Метод определения удельной теплоемкости и коэффициента температуропроводности горных пород методом импульсного нагрева

Для определения удельной теплоемкости и коэффициента температуропроводности горных пород используется метод периодического нагрева [5]. Метод основан на использовании линейных участков временного изменения температуры в одномерной пластине при периодическом нагреве вводимого в образец горной породы источника нагрева постоянной мощности. Для измерений пластину толщиной 5 – 10 мм, на одной поверхности которой задан периодически изменяющийся тепловой поток, формируемый путем периодического включения и выключения электрического нагревателя постоянной мощности. Противоположная поверхность пластины охлаждается в режиме конвективного и лучистого теплообмена с окружающей средой. Принципиальная тепловая схема и конструктивная схема установки представлена на рисунке 12.1.

Рисунок 12.1 – Установка для определения тепловых свойств горных пород

Экспериментальная установка, изображенная на рисунке 12.1, содержит исследуемые образцы горных пород 1, между которыми помещают плоский нагреватель 2. Прижимной винт 3 служит для фиксации образцов 1 игольчатым держателем 6. На поверхности образцов закреплены термопары 5. Миллиамперметром 8 и вольтметром 9 фиксируют ток и напряжение. В установке предусмотрено реле 7, осуществляющее периодическое включение и выключение. Изменение температуры во времени записывают с помощью электронного термометра 4.

Для расчета тепловых свойств по ГОСТ 25943-82 рекомендована простая формула, учитывающая толщину пластины и длительность интервала нарастания температуры противоположной поверхности образца до максимума. В соответствии с методикой [5]все измерения следует проводить в установившемся режиме теплообмена, когда максимальная и минимальная температуры поверхности образца не изменяются на следующих циклах теплообмена.

Коэффициент теплопроводности образцов горной породы определяется по формуле:

, (12.1)

где L – толщина исследуемого образца, м;

Δ t – время, прошедшее между выключениями (включениями) мощности нагревателя и достижения максимума (минимума) температуры па поверхности образца, с;

K – постоянная времени измерительной схемы, определяемой дополнительным экспериментом на эталоне, для предлагаемой установки K = 1, 5с.

Удельную теплоемкость (с_р, Дж/кг) вычисляют по формуле:

, (12.2)

где U – показатель вольтметра, в;

I – показатель миллиамперметра, а;

m – масса образца, кг;

b – скорость изменения температуры поверхности образца,

определяемая как тангенс угла наклона прямой темпа нагрева поверхности образца, К/с.

Результаты вычислений заносятся в таблицу 12.1.

Таблица 12.1 – Запись результатов испытаний

Контрольные вопросы

1. От чего зависит удельная теплоемкость плотной среды?

2. Какие характеристики являются важнейшими теплофизическими характеристиками горных пород?

3. В слоистых породах наблюдается большая теплопроводность вдоль слоистости (λ ║) или перпендикулярно слоистости.(λ ┴)?

4. Как происходит передача тепловой энергии в пористых породах?

5. Пористость, трещиноватость и пустоты в горной породе приводят к снижению или повышению ее коэффициента теплового расширения?

6. Какой метод используется для определения удельной теплоемкости и коэффициента температуропроводности горных пород?

7.На чем основан метод определения удельной теплоемкости горной породы?