CN108445036A - 用于测试垃圾填埋场复合衬垫热物理性质的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试模拟垃圾填埋场热物理性质的试验装置，其包括：加热水箱、顶盖、加热线圈、第一热电偶、空心套筒、复合衬垫、湿度计、第二热电偶以及恒温水循环箱。本发明可有效模拟垃圾填埋场的实际工况，获得复合衬垫热传导系数、温度和含水量等参数，为准确评价热能在复合衬垫中的迁移规律提供了重要的基础数据，同时对于垃圾填埋场衬垫材料的选择和结构的设计均具有重要的工程指导意义。

Description

用于测试垃圾填埋场复合衬垫热物理性质的试验装置

技术领域

本发明涉及环境岩土工程领域，特别涉及一种用于测试垃圾填埋场复合衬垫热物理性质的试验装置。

背景技术

随着我国经济建设的高速发展，城镇居民的生活水平大幅提升，各大城市的规模也在持续扩大，我国城市固体废弃物的产量也呈急剧增长态势。我国城市生活垃圾的产量已超过十亿吨，占用大量的土地资源，并且垃圾的产量以每年近10％的速度递增。由此可预见，随着城市化进程的进一步发展，如何高效、合理的处置生活垃圾已成为我国城市快速发展亟需解决的重要问题之一。

填埋法处理垃圾的设备简单、建设和运行成本亦较低，且具有较强的适应性和灵活性等特点，在世界范围内得到广泛的应用。城市生活垃圾在填埋场内贮存会发生一系列的生物化学反应，产生有害气体和渗滤液的同时，也会释放大量的热量。因此，垃圾填埋场的底部衬垫系统对于防止“二次污染物”的渗漏有着至关重要的作用。现有的垃圾填埋场衬垫系统多采用复合衬垫，即由聚乙烯材料、膨润土衬垫以及压实黏土等材料组成。复合衬垫系统具有较好的防渗性能和服役性能，我国的垃圾填埋场大多采用这种衬垫结构。

填埋场内垃圾生化反应释放的热量对于复合衬垫系统的防渗性能和稳定性均有着重要的影响。目前复合衬垫系统的研究多集中在衬垫材料的开发和衬垫的渗透性等，对于热量在衬垫中的迁移以及衬垫材料的热传导特性评价研究较少。同时，测试复合衬垫热物理性质的试验设备也十分缺乏。

因此，针对垃圾填埋场复合衬垫热物理性质研究与测试的现状，在环境问题日益突出、绿色发展的背景下，亟需开发准确、高效测试其热物理性质的试验设备，为工程设计及优化提供指导与借鉴，提高我国垃圾填埋技术的水平。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种用于测试垃圾填埋场复合衬垫热物理性质的试验装置，其可有效模拟垃圾填埋场的实际工况，获得复合衬垫热传导系数、温度和含水量等参数，为准确评价热能在复合衬垫中的迁移规律提供了重要的基础数据，同时对于垃圾填埋场衬垫材料的选择和结构的设计均具有重要的工程指导意义。

本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：

提供了一种用于测试垃圾填埋场复合衬垫热物理性质的试验装置，其包括：2个不锈钢柱，其用于固定整个试验装置；上顶盖和加热水箱，且所述顶盖上设有用于注水加压的注水孔和用于排水减压的排水孔；所述加热水箱设有加热线圈和第一热电偶，且所述加热线圈和第一热电偶均连接至自动控温开关；所述加热水箱外设有2个第一橡皮圈，其用于固定和防止所述加热水箱发生渗漏；所述加热水箱下部依次设置有由聚乙烯土工膜、膨润土衬垫和压实黏土组成的复合衬垫；所述聚乙烯土工膜、膨润土衬垫和压实黏土组成的复合衬垫周围设有空心套筒，且所述空心套筒上部设有3个相同的湿度计、下部设有4个相同的第二热电偶；所述压实黏土的下部设有恒温水循环箱；所述恒温水循环箱的顶部设有板状热电偶，内部设有循环流动水，外部设有2个第二橡皮圈，用于固定和防止所述恒温水循环箱渗漏，底部设有隔热底板。

优选的，所述顶盖为透明聚乙烯材料制成；所述注水孔和排水孔关于所述顶盖的中心轴线对称设置，且孔径均为10mm。

优选的，所述加热线圈为铜质线圈，且所述第一热电偶的长度大于所述加热水箱高度的2/3。

优选的，所述聚乙烯土工膜和膨润土衬垫的接缝处采用膨润土泥浆缝合；所述聚乙烯土工膜、膨润土衬垫与空心套筒的接头处采用膨润土泥浆和硅树脂混合密封；所述压实黏土的直径为100mm，高度为250mm；且所述空心套筒由聚四氟乙烯制成，热导率低于0.2W/mK，壁厚为10mm。

优选的，最上方的湿度计距所述压实黏土顶端30mm，且3个相同的湿度计按间距30mm竖向等间距排列；所述第二热电偶均设置于所述湿度计的相对侧，且最下方的第二热电偶距所述压实黏土底端20mm；4个相同的第二热电偶按间距50mm竖向等间距排列。

优选的，所述板状热电偶位于恒温水循环箱顶部内表面的中心位置，且所述恒温水循环箱内温度误差控制在0.1℃以内；所述隔热底板为聚四氟乙烯材料制作，其热导率低于0.2W/mK，厚度大于20mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.有效模拟垃圾填埋场现场工况：本发明的试验装置中设置有分级加热水箱，可以让复合衬垫在不同温度下水化；且恒温水循环箱的设置可以确保压实黏土层底部的温度与恒温水循环箱的水温一致；

2.实现温度的逐级施加：加热水箱中加热线圈和第一热电偶与自动控温开关相连，待水箱中温度到达设定温度后，自动停止加热，其温度逐级施加的过程更符合垃圾填埋场中温度逐渐升高的特点；

3.测试装置操作简单、测试结果准确性较高：本发明中复合衬垫的制备简单，通过简单的分层压实、膨润土泥浆缝合即可完成；且可实现数据的实时、自动采集，操作方法简便。

附图说明

图1为本发明实施例一中用于测试模拟垃圾填埋场热物理性质的试验装置的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例一：

如图1所示，本发明中的用于测试垃圾填埋场复合衬垫热物理性质的试验装置包括：

加热水箱4；

顶盖1，其盖设在所述加热水箱4顶部，且所述顶盖1上开设有排水孔2以及注水孔3，分别用于注水加压和排水减压；本实施例中，所述顶盖1为透明聚乙烯材料制作，所述注水孔2和排水孔3关于位于顶盖1的中心轴线对称设置，且孔径均为10mm；

第一热电偶6，其一端连接所述顶盖1的下端面；

加热线圈5，其缠绕在所述第一热电偶6外部；本实施例中，所述加热线圈5为铜质线圈，且所述第一热电偶6的长度大于所述供水水箱4高度的2/3；

自动温控开关7，其连接所述第一热电偶6以及加热线圈5，用于根据所述加热水箱4内的水体温度控制所述第一热电偶6以及加热线圈5的启停，例如，当所述加热水箱4中的水体被加热到达设定温度后，所述自动温控开关7停止第一热电偶6以及加热线圈5的工作，由此停止加热，由此可实现温度的逐级施加，使其更符合垃圾填埋场中温度逐渐升高的特点；

空心套筒12，其设置在所述加热水箱4底部，且与所述加热水箱4连通；所述空心套筒12由聚四氟乙烯制成，壁厚为10mm，且热导率低于0.2W/mK；

复合衬垫，其设置在所述空心套筒12内部；具体的，所述复合衬垫包括从上至下依次设置的聚乙烯土工膜9、膨润土衬垫10和压实黏土11；所述聚乙烯土工膜9和膨润土衬垫10的接缝处采用膨润土泥浆缝合，所述聚乙烯土工9、膨润土衬垫10与空心套筒12的接头处均采用膨润土泥浆和硅树脂混合密封，确保无渗漏；所述压实黏土11的直径为100mm，高度为250mm；

3个相同的湿度计13，其设置在所述空心套筒12上部，用于当所述加热水箱4内的水体在所述复合衬垫中扩散时，检测所述复合衬垫的含水量数据；

4个相同的第二热电偶14，其设置在所述空心套筒12下部，用于当所述加热水箱4内的水体在所述复合衬垫中扩散时，检测所述复合衬垫的温度数据；

恒温水循环箱15，其设置在所述空心套筒12底部，且与所述复合衬垫底部接触，用于产生恒温循环流动水，使得所述复合衬垫底部的温度维持在预设范围内；

以及2个不锈钢柱20，其优选采用不锈钢制成，用于支撑试验装置的整体重量。

此外，最上方的湿度计13距所述压实黏土11顶端30mm，且3个相同的湿度计按间距30mm竖向等间距排列；所述第二热电偶14均设置于所述湿度计13的相对侧，且最下方的第二热电偶14距所述压实黏土11底端20mm；4个相同的第二热电偶14按间距50mm竖向等间距排列。

同时，恒温水循环箱15内部设有板状热电偶16，其用于将所述恒温水循环箱15内的水体温度误差控制在0.1℃以内，且所述恒温水循环箱15底部设有厚度大于20mm(优选为30mm)的隔热底板19；具体的，所述板状热电偶16设置于所述恒温水循环箱15顶部内表面的中心位置；且所述隔热底板19为聚四氟乙烯材料制成。

进一步的，为防止渗漏，所述加热水箱4外套设有2个第一橡皮圈8，且所述恒温水循环箱15外套设有2个第二橡皮圈18。

本实施例中，利用上述试验装置测试模拟垃圾填埋场热物理性质的试验方法包括如下步骤：

S1、预备所述加热水箱4、顶盖1、加热线圈5、第一热电偶6、自动温控开关7、空心套筒12、湿度计13、第二热电偶14、恒温水循环箱15、板状热电偶16；并按照上述位置关系进行组装；

S2、将黏土风干、粉碎，加入达到最优含水量的水，放入塑料袋中密封并静置24h，使得土体充分水化；将水化好的黏土分5层填至所述空心套筒中，并压实至最大干密度状态；

S3、在处于最大干密度状态的压实黏土的顶部铺设膨润土衬垫，维持所述空心套筒12内的温度为20±2℃，持续时间30d，确保所述膨润土衬垫成分水化；

S4、在完成水化的膨润土衬垫上部铺设聚乙烯土工膜，将所述聚乙烯土工膜紧压于所述膨润土衬垫上，且所述聚乙烯土工膜与膨润土衬垫接缝处采用膨润土泥浆密封，由此形成复合衬垫；

S5、打开所述加热水箱4内的加热线圈5、第一热电偶6，从初始温度20℃开始，逐级加热，每级温度增量为10℃，持续时间为24小时，达到预设温度后维持15d；所述预设温度为80℃；且加热过程中通过湿度计13和第二热电偶14检测不同温度梯度下，所述复合衬垫内的温度以及含水量数据，获得热量和水分在所述复合衬垫中的迁移特征；

以及S6、拆除所述空心套筒12，并从所述压实黏土11中切片，进行含水量测试，且根据公式(1)计算获得所述复合衬垫的热导率，所述公式(1)如下：

其中，Q为通过材料的能量，W；k为测试材料的热导率，W/mK；A为垂直热量流动方向的截面积，m²；ΔT为材料加热前后的温度变化，K；L为材料的厚度，m。

综上所述，本发明具有如下优点：

1.有效模拟垃圾填埋场现场工况：本发明的试验装置中设置有分级加热水箱，可以让复合衬垫在不同温度下水化；且恒温水循环箱的设置可以确保压实黏土层底部的温度与恒温水箱中的水温一致；

2.实现温度的逐级施加：加热水箱中加热线圈、第一热电偶与自动控温开关相连，待水箱中温度到达设定温度后，自动停止加热，其温度逐级施加的过程更符合垃圾填埋场中温度逐渐升高的特点；

3.测试装置操作简单、测试结果准确性较高：本发明中复合衬垫的制备简单，通过简单的分层压实、膨润土泥浆缝合即可完成；且可实现数据的实时、自动采集，操作方法简便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于测试垃圾填埋场复合衬垫热物理性质的试验装置，其特征在于,包括：2个不锈钢柱，其用于固定整个试验装置；上顶盖和加热水箱，且所述顶盖上设有用于注水加压的注水孔和用于排水减压的排水孔；所述加热水箱设有加热线圈和第一热电偶，且所述加热线圈和第一热电偶均连接至自动控温开关；所述加热水箱外设有2个第一橡皮圈，其用于固定和防止所述加热水箱发生渗漏；所述加热水箱下部依次设置有由聚乙烯土工膜、膨润土衬垫和压实黏土组成的复合衬垫；所述聚乙烯土工膜、膨润土衬垫和压实黏土组成的复合衬垫周围设有空心套筒，且所述空心套筒上部设有3个相同的湿度计、下部设有4个相同的第二热电偶；所述压实黏土的下部设有恒温水循环箱；所述恒温水循环箱的顶部设有板状热电偶，内部设有循环流动水，外部设有2个第二橡皮圈，用于固定和防止所述恒温水循环箱渗漏，底部设有隔热底板。

2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述顶盖为透明聚乙烯材料制成；所述注水孔和排水孔关于所述顶盖的中心轴线对称设置，且孔径均为10mm。

3.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述加热线圈为铜质线圈，且所述第一热电偶的长度大于所述加热水箱高度的2/3。

4.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述聚乙烯土工膜和膨润土衬垫的接缝处采用膨润土泥浆缝合；所述聚乙烯土工膜、膨润土衬垫与空心套筒的接头处采用膨润土泥浆和硅树脂混合密封；所述压实黏土的直径为100mm，高度为250mm；且所述空心套筒由聚四氟乙烯制成，热导率低于0.2W/mK，壁厚为10mm。

5.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，最上方的湿度计距所述压实黏土顶端30mm，且3个相同的湿度计按间距30mm竖向等间距排列；所述第二热电偶均设置于所述湿度计的相对侧，且最下方的第二热电偶距所述压实黏土底端20mm；4个相同的第二热电偶按间距50mm竖向等间距排列。

6.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述板状热电偶位于恒温水循环箱顶部内表面的中心位置，且所述恒温水循环箱内温度误差控制在0.1℃以内；所述隔热底板为聚四氟乙烯材料制作，其热导率低于0.2W/mK，厚度大于20mm。