RU139913U1 - Установка для определения незамерзшей воды в мерзлых грунтах - Google Patents
Установка для определения незамерзшей воды в мерзлых грунтах Download PDFInfo
- Publication number
- RU139913U1 RU139913U1 RU2012149324/15U RU2012149324U RU139913U1 RU 139913 U1 RU139913 U1 RU 139913U1 RU 2012149324/15 U RU2012149324/15 U RU 2012149324/15U RU 2012149324 U RU2012149324 U RU 2012149324U RU 139913 U1 RU139913 U1 RU 139913U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- soil
- heat flux
- temperature
- flux sensor
- frozen
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Установка для определения содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах, содержащая образец грунта, датчик температуры, датчик теплового потока, теплоизоляционный кожух, криостат, отличающаяся тем, что датчик теплового потока расположен на боковой стороне бюксы, в которой находится грунт, при этом бюкса размещена в отдельном модуле - циркуляционном блоке, в качестве источника данных температуры грунта использован платиновый термометр сопротивления (ТСП), для обработки и преобразования сигналов от датчика теплового потока и ТСП использован прецизионный прибор - аналогово-цифровой преобразователь.
Description
Полезная модель относится к области исследований криологии и геокриологии, а именно, изучения мерзлых, вечномерзлых грунтов, процессов сопровождающих сезонное промерзание-оттаивание грунтов и почв.
Известны экспериментальные установки, разработанные Ю.С.Даниэляном [1]. (Даниэлян Ю.С. Исследования неравновесного тепломассопереноса в грунтах с фазовыми переходами влаги применительно к проектированию обустройства нефтяных месторождений. Дис. д.ф.-м.н., Тюмень. 1997. - С.54, 60.). Которые включают в себя образец грунта, термопару, датчик теплового потока, теплоизоляционный кожух, криостат.
Основными недостатками данных установок являются:
Недостаточная площадь перекрытия датчиками теплового потока поверхности образца грунта.
Использование дифференциальной термопары, как некорректного источника сведений температуры грунта, по причине фиксирования температуры лишь в одной точке внутри образца.
Описанная конструкция служит для определения неравновесных значений влажности за счет незамерзшей воды, что само по себе не является недостатком, однако на практике более востребованы равновесные значения влажности.
Технический результат предполагаемой полезной модели состоит в повышении точности получаемых результатов, повышении удобства проведения эксперимента и обслуживания установки и реализации возможности медленного оттаивания образца, помимо медленного замораживания.
Это достигается тем, что увеличена площадь перекрытия датчиком теплового потока поверхности контакта образец - окружающая среда; в качестве источника температуры использован платиновый термометр сопротивления (ТСП), как датчик температуры, обладающий высокой точностью, и позволяющий в зависимости от расположения, получить усредненную величину температуры вдоль любой оси в образце; увеличена масса/объем образца, что дало возможность снизить суммарную погрешность определения величины влажности, и позволило повысить воспроизводимость получаемых результатов; замораживание образца происходит в отдельном блоке - циркуляционном блоке (фиг.2), а, следовательно, удобство в эксплуатации, извлечения/смены образца; использованы современные средства обработки и преобразования сигналов от датчика теплового потока и ТСП.
Так же в данной конструкции реализована возможности как плавного замораживания так и плавного оттаивания образца, с выбранным темпом в °С/мин.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг.1 изображена экспериментальная установка. В ее состав входят: криостат 1; циркуляционный блок 2; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3; ПК 4; трубопроводы 5; провода от термометров сопротивления и датчика теплового потока 6.
На фиг.2 представлен циркуляционный блок 1 с крышкой 4, бюкса с грунтом 2, расположенная его рабочей камере 5, краны со штуцерами 3 для подключения к криостату посредством трубопроводов.
На фиг.3 показано устройство подготовленной к эксперименту бюксы с грунтом.
В ее входят: бюкс 1; датчик теплового потока 2; исследуемый грунт 4; термометр сопротивления 5; теплоизоляционная подложка 6.
На фиг.4 отображена кривая изменения содержания незамерзшей воды с изменением температуры для грунта - «суглинок», построенная по экспериментальным точкам, полученным входе проведения экспериментов.
Экспериментальная установка с внешним контуром охлаждения, включает: криостат, необходимый для нагнетания и поддержания заданной отрицательной температуры термостатирующей жидкости, в диапазоне от 0 - -20°С; циркуляционный блок, который подключается к криостату для подвода и отвода теплоносителя. В рабочей камере циркуляционного блока происходит замораживание образца; аналого-цифровой преобразователь, служащий обработки и преобразования сигналов от датчика теплового потока и ТСП и вывода данных на ПК; теплоизолированные трубопроводы для соединения криостата и циркуляционного блока в единый контур; термометры сопротивления и датчик теплового потока.
Подготовка и проведение эксперимента происходит следующим образом:
1. Заполняют влажным грунтом бюкс, равномерно не допуская пустот и каверн, под небольшим усилием;
2. Плотно одевают датчик теплового потока на бюкс и закрепляют, используя липкую ленту ПВХ.
3. Вставляют по центру бюксы, как показано на фиг.3, термометр сопротивления, одевают крышку.
4. Помещают подготовленный таким образом бюкс, на подставку для бюксы расположенную в рабочей камере циркуляционного блока, как показано на фиг.2. и закрывают блок крышкой.
5. Подключают вывода термометра бюксы, датчика теплового потока, а также термометра расположенного в камере к АЦП и наблюдают текущие значения Т, [°С] и q[BТ/M 2].
6. Оставляют на 15-20 часов для восстановления возможного локального перераспределения полей влажности возникшего в ходе заполнения грунтом бюксы до равномерного состояния. А также достижения нулевой величины плотности теплового потока между грунтом и воздухом камеры, а, следовательно, и равенства температур образца и окружающего пространства.
7. Подключают циркуляционный блок к штуцерам внешнего контура охлаждения криостата посредством трубопроводов.
8. Заполняют испарительную камеру криостата термостатирующей жидкостью (тосолом) в объеме 7 литров.
9. Включают криостат, выставляют заданную температуру. Температуру на микроконтроллере то есть то ее значение которое будет поддерживаться в камере испарителя следует выставить на 3-4°С ниже той до которой планируется замораживание образца, это связано с теплопотерями через поверхность трубопроводов и особенно тех участков где расположены краны со штуцерами а также частичным нагревом тосола в помпе. После того как температура термостатирующей жидкости, судя по показаниям микроконтроллера начала снижаться (проверка работоспособности) открывают краны 3 (фиг.2) и включают помпу для перекачивания жидкости по контуру.
В общей сложности эксперимент длится около девяти часов, если рассматривать длительность от момента включения помпы до завершения съемки.
Методика расчета:
Величина поверхностной плотности теплового потока q,[Вт/м] определяется по формуле:
q=K·E (1)
Где К - коэффициент преобразования, [Вт/(м2·мВ)]
Е - термоэлектрический сигнал датчика, [мВ]
Чтобы найти значение теплового потока Q[Bт] между образцом грунта и окружающей средой, в данном случае воздухом рабочей камеры, необходимо найденное по формуле 1 значение умножить на величину площади, через которую осуществляется теплообмен.
Основой расчета служит уравнение теплового баланс
где Q [Вт] - тепловой поток за единицу времени, получен в результате преобразований по формуле 1 и произведения найденной величины на площадь теплообмена; τ [сек] - время; сГ, сВ, сЛ, сБ, сР [кДж/кгК] -соответственно теплоемкость сухого грунта, воды, льда материала бюкса и резины; mГ,mВисх,mЛ,mБ,mР [кг], - масса грунта, воды исходная, льда, бюкса и 1/2 массы датчика теплового потока; LФ[кДж/кг] - теплота фазового перехода; tГ,°C - температура начала замораживания,; tХ,°C - конечная температура замораживания; (tГ-tХ), - изменение температуры образца в ходе эксперимента; [кДж] - есть сумма произведений значений теплового потока на единицу времени, а так как опрос датчиков происходит каждую секунду, то единица времени - 1 секунда. Другими словами, это есть определенный интеграл на интересующем нас временном интервале, а именно с момента начала кристаллизации до времени окончания замораживания:
где а - время соответствующее началу кристаллизации поровой воды - τ1, b - время соответствующее окончанию эксперимента - τ2, когда температура образца становится равной температуре рабочей камеры, а плотность теплового потока равной нулю.
Так как нас интересует интервал температур от момента начала кристаллизации до конечной отрицательной температуры, то tГ примем равной tЗ - равновесной температуры замерзания грунта [2], которая, как правило, ниже ноля. Таким образом формула для нахождения массы льда в образце при температуре tХ примет
Таким образом, масса незамерзшей воды, содержащейся в грунте при температуре tХ, вычисляется по формуле:
mH.B.=mBucx-mЛ (4)
Результаты:
В качестве примера приводится результаты исследований, проводимые с типом грунта - суглинок. Масса влажного образца=198,87 г, масса после высушивания mГ=164,20 г, отсюда масса воды в грунте mВисх=34,67 г. масса бюксы = 109,14 г.
Табличные данные:
сГ=0,81 [кДж/кг·К]
сВ=4,18 [кДж/кг·К]
cЛ=2,09 [кДж/кг·К]
сБ=0,491 [кДж/кг·К]
сР-1,42 [кДж/кг·К]
LФ=334 [кДж/кг]
В качестве примера приведен расчет одного из значений mН.В.
Конечная температура замораживания tХ в этом случае составляет - 10,29°С.tЗ=-0,25°С
τ [сек] - время замораживания, нас интересует интервал от момента начала фазовых превращений - τ1, до конечной температуры tX соответствующей времени τ2..
Подставляя все данные в формулу 3:
Т.о.: mН.В.=34.67-31.43=3.24г=0.093 в долях единицы от величины начальной влажности.
Описанным способом проводили эксперимент, и расчет по представленной методике при замораживании грунта до ряда значений отрицательных температур, что дало возможность по полученным данным построить кривую зависимости содержания незамерзшей воды от температуры (фиг.4).
Использованные источники
1. Даниэлян Ю.С. Исследования неравновесного тепломассопереноса в грунтах с фазовыми переходами влаги применительно к проектированию обустройства нефтяных месторождений. Дис. д.ф.-м.н., Тюмень. 1997.
2.Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Изд-во Высшая школа, 1973. 448 с.
Claims (1)
- Установка для определения содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах, содержащая образец грунта, датчик температуры, датчик теплового потока, теплоизоляционный кожух, криостат, отличающаяся тем, что датчик теплового потока расположен на боковой стороне бюксы, в которой находится грунт, при этом бюкса размещена в отдельном модуле - циркуляционном блоке, в качестве источника данных температуры грунта использован платиновый термометр сопротивления (ТСП), для обработки и преобразования сигналов от датчика теплового потока и ТСП использован прецизионный прибор - аналогово-цифровой преобразователь.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012149324/15U RU139913U1 (ru) | 2012-11-19 | 2012-11-19 | Установка для определения незамерзшей воды в мерзлых грунтах |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012149324/15U RU139913U1 (ru) | 2012-11-19 | 2012-11-19 | Установка для определения незамерзшей воды в мерзлых грунтах |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU139913U1 true RU139913U1 (ru) | 2014-04-27 |
Family
ID=50515928
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012149324/15U RU139913U1 (ru) | 2012-11-19 | 2012-11-19 | Установка для определения незамерзшей воды в мерзлых грунтах |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU139913U1 (ru) |
-
2012
- 2012-11-19 RU RU2012149324/15U patent/RU139913U1/ru active IP Right Revival
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Mohsenin | Thermal properties of food and agricultural materials | |
Reid | Water activity: fundamentals and relationships | |
De Vries | A nonstationary method for determining thermal conductivity of soil in situ | |
CN104237305B (zh) | 一种岩体热导率测试装置及测试系统 | |
Fleming | Calorimetric properties of lamb and other meats | |
Kabanov et al. | Determination of thermal-physical properties of facilities | |
CN105548246A (zh) | 稳态法导热系数测量实验系统及测量方法 | |
Watanabe et al. | Micro‐chilled‐mirror hygrometer for measuring water potential in relatively dry and partially frozen soils | |
RU139913U1 (ru) | Установка для определения незамерзшей воды в мерзлых грунтах | |
RU141361U1 (ru) | Установка для определения незамерзшей воды в мерзлых грунтах и пористых материалах | |
Naruke et al. | Standardizing Heat Pulse Probe measurements for thermal property determination using ice and water | |
Taylor et al. | Heat capacity and specific heat | |
Khakhalin et al. | Thermostatting of condensed samples in the spectrometer when using the attenuated total reflectance method | |
RU2554621C2 (ru) | Способ определения температуры начала льдообразования при замораживании водных растворов и влагосодержащих продуктов и материалов и устройство для его осуществления | |
SU916650A1 (ru) | Устройство процессов для моделирования промерзания грунта 1 | |
CN205263008U (zh) | 一种凝固点测定实验中的金属冷浴装置 | |
RU2762534C1 (ru) | Способ определения коэффициента теплопередачи материалов и устройство для его осуществления | |
SU998929A1 (ru) | Способ определени количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах | |
RU2339024C2 (ru) | Способ определения фазового состава воды в дисперсных средах при отрицательных температурах | |
Anil et al. | Effective thermal conductivity of cucurbit as a function of temperature by thermal probe method | |
RU1824562C (ru) | Способ лабораторного исследовани теплопроводности мерзлого грунта | |
Kotlyakov et al. | Evaluating the Thermal Resistance of Snow Cover by Ground Temperature | |
RU2809939C1 (ru) | Способ определения приведенной охлаждаемой массы ИК-приемников и их тепловых моделей | |
RU2328709C1 (ru) | Малогабаритный нуль-термостат на эффекте пограничного слоя плавления | |
RU2550991C1 (ru) | Способ определения теплопроводности |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20171120 |
|
NF9K | Utility model reinstated |
Effective date: 20201013 |