Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Теплофизические (тепловые) свойства мерзлых грунтов




Знание теплофизических свойств мерзлых грунтов необходимо для расчета температуры – показателя их теплового состояния. Коротко остановимся на основных закономерностях температурного режима литосферы.

Температура литосферы, в том числе и в области распространения вечномерзлых грунтов (криолитосферы) определяется климатическими (граничными, внешними) условиями и ее теплофизическими свойствами: коэффициентом теплопроводности l, ккал/ м.час.град (или Вт/ м.град; Вт = 1,16 ккал/час); объемной теплоемкостью Соб, ккал/ м3 и коэффициентом температуропроводности а, м2/ час. Эти три характеристики зависят отсостава и физических свойств грунта и связаны между собой соотношением а=lоб.

Коэффициент теплопроводностипредставляет собой коэффициент пропорциональности между потоком тепла q и градиентом температуры g в выражении теплового потока q = l.g. Он характеризует способность материала проводить тепло, зависит от вида материала и его физических свойств, главным образом от плотности и влажности. Установлено, что обобщенным эквивалентом этих двух характеристик, по крайней мере, у грунтов является степень влажности G (А.А. Коновалов, Л.Т. Роман, СНиП II-18-76). На рис.4 (2) показана зависимость l от G у мерзлых и талых грунтов по данным этих авторов. Из него видно, что величина l (ккал/ м.час.град) повышается в ряду: торф – глина – суглинок – супесь – песок; в талом состоянии, примерно от 0,1…0,8 у торфов до 0,4…2,4 у песков; в мерзлом – на 20 -30% больше. Это объясняется тем, что l льда примерно в 4 раза выше l воды (1,9 и 0,48 ккал/ м.час.град).

Теплоекость определяется количеством тепла, которое надо сообщить выделенному объему грунта для повышения его температуры и характеризует тепловую инерцию. Различают удельную теплоемкость Су, равную количеству тепла необходимого для нагрева 1 грамма грунта на 1оС, и объемную Соб= Су. r, которая рассчитывается на единицу объема грунта.

Удельная теплоемкость для каждого вида грунта примерно постоянная величина. У песков она составляет 0,17 ккал/ кг.град; у супесей, суглинков и илов – 0.18…0,20; у глин – 0,22; у торфов – 0,38. У воды и льда она равна 0,5 и 1 ккал/ кг.град, соответственно. Теплоемкость, так же как масса и объем (в отличие от тепло- и температуропроводности) подчиняется правилу аддитивности (суммирования) и может рассчитываться как средневзвешенная величина по соотношению теплоемкостей и компонентов грунта

 

 

 

К теплофизическим показателям относятся также коэффициент теплоотдачи a, ккал/ м2.час.град (Вт/ м2.град), и скрытая теплота плавления (кристаллизации) Qпл - практически постоянная величина (несколько уменьшающаяся при понижении температуры), равная 80000 ккал/ м3 (334000 кДж/ м3=334 МПа) или в пересчете на объемную массу Qпл /r = 80 ккал/кг = 334 кДж/кг. Теплофизическим параметром по своему физическому смыслу является и уже рассмотренная выше температура замерзания (оттаивания) и конечно собственно температура грунта t, oC.



И так – всего 7 теплофизических параметров (l, С, а, a, Qпл, tк, t ).

Экспериментальное определение теплофизических характеристик.

Коэффициент температуропроводности и теплоемкость грунтов определяется на калориметрических установках (подобных применяемым для определения количества незамерзшей воды) методом регулярного режима.

При охлаждении или нагревании тела в среде с постоянной температурой tс происходит выравнивание температурного профиля. Если тело лишено внутренних источников тепла, то в процессе теплообмена можно выделить стадию упорядоченного охлаждения или нагревания, называемую регулярным режимом. Она характе­ризуется тем, что распределение разности температур |t—tс|=h в различных точках тела изменяется во времени по одному закону (экспоненциально­му) и определяется формой, размером, теплофизическими харак­теристиками тела и условиями теплообмена на границе тела со средой.

При этом темп охлаждения (нагревания) может быть найден опытным путем как тангенс угла наклона прямой на графике lnh=f(t), построенном для любой точки тела. Связь темпа охлаждения (m) с температуропроводностью (а) определяется формулой: m = а/Ь, где b — фактор формы, который рассчитан теоретически для тел правильной формы: шара, цилиндра и па­раллелепипеда. В частности для цилиндрических образцов, фактор формы рассчитывается по формуле



b =1/[(2,4048/r) 2+ (3,14/H) 2], (**)

где r и H — радиус и высота образца.

Конструкция лабораторной установки представлена на рисунке.

Схема прибора для определения температуропроводности методом регулярного режима I рода:

1 — образец грунта; 2 — дифферен­циальная термопара; 3 — термостатирующая жидкость; 4 — сетка для образца; 5— мешалка; 6 —термометр; 7 - термостатирующая оболочка, заполненная эвтектической смесью; 8 - измерительный прибор

 

Образец грунта диаметром 3—4 и высотой 4—6 см помещается в латунный стаканчик ), в крышке которого закреплена медно-константановая термопара 2 так, чтобы один спай ее находился в центре образца, а второй— в окружающей среде. Термопара подключается к измерительному прибору (гальванометру или милливольтметру), который позволяет измерить разность темпера­тур между средой и образцом с точностью ±0,1° С. Для автомати­ческой записи температуры можно использовать самопи­шущий потенциометр подхо­дящей чувствительности. Согласно теории метода в среде, куда погружается ис­следуемый образец грунта, поддерживается постоянная температура и обеспечивается достаточно большой теплооб­мен образца со средой. Термо­стат, удовлетворяющий этим условиям, состоит из двух ча­стей: термостатирующей обо­лочки 7, заполненной эвтекти­ческой смесью, и внутреннего бачкас термостатирующей жидкостью 3, в котором нахо­дится мешалка 5, обеспечива­ющая энергичное перемешива­ние жидкости.

Подготовка образца. Испы­тания можно проводить с грунтами естественного и нарушенного сложения при положительных и отрицательных температурах. Определяют высоту, диаметр и массу пустого калориметра. Образцы естественного сложения вырезают из монолита непо­средственно в стаканчик калориметра так, чтобы между стенка­ми и грунтом не было воздушных зазоров. Влажность грунта оп­ределяют до и после опыта. Для образцов нарушенного сложения готовится грунт заданной влажности, который уплотняется в калориметре до заданного значения объемного веса. Заполненный калоримётр взвешивают и закрывают крышкой с термопарой, зазоры между крышкой, стаканчиком и дном герметизируют.

Проведение опыта. Если опыт проводится при положительных температурах, то образцы выдерживают при комнатной темпера­туре около 30 мин. Оболочку термостата наполняют смесью воды со льдом, а внутренний бачок — водой температурой 0° С.

При отрицательных температурах образцы выдерживают в хо­лодильном шкафу при температуре —10° С в течение нескольких часов для установления теплового равновесия. Защитная оболочка термостата заполняется эвтектической смесью с температурой плавления около —20° С (обычно 22,4%-ный раствор МаС1), а рабочий объем — спиртом при той же температуре. Опыт может проводиться и в цикле повышения температуры, когда, как пра­вило, образцы выдерживаются при —20° С, а термостат — при —10° С (19,7%-ный раствор КС1).

Рис.. Пример расчета опыта по определению температуропроводности

Включается мотор мешалки и через 15 — 20 мин начинается опыт. Термопара подключается к измерительному прибо­ру, калориметр вместе с контрольным спаем термопары погружается в

жид­кость термостата, включается секундо­мер и регистрируются изменения температуры и время т.

По полученным данным строится гра­фик lnh=f(t) (cм. рис.), на нем выбирается пря­моугольный участок, для которого рас­считывается величина m

m=(lnh1–lnh2)/(t2–t1)=(3,8–2,48)/(126–33)=0,0142с-1

Размеры образца в примере на рис.: Н=6,03см, 2r=3,8см, тогда фактор формыкалориметра, рассчитанный по формуле (**), равен b=0,54.10-4 м2

Теперь определяем коэффициент температуропроводности

а=bm=0,767.10-6 м2/с =0,0028 м2/час.

 


mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2018 год. (0.01 сек.)Пожаловаться на материал