CN107621479A - 一种岩石比热容测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石比热容测定装置，包括下壳体、加热层、试样杯、第一电偶组、隔热板、冷却杯、第二电偶组和上壳体；所述下壳体的内部设置用于给试样杯加热的加热，试样杯活动设置在加热层上，第一电偶组设置在试样杯的内壁上，隔热板活动设置在下壳体的顶部，上壳体设置隔热板的顶部，冷却杯设置在上壳体的内部，冷却杯的外部设置有冷却杯隔热层，第二电偶组设置在冷却杯的内壁上；当冷却时，打开隔热板，上壳体与下壳体的内部连通，试样杯与加热层分离，且试样杯套设在冷却杯中。该装置结构简单，操作方便，适用性高，测量精确，具有较高使用和推广价值。

Description

一种岩石比热容测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及比热容量测领域，具体为一种岩石比热容测定装置及测定方法。

背景技术

岩石的比热容值是一种常见且重要的热力学参数，如何准确的测量岩石的比热容，对于岩石的多场耦合研究有着重要的意义，而且岩石碎块又往往被当作骨料应用在水泥混凝土和沥青混凝土之中，故岩石碎块的比热容也会对混凝土的传热性能产生一定的影响。传统的岩石比热容测量装置常常会将岩石块没入水中，水的存在也会会对岩石的比热容产生不可避免的影响，个别岩石没入水中之后，其物理性质会产生变化。还有个别岩石由火山灰沉积而成，内部含有较大的气孔，该种岩石密度比水小因而不会沉入水中，给测量带来难度。所以在不使用水的情况下测量岩石的比热容会更加精确。但是水的存在能够增大与岩石的接触面积，可以缩短测量过程中达到热平衡的时间，所以在测定岩石的比热容的过程之中水的参与各有利弊。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种岩石比热容测定装置，根据岩石试样外形的规整度，采用干式测量方法或湿式测量方法进行演示比热容测定，减小了测量误差。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种岩石比热容测定装置，包括下壳体、加热层、试样杯、第一电偶组、隔热板、冷却杯、第二电偶组和上壳体；

所述下壳体的内部设置用于给试样杯加热的加热层，试样杯活动设置在加热层上，第一电偶组设置在试样杯的内壁上，隔热板活动设置在下壳体的顶部，上壳体设置隔热板的顶部，冷却杯设置在上壳体的内部，第二电偶组设置在冷却杯的内壁上；

当岩石加热完成后，打开隔热板，上壳体与下壳体的内部连通，试样杯与加热层分离，试样杯套设在冷却杯中。

进一步，所述冷却杯的外侧设置有隔热层。

进一步，还包括隔热层；所述隔热层设置在下壳体至加热层之间。

进一步，所述加热层为桶状结构，所述加热层的底部设置有凸台，试样杯的底部设置有凸台相配合的凹槽，试样杯设置在凸台上。

进一步，所述第一电偶组包括三个热电偶；其中一个设置在试样杯的底部，另外两个对称设置在试样杯的侧壁上。

进一步，所述第二电偶组包括三个热电偶；其中一个设置在冷却杯的底部，另外两个对称设置在冷却杯的侧壁上。

进一步，所述试样杯的底部还设置有将试样杯向上推动的推杆；所述冷却杯的顶部设置有将冷却杯向下推动的推杆。

进一步，所述隔热板包括结构相同的第一隔热板和第二隔热板，第一隔热板和第二隔热板水平设置在下壳体的顶部，第一隔热板和第二隔热板背向水平运动，上壳体与下壳体连通。

进一步，所述第一隔热板上设置有水平贯穿第一隔热板条形螺孔，第一隔热板通过螺栓安装在下壳体的顶部。

进一步，还包括用于对隔热板打开和闭合状态进行定位的定位销；定位销的一端穿过隔热板设置在下壳体上。

本发明还提供了一种根据该述岩石比热容测定装置的测定方法，包括以下步骤：

步骤S1、测量冷却杯的初始温度；

步骤S2、将岩石试样放置在试样杯中，然后将试样杯放置在加热层中，闭合隔热板，对试样杯进行加热；

步骤S3、待步骤S2加热完毕后，测量岩石试样温度和试样杯的温度。

步骤4、打开隔热板，使试样杯与加热层分离，冷却杯套设在试样杯的外侧；

步骤5、待冷却杯、试样杯和岩石试样温度相同时，该状态测量下冷却杯的温度、试样杯的温度以及岩石试样温度；

步骤6、根据能量守恒定律计算岩石的比热容。

进一步，步骤SI之前还包括：判断岩石与试样杯的接触面积；

当岩石与试样杯的接触面大于岩石表面积80％时，则采用干式测量法；

当岩石与试样杯的接触面小于岩石表面积80％时，则采用湿式测量法。

进一步：当采用干法测量时，能量守恒定律的公式为：

|C₃M₃(T₀ ^*-T₀)|＝|C₂M₂(T₂-T₂ ^*)+C₁M₁(T₁-T1^*)|

故

其中，M₁为岩石的质量；M₂为试样杯质量；M₃为冷却杯质量；C₁为岩石的比热容；C₂为试样杯的比容；C₃为冷却杯的比热容；T₀为冷却杯的初始温度；T₁为加热后岩石的温度；T₂为加热后试样杯的温度；T₀ ^*为冷却后冷却杯的温度；T₁ ^*为冷却后岩石的温度为；T₂ ^*为冷却后试样杯的温度；

当采用湿发测量时，能量守恒定律的公式为：

|C₃M₃(T₀ ^*-T₀)|＝|C₂M₂(T₂-T₂ ^*)+C₄M₄(T₁-T₁ ^*)+C₁M₁(T₁-T₁ ^*)|

故

其中，M₄为水的质量，C₄为水的比热容。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种岩石比热容测定装置，包括下端的加热装置和上端的冷却装置以及中间的隔热板，整个装置形成一个密闭的空间，通过热电偶测量岩石加热前后的温度变化及判定热传递的稳定，再经过计算得到所测岩石试样的比热容值。通过热电偶组采集数据，计算岩石试样的比热容；测量时当冷却杯与试样杯接触时，冷却杯外侧的隔热层也会与加热层相接触，冷却杯的外侧隔热材料可以阻止冷却杯与加热器之间发生热传递，从而减小测量误差。

下端的加热装置由加热层、隔热层、外壳以及隔热板形成一个较为封闭的空间，防止不必要的热量散失。

试样杯固定在加热筒中，试样杯与加热筒直接接触，提高了加热效率。

电热偶分别设置在冷却杯和试样杯的内壁上，精准测量试样杯和冷却杯的温度变化，进一步提高测量精度。

第一隔热板和第二隔热板水平活动安装在上壳体和下壳体之间，对加热筒形成密封，减少加热过程的热量的散失，避免对测量结果造成影响。

该装置能够根据岩石式样的外形的规整度，采用干式测量法或湿式测量法测定岩石的比热容，该测量方法步骤简单，测量精确。

附图说明

图1为本发明测定装置结构示意图；

图2为测定装置隔热板打开状态下的结构示意图；

图3为隔热板的结构示意图；

图4为冷却杯和冷却杯隔热层的结构示意图；

图5为试样杯冷却状态下结构示意图。

图中：1、第二推杆，2、上端盖，3、上壳体，4、冷却杯隔热层，5、冷却杯，6、凹槽，7、下壳体，8、隔热层，9、加热层，10、第一热电偶，11、第一推杆，12、第二热电偶，13、第三热电偶，14、试样杯，15、试样杯盖，16、隔热板，17、螺栓，18、定位销，19、第四热电偶，20、第五热电偶，21、第六热电偶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种岩石比热容测定装置，该装置包括下壳体7、隔热层8、加热层9、试样杯14、第一热电偶组、第一推杆11、一对隔热板8、上壳体2、冷却杯5、第二热电偶组和第二推杆1。

下壳体7为桶状结构，在下壳体7的内壁上设置一层隔热层8，隔热层的内部设置有加热层，加热层为桶状结构，加热层的底部设置有圆形凸台，试样杯14的底部设置有凹槽，且凹槽与加热层底部的凸台相适配，试样杯14设置活动在加热层9上，试样杯14的顶部设置有试样杯盖15，第一热电偶组设置试样杯14的内部，用于测量试样杯14和岩石试样的温度，第一推杆11的一端自下壳体7的底部依次穿过下壳体7、隔热层8和加热层9与试样杯14连接，在试样杯14加热完成后将试样杯向上推动。

第一热电偶组包括第一热电偶10、第二热电偶12和第三热电偶13；第一热电偶10设置在试样杯内侧的底部，用于测量岩石的温度；第二热电偶12和第三热电偶13对称设在试样杯14的侧壁上。

一对隔热板为对称结构，隔热板的中部设置有水平的条形螺孔，条形螺孔水平贯穿隔热板，隔热板8通过螺栓17活动固定在下壳体7的顶部，一对隔热板能够水平沿条形螺孔水平移动将加热层9封闭或打开；隔热板8的底部设置有凹槽，用于将隔热板打开或闭合。

上壳体3为空心圆柱体，设置在隔热板8的顶部，上壳体3的内部设置有倒装的冷却杯5，冷却杯5与试样杯14同轴设置，且冷却杯5能够套装在试样杯14的外侧，冷却杯5为双层结构，外侧为隔热层，内层为导热层，第二热电偶组设置在导热层的内壁上，用于测量冷却杯5的温度，上壳体3的顶部设置有上端盖2，第二推杆1的一端穿过上端盖2与冷却杯5的底部连接，且能够将冷却杯5向下推动。

第二热电偶组包括第四热电偶19、第五热电偶20和第六热电偶21；第六热电偶21设置在冷却杯5内侧的底部；第四热电偶19和第五热电偶20对称设在冷却杯5的侧壁上。

上壳体2的下端设置有环形定位台，隔热板8上设置有两个定位孔，分别用于对隔热板8打开或闭合状态下定位，定位销18的一端依次穿过上壳体的定位台和隔热板的定位孔设置下壳体7上。

第一推杆11和第二推杆1优选采用木质材料制作，且为T型结构。

加热层也可采用加热盘或加热管对试样杯进行加热。

试样杯14的加热温度为100°-140°。

本发明的一种岩石比热容测定装置的测定方法分为两种，一种是干式测定方法，另一种是湿式测定方法，下面对本装置的两种测定方法进行详细说明。

当岩石试样的形状较为规整，且放入试样杯中能够很好的与试样杯壁相接触，岩石试样与试样杯的接触面大于岩石表面积80％时，则采用干式测量法；

当岩石试样的形状不规整，且放入试样杯中不能够很好的与试样杯壁相接触，岩石与试样杯的接触面小于岩石表面积80％时，则往试样杯中加水，采用湿式测量法。

实施例1

干式测量方法

首先称量出岩石试样的自身质量M₁，试样杯质量M₂，冷却杯质量M₃，设岩石试样的比热容C₁，试样杯及冷却杯内层的材质已知，试样杯的比容为C₂、冷却杯的比热容为C₃。

去掉隔热板上的定位销18，将一对隔热板水平相对拉动，使上壳体2与加热层9连通，然后去掉上端盖2，并打开试样杯盖15，将岩石试样方式试样杯14中，保证岩石试样的表面与试样杯内壁接触，再盖上试样杯盖15，关闭隔热板8，安装上端盖2；通过第四热电偶19、第五热电偶20和第六热电偶21测得冷却杯5的初始温度初始温度T₀。

然后通过加热层9对试样杯14进行加热，试样杯14将热量传导至岩石试样，加热完毕之后通过第二热电偶12记录下此时岩石试样温度T₁与试样杯14的温度T₂。

此时拔出定位销18，用手拉凹槽6使得一对隔热板16分开，下压第二推杆1使得冷却杯5向下移动，同时上推第一推杆11使得试样杯14与加热层的底部分离，将冷却杯5套设在试样杯14的外侧，此时冷却杯5的外侧隔热层可以阻止冷却杯14与加热层之间发生热传递，从而减小测量误差；等待冷却杯5、试样杯14和岩石试样温度一致时，记录下冷却杯5的温度T₀ ^*，试样杯14的温度T₂ ^*以及岩石试样温度T₁ ^*。

根据能量守恒公式计算岩石试样的比热容：

|C₃M₃(T₀ ^*-T₀)|＝|C₂M₂(T₂-T₂ ^*)+C₁M₁(T₁-T₁ ^*)|

故

实施例2

湿式测量方法

当测量的岩石试样不规整时且不能很好的与试样杯壁相接触时，试样杯之中添加水，水作为介质进行热传递，缩短到达热平衡所用时间，具体测量方法如下：

首先称量出岩石试样的自身质量M₁，试样杯质量M₂，冷却杯质量M₃，试样杯中所添加的水的质量M₄，设岩石试样的比热容C₁，试样杯及冷却杯的材质已知，试样杯的比容为C₂、水的比热容C₃，冷却杯的比热容为C₄。

将岩石试样装在试样杯14之中然后注入一定量的水然后盖上试样杯盖15，试样杯盖15封住试样杯口防止水加热后蒸发散热从而对测量结果带来误差，打开上端盖2和隔热板8，将试样杯14放在加热层9的凸台处，试样杯14与加热层9底部的凸台处相吻合，将试样杯14固定好之后盖上上端盖2，同时保证隔热板16为闭合状态。通过第四热电偶19、第五热电偶20及第六热电偶21测得冷却杯22初始温度T₀。

然后通过加热层9对试样杯14进行加热，加热完毕之后通过第二热电偶12测量水温温度T₁与试样杯14的T₂。

此时拔出定位销18，用手拉凹槽6使得隔热层16分开，下压第二推杆1使得冷却杯22向下移动，同时上推第一推杆11使得试样杯14与加热层9的底部分离，将冷却杯22套设在试样杯14的外侧，等待冷却杯22、试样杯14及水温度一致时(此时的水温等于所测岩石的温度)，记录下冷却杯5的温度T₀ ^*，试样杯14的温度T₂ ^*以及岩石试样温度T₁ ^*。

根据能量守恒公式计算岩石试样的比热容：

|C₄M₄(T₀ ^*-T₀)|＝|C₂M₂(T₂-T₂ ^*)+C₃M₃(T₁-T₁ ^*)+C₁M₁(T₁-T₁ ^*)|

故

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩石比热容测定装置，其特征在于，包括下壳体(7)、加热层(9)、试样杯(14)、第一电偶组、隔热板(16)、冷却杯(5)、第二电偶组和上壳体(3)；

所述下壳体(7)的内部设置用于给试样杯加热的加热层(9)，试样杯(14)活动设置在加热层(9)上，第一电偶组设置在试样杯(14)的内壁上，隔热板(16)活动设置在下壳体(7)的顶部，上壳体(3)设置在隔热板(16)的顶部，冷却杯(5)设置在上壳体(3)的内部，冷却杯(5)的外部设置有冷却杯隔热层(4)，第二电偶组设置在冷却杯(5)的内壁上；

当冷却时，打开隔热板(16)，上壳体(3)与下壳体(7)的内部连通，试样杯(14)与加热层(9)分离，且试样杯(14)套设在冷却杯(5)中。

2.根据权利要求1所述一种岩石比热容测定装置，其特征在于，还包括隔热层(8)；所述隔热层(8)设置在下壳体(7)至加热层(9)之间。

3.根据权利要求1所述一种岩石比热容测定装置，其特征在于，所述加热层(8)为桶状结构，所述加热层(8)的底部设置有凸台，试样杯(14)的底部设置有凸台相配合的凹槽，试样杯活动设置在凸台上。

4.根据权利要求1所述一种岩石比热容测定装置，其特征在于，所述第一电偶组包括三个热电偶；其中一个设置在试样杯(14)的底部，另外两个对称设置在试样杯(14)的侧壁上。

5.根据权利要求1所述一种岩石比热容测定装置，其特征在于，所述第二电偶组包括三个热电偶；其中一个设置在冷却杯(5)的底部，另外两个对称设置在冷却杯(5)的侧壁上。

6.根据权利要求1所述一种岩石比热容测定装置，其特征在于，所述试样杯(14)的底部还设置有将试样杯(14)向上推动的第一推杆(11)；所述冷却杯(5)的顶部设置有将冷却杯(5)向下推动的第二推杆(1)。

7.根据权利要求1所述一种岩石比热容测定装置，其特征在于，所述隔热板(16)包括结构相同的第一隔热板和第二隔热板，第一隔热板和第二隔热板水平设置在下壳体(7)的顶部，第一隔热板和第二隔热板反向水平运动，上壳体(3)与下壳体(7)连通。

8.一种根据权利要求1所述岩石比热容测定装置的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、测量冷却杯(5)的初始温度；

步骤S2、将岩石试样放置在试样杯(14)中，然后将试样杯(14)放置在加热层中，闭合隔热板(16)，对试样杯(14)进行加热；

步骤S3、待步骤S2加热完毕后，测量岩石试样的温度；

步骤4、打开隔热板(16)，并使试样杯(14)与加热层(9)分离，冷却杯(5)套设在试样杯(14)的外侧；

步骤5、待冷却杯(5)、试样杯(14)和岩石试样温度相同时，该状态测量下冷却杯的温度、试样杯的温度或岩石试样温度；

步骤6、根据能量守恒定律计算岩石的比热容。

9.根据权利要求8所述岩石比热容测定装置的测定方法，其特征在于，步骤S1之前还包括：判断岩石与试样杯(14)的接触面积；

当岩石与试样杯(14)的接触面大于岩石表面积80％时，则采用干式测量法；

当岩石与试样杯(14)的接触面小于岩石表面积80％时，则采用湿式测量法。

10.根据权利要求8所述岩石比热容测定装置的测定方法，其特征在于：

当采用干法测量时，能量守恒定律的公式为：

|C₃M₃(T₀ ^*-T₀)|＝|C₂M₂(T₂-T₂ ^*)+C₁M₁(T₁-T₁ ^*)|

故

其中，M₁为岩石的质量；M₂为试样杯质量；M₃为冷却杯质量；C₁为岩石的比热容；C₂为试样杯的比容；C₃为冷却杯的比热容；T₀为冷却杯的初始温度；T₁为加热后岩石的温度；T₂为加热后试样杯的温度；T₀ ^*为冷却后冷却杯的温度；T₁ ^*为冷却后岩石的温度为；T₂ ^*为冷却后试样杯的温度；

当采用湿发测量时，能量守恒定律的公式为：

|C₃M₃(T₀ ^*-T₀)|＝|C₂M₂(T₂-T₂ ^*)+C₄M₄(T₁-T₁ ^*)+C₁M₁(T₁-T₁ ^*)|

故

其中，M₄为水的质量，C₄为水的比热容。