够保证该控制箱箱体内的密封性。
本发明还提供一种岩体热导率自动化测试系统，其包括上述任一种实施例中的热导率测试装置、一个前述任一个实施例所述的温度-湿度-压力耦合作用下岩体热导率测试装置、一导热参数采集仪、以及一计算机；
其中该第一温度感测器、热流计、该第二温度感测器信号连接该导热参数采集仪，以采集测量得到的各参数值；该导热参数采集仪连接该计算机，将采集的各种参数值输入至计算机，该计算机根据测量得到的热流值、温度值、以及预先存储的岩石样品横截面积、长度计算出该岩石样品在对应环境下的热导率，或者同时进行显示、储存或分析。
其中，所述压力加载装置、所述温/湿度控制器分别与该计算机连接，由该计算机控制该压力加载装置、该温/湿度控制器工作，测定该岩石样品在不同的温度-湿度-压力耦合作用下的热导率。
其中，所述计算机经执行一预定程序，以控制该压力杆、该温/湿度控制器、该样品加热装置依照预先设定的参数工作，以逐一地实现岩石样品在不同的温度-湿度-压力耦合作用下热导率的测试和分析研究工作。
借助本发明的温度-湿度-压力耦合作用下岩体热导率测试装置及系统，可以满足对于深部岩体热导率的测试要求，能够更为精确地模拟出深部岩石的真实环境，故所计算出的热导率更接近客观实际，同时还填补现有稳态法和瞬时法测试岩体热导率所存在的不足，同时还可以结合计算机程序直接计算和分析出岩体在不同的温度、湿度和压力耦合作用下的热导率变化特性，为开展矿山地热防治及利用、页岩气开采、CO2储存(CCS)、煤炭地下气化(UCG)和核废料处置等众多深部工程做好基础分析和准备。
附图说明
图1为本发明实施例测试系统的结构示意图。
符号说明：
1控制箱、10箱体、11开口、12保温材料层；
2压力加载装置、21压力杆、22密封圈；
3第一温度感测器、4热流计；
S样品、5样品加热装置、50加热丝；
51样品托盘、52温/湿度感测器；
7第二温/湿度感测器、8温/湿度控制器；
81回风管、82气体输送管、9信号线。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
如图1所示，本发明的温度-湿度-压力耦合作用下岩体热导率测试装置包括：
一个控制箱1，该控制箱包含一个供容纳岩石样品的箱体10，控制箱1具有隔热的特性，以减少外界的环境温度对箱体10内部的影响。箱体内10内的空腔用于容纳样品S，此外还为样品S提供特定的温度-湿度环境。箱体10的顶部设有开口11；该开口11供一个压力加载装置2的压力杆21伸入至腔体内部，对岩石样品S加载压力。为了确保控制箱1的隔热性，可使箱体10的四周侧壁均采用双层真空结构制作而成，也可以采用隔热保温材料。在图1所示的具体实施例中，是在不锈钢板制成的箱体10内增设一层保温材料层12，共同制成该控制箱1。所使用的保温材料层12，可为聚氨酯和岩棉复合保温层或其他任何可以起到隔热作用的材料。借助上述的箱体10的隔热保温结构，可以减少外界环境温度对箱体10内腔环境的影响，使岩石样品S导热率的测量更为精确，箱体1内的环境更加稳定且可控。
一个压力加载装置2，包括压力杆21，其穿伸于该控制箱1的开口11处，通过在外部给压力杆21加载压力，压力杆21将压力传递给岩石样品S，对岩石样品S加载特定的压力，模拟深度岩石的真实压力环境；在压力杆21的底部，与岩石样品S顶面接触的部位处设有第一温度感测器3和热流计4，用于感测岩石样品S顶面的温度T1和流过的热量值ΔQ。
热流计(Heat Flow Calorimeter,Heat Flux Meter)也称热通量计，热流仪，其全称是热流密度计。热流计是热能转移过程的量化检测仪器，是用于测量热传递过程中热迁移量的大小、评价热传递性能的重要工具。既热流(密度)的大小表征热量转移的程度。换句话说，热流计是测量在不同物质间热量传递大小和方向的仪器。
为了进一步地防止压力杆21工作过程中，箱体10的开口11将外界环境的空气引入至箱体10内，使箱体10的内部环境受到影响，造成测量的误差，可如图1所示的，该箱体10的开口11处下方，将一个密封圈22设于该压力杆21的外周，使压力杆21在工作过程中能够保证该控制箱1箱体内的密封性和温/湿度稳定性。
一个样品加热装置5，设于该箱体10的底部，用于对岩石样品S的底部进行加热，该样品加热装置5的热源可为电热丝。该电热丝设在该岩石样品S的底部，还设有一个第二温度感测器7，其与该岩石样品S的底部接触，用于感测该岩石样品底部经加热所达到的温度T0。
一个温/湿度控制器8，该温/湿度控制器8包括蒸发器、加热器、加湿器、制冷机、控制面板。该温/湿度控制器8的入风口和出风口分别与该箱体10内腔通过管道连通，使岩石样品S所在箱体内部的气体几乎都在一个封闭环境内循环流通，不引入或较少会引入外界气体，这样就可以实现箱体内温/湿度的自由和温度控制，减少能耗；该温/湿度控制器8用于控制该箱体1内的环境温度和湿度。如图1所示，连通该控制箱1的箱体10内部的回风管81连接至温/湿度控制器8，连通该温/湿度控制器8的气体输送管82连接至该控制箱1的箱体10内部。该温/湿度控制器8可直接通过感测该回风管81中输回的气体的温/湿度，将之与事先设定的预期的温/湿度进行比较，自动将回风的气体的温/湿度经加热/冷却、或干燥/加湿处理后再经气体输送管道82输回至该箱体10内部，实现对该箱体10内岩石样品2周围环境温/湿度的自由控制。此外，还可以通过于该箱体10内设置的一个温/湿感测器52，该温/湿度感测器52与该温/湿度控制器8的控制面板通过信号线9连接，该温/湿度控制器8内具有单片机或处理芯片，根据接收到的该温/湿度感测器52感测箱体10内部的温/湿度参数，启动该温/湿度控制器8相应的工作模式，将回风气体调节后经气体输送管82输回至该箱体10内。关于温/湿度控制器8的工作原理及组成结构，由于其为现有技术，故在本文中不过多说明。
上述实施例中，进一步的，该样品加热装置5可以还包括一个样品托盘51，该加热装置5的热源50设于该样品托盘51的下方，该第二温度感测器7设于该托盘51的表面且与该岩石样品S底部接触。该托盘51为导热性能好的金属材质(如铝或铜)，减少对岩石样品S热导率测试造成影响和误差。
如图1所示，本发明还提供一种温度-湿度-压力耦合作用下岩体热导率自动化测试系统，除了包括前述的热导率测试装置、还包括一导热参数采集仪以及一计算机。该第一温度感测器、热流计、该第二温度感测器以信号线9连接该导热参数采集仪，以采集测量得到的各参数值；该导热参数采集仪连接该计算机，将采集的各种参数值输入至计算机，该计算机根据测量得到的热流值、温度值、以及预先输入至计算机内的岩石样品横截面积s、长度L,根据热导率计算公式，λ＝ΔQ/[(T0-T1)*L*s]计算出该岩石样品在对应环境下的热导率，或者同时进行显示、储存或分析。
此外，还可以在计算机内植入一程序，使计算机以信号线9连接该压力加载装置2、温/湿度控制器8的控制面板、该导热参数采集仪，由该计算机9执行该程序，控制该压力加重装置2、该温/湿度控制器8运行，接收该导热参数采集仪采集的参数，并根据预先输入至计算机中岩石样品S的横截面和长度值，逐一测量计算处理岩石样品S在不同温度-湿度-压力耦合条件下的热导率，并进行显示、存储和综合分析；由此可见，本发明系统是一种测量温度-湿度-压力耦合作用下岩体热导率的全自动化智能系统。
借助本发明的温度-湿度-压力耦合作用下岩体热导率测试装置及系统，可以满足对于深部岩体热导率的测试要求，能够更为精确地模拟出深部岩石的真实环境，故所计算出的热导率更接近客观实际，同时还填补现有稳态法和瞬时法测试岩体热导率所存在的不足，同时还可以结合计算机程序直接计算和分析出岩体在不同的温度、湿度和压力耦合作用下的热导率变化特性，为开展矿山地热防治及利用、页岩气开采、CO2储存(CCS)、煤炭地下气化(UCG)和核废料处置等众多深部工程做好基础分析和准备。
本发明的技术方案已由优选实施例揭示如上。本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种岩体热导率测试装置，其特征包括：
一个控制箱，该控制箱包含一个供容纳岩石样品的箱体，该箱体顶部设有开口；
一个压力加载装置，用于对岩石样品加载压力，其包括一个设于该控制箱的该开口的压力杆，该压力杆与岩石样品顶部接触的一端设有第一温度感测器、及一个热流计；
一个样品加热装置，其设于该箱体的底部，用于对岩石样品进行加热；
一个第二温度感测器，其与该岩石样品的底部接触，用于感测该岩石样品底部经加热所达到的温度；
一个温/湿度控制器，该温/湿度控制器的入风口和出风口分别与该箱体内腔以管道连通，以控制该箱体内的环境温度和湿度。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述的箱体为保温材料制成或箱体墙壁为隔热结构。
3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征是，所述箱体包括由非隔热材料制成的外墙，再于该外墙内壁增设一层保温材料共同构成。
4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征是，所述非隔热材料为不锈钢。
5.根据权利要求2或3所述的测试装置，其特征是，所述的保温材料为聚氨酯和岩棉复合保温层。
6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征是，该样品加热装置还包括一个样品托盘，该加热装置的热源设于该样品托盘的下方，该第二温度感测器设于该托盘表面且与该岩石样品底面接触。
7.根据权利要求1所述的测试装置，其特征是，该箱体内还设有一个温/湿度感测器，用于感测该箱体内部的环境温/湿度，且该温/湿度感测器与该温/湿度控制器信号连接。
8.根据权利要求1或7所述的测试装置，其特征是，该温/湿度控制器包括蒸发器、加热器、加湿器、制冷机及控制面板，通过该控制面板设定该温/湿控制器的工作参数，使该温/湿度控制器依据该设定的参数，向该箱体内环境输出经加热/冷却或干燥/加湿处理的气体。
9.一种岩体热导率自动化测试系统，其特征包括：
一个如权利要求1-8任一项所述的岩体热导率测试装置、一导热参数采集仪、以及一计算机；
其中该第一温度感测器、热流计、该第二温度感测器信号连接该导热参数采集仪，以采集测量得到的各参数值；该导热参数采集仪连接该计算机，将采集的各种参数值输入至计算机，该计算机根据测量得到的热流值、温度值、以及预先存储的岩石样品横截面积、长度计算出该岩石样品在对应环境下的热导率。
10.根据权利要求9所述的测试系统，其特征是，所述压力加载装置、所述温/湿度控制器分别与该计算机连接，由该计算机控制该压力加载装置、该温/湿度控制器工作，测定该岩石样品在不同的温度、湿度及/或压力耦合作用下的热导率。
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