Теплофизические свойства талых и мерзлых грунтов, загрязненных дизельным топливом

Тем не менее, увеличение содержания германия в сплаве БЮе и, соответственно, рост механических напряжений в яме сопровождаются формированием дефектов, обладающих малыми временами перезарядки. В результате, в структурах, в которых дислокации и другие крупные структурные нарушения еще не обнаруживаются, процессы обмена носителями между квантовой ямой и окружающей ее матрицей уже кардинально меняются. Вместо захвата на уровни размерного квантования в ямах происходит захват на глубокие уровни дефектов, генерированных на гетерограницах квантовых ям, и именно их перезарядка наблюдается методом С)-ВЬТ8. Обмен с уровнями в яме наблюдается только при Т < 120 К. Времена эмиссии носителей с уровней в яме для данных структур составили 10-300 мс, тогда как времена выброса носителей с уровней дефектов варьировались от 10 мс до 1 мкс.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 08-02-00351, а также аналитической

ведомственной целевой программы 2,1.1/2612.

Литература

1. Douglass .Т. P. Si/SiGe heterostructures: from material and physics to devices and circuits. Semicond. Sci. Technol. 19 (2004). R75-R108.

2. Antonova I. V., Soots R. A.. Guliaev М. B., Prinz V. Ya., Kagan M. S., Kolodzey J. Electrical passivation of Si/SiGe/Si structures by 1-octadecene monolayers //Appl. Phys. Let., 91, 102116.2007.

3. Antonova I. V.. Neustroev Ё. P., Smagulova S. A.. Kagan M. S.. Alekseev P. S.. Ray S. K.. Sustersic N.. Kolodzey J. Deep Level Spectroscopy studies of confinement levels in SiGe quantum wells //J. Appl. Phys.. 106. 084903. 2009.

4. Debbar N.. Biswas D.. Bhattacharya P., Conduction-band offsets in pseudomorphic In^Ga^As/Alo^GaosAs quantum wells (0.07<x<0.18) measured by deep-level transient spectroscopy//Phys. Rev. B. 1989, v.40, p.1058-1063 .

5. Schmalz K., Yassievich I. N.. Colart E. .T., Gravesteijn D. J. //Phys. Rev. В 54. 16799 (1996).

6. Antonova I. V.. Shaimeev S. S., Tyshenko I. E. Use of the DLTS method to study defects formed in silicon as a result of bombarding it with N+//. Semiconductors, 27, 234, (1993).

УДК 631.436

А. М. Тимофеев, О. H. Кравцова, А. В. Малышев, Н. А. Протодъяконова

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТАЛЫХ И МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ДИЗЕЛЬНЫМ ТОПЛИВОМ

Приводятся результаты экспериментальных исследований тепловых свойств талых и мерзлых грунтов (песок, супесь, суглинок), загрязненных дизельным топливом.

Определены значения теплопроводности, удельной теплоемкости в зависимости от вида грунта, влажности и концентрации загрязнения. Они используются для математического моделирования тепловых процессов, протекающих в грунтах, загрязненных нефтепродуктами.

Ключевые слова: тепловой режим, теплопроводность, удельная теплоемкость, загрязнение, дизельное топливо, талые грунты, мерзлые грунты, концентрация, нефтепродукты, влажность.

ТИМОФЕЕВ Анатолий Михайлович - д.т.н.. Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН. E-mail: a.m.timofeev@iptpn.ysn.ru КРАВЦОВА Ольга Николаева - к.т.н.. ИФТПС СО РАН. E-mail: o.n.kravtsova@iptpn.ysn.ru

МАЛЫШЕВ АцексейВладилшрович - к.т.н.. ИФТПС СО РАН. E-mail: a.v.malyshev@iptpn.ysn.ru ПРОТОДЪЯКОНОВА Надежда Анатольевна - к.ф-м.н., ИФТПССОРАН

E-mail:n.а.protodyakonova@iptpn.ysn.ru

A. M. Timofeev, O. N. Kravtsova, À. V Malyshev, N, A Protodyakonova Thermophysical properties of thawed and frozen soil contaminated by diesel fuel

There are presented the results of experimental research on thawed and frozen soil (sand, sandy loam, loam) contaminated by diesel fuel. Values of heat conductivity, thermal capacity depending on the type of soil, humidity and concentration of contamination are determined. These data are used for mathematical modeling of thermal processes that occur in a soil contaminated by oil products.

Key words: temperature, heat conductivity, thermal capacity, contamination, diesel fuel, thawed soil, frozen soil, concentration, oil products, humidity.

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами грунтов в талом состоянии может изменить их тепловой режим. Нефтепродукты во влажной пористой среде, как правило, практически не смешиваются с водой из-за неспособности образовать водородные связи и присутствуют в виде разрозненных капель, отдельных включений, окруженных водной пленкой [1]. Необходимо также отметить, что сложность процесса переноса тепла обусловлена, во-первых, тем, что теплопроводящие свойства компонент, из которых состоит грунт, изменяются в широком диапазоне, во-вторых, в дисперсной системе такой, какой являются грунты со своеобразной структурой порового пространства, передача тепла происходит кондуктивным, конвективным и лучистым теплообменом. Теплопроводность нефтепродуктов и составляющих их углеводородов, по данным работ [2, 3], изменяется от 0,11-0,14 Вт/(м-К). Теплопроводность воды при температуре 20 "С составляет 0,59 Вт/(м-К) [4]. Отсюда видно, что теплопроводность нефтепродуктов примерно в 5 раз меньше теплопроводности воды.

Зависимость теплофизических свойств компонент, слагающих загрязненную нефтепродуктами дисперсную среду, от температуры не однозначная. Так, с повышением температуры теплопроводность нефтепродуктов и породообразующих минералов уменьшается, а воды увеличивается. Теплоемкость воды с повышением температуры падает, а нефтепродуктов и породообразующих минералов увеличивается. Величина удельной теплоемкости нефти и нефтепродуктов составляет от 1,8-2,2 кДж/(кг-К) [2] и лежит между значениями теплоемкости воды и минерального скелета.

Исследование процессов, происходящих в дисперсных средах, какими являются и грунты, при наличии нефтепродуктов - актуальная задача в плане совершенствования и разработки мероприятий по профилактике, ликвидации, оценке негативных последствий загрязнения нефтепродуктами. Экспериментальное исследование тепловых свойств грунтов, загрязненных нефтепродуктами, позволит создать базу данных для математического моделирования процессов теплопереноса в них. В настоящее время из-за отсутствия данных по тепловым свойствам загрязненных грунтов в расчетах часто используются данные, полученные для незагрязненных грунтов.

Для проведения искусственного загрязнения в работе был использован один вид товарного нефтепродукта - дизельное топливо (ДТ) марки Л-0,2-40 плотностью 813 кг/м и теплопроводностью 0,12 Вт/(м-К). Определение теплопроводности и теплоемкости влажных талых и мерзлых грунтов, загрязненных дизельным топливом, при естественных температурах проводили комплексным методом непрерывного ввода тепла [5]. В качестве объектов исследований были взяты песок, суглинок и супесь.

При исследовании теплофизических свойств влажных фунтов в мерзлом и талом состояниях, загрязненных нефтепродуктами, применялся комплексный метод определения теплофизических свойств дисперсных материалов [6], который основан на квазистационарном тепловом режиме нагрева тел при граничных условиях 2-го рода. Опыты проводились при известной величине теплового потока.

Теоретической основой метода является решение уравнения теплопроводности при разогреве бесконечно длинного цилиндрического образца тепловым потоком постоянной мощности [7].

д2Т | 1 ЭГ _ 1 ЭТ

Эг2 г дг а дТ

Т> 0, К>г >0, Т

_эг(д.п+1 = 0 awi.Q,т(о,т)*~.

дг Л д г

Температурное поле имеет следующий вид:

Т (г, Т) = Т0 +^-

2 а т 1 i 2 г '

R 2

R-

R

EL V

л h м )

ехр (- MÏFo).

При числе Фурье квазистационарный тепловой суммой членов ряда можно пренебречь.

Fo > 0,5 наступает режим, при котором

Т(г,т)=Т0+^

2а г R2

(

1-

2 г

2 А

R-

Из последнего выражения следует расчетная формула для теплопроводности

с/К

л=-

2 АТ

где АТ = Т(Я,т)-Т(0,т).

Для удельной теплоемкости формула получается из определения

\ (Ю 1 „ П1 с!т 2аУАт

с =----— = — 2 лШа— ~ —---------,

т с!Т т с!Т тЯА!'

а для объемной теплоемкости формула имеет вид

2с]Ат

су =

ПАТ

С учетом теплоемкости измерительной ячейки формулы для расчета теплопроводности и объемной теплоемкости примут вид

^ сЪ ^

я =

дЯ

су =

2АТ 2д

ЯЬ

(

1-

¿'<7.

сУх

8ц

\ * /

где </ - плотность теплового потока, (Вт/м2); площадь боковой поверхности цилиндра, (м"); радиус, (м); с„ - теплоемкость ячейки, (Дж/К): скорость нагрева, (К/сек).

Т еплоемкость измерительной ячейки постоянная прибора определяется по формуле

12Я

с„ =

-с  т .

.V -К -Ь -

или

На рис. 1 приведена зависимость теплопроводности чистого и загрязненного песка плотностью 1570 кг/м от влажности в талом и мерзлом состояниях.

А, Вт/

2,21

18

1,6'

1,4

1,2

1

0,8

Аф

>«“ г

V

Щ %

10

14

18

где / - сила тока. А, Ян - сопротивление нагревателя. Ом; е . т • • удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) и масса эталонного материала, кг.

Формулы (7), (8) применяются для определения теплофизических свойств на участках квазистационарного нагрева (полностью мерзлая или талая зона). На участке, где происходит оттаивание образца, квазистационарный режим переходит в монотонный режим нагрева. В этом случае расчет теплофизических свойств уже нельзя вести по формулам (7), (8), поскольку теплофизические

свойства зависят от температуры. Поэтому в области температур фазовых переходов теплофизические характеристики находят исходя из решения задачи теплопроводности с нелинейными коэффициентами. Среди известных методов с использованием нелинейных задач более распространенными являются методы монотонного теплового режима, в которых используется способ последовательных приближений [8].

Определение теплофизических свойств дисперсных грунтов в области фазовых переходов выводится из решения нелинейного уравнения теплопроводности с источником тепла при граничных условиях второго рода методом последовательных приближений [6].

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности мерзлого (сплошные линии) и талого (пунктирные линии) песка от влагосодержания при различных концентрациях загрязнения: ♦ - г-ОЩ • - г-5%; Ж - 2-10:%: И-г-15 %

Характер изменения теплопроводности

загрязненного песка с ростом влажности такой же, как и в отсутствии загрязнения. Загрязнение песка в талом состоянии способствует переносу тепла. При концентрации загрязнения, равной 15%, в талом песке теплопроводность увеличивается на 9%. В мерзлом состоянии теплопроводность загрязненного песка также выше по сравнению с незагрязненным песком.

Влияние загрязнения в мерзлом песке увеличивает величину теплопроводности на 12% при максимальном загрязнении.

При влашсодержании, близком к полному заполнению пор в мерзлом состоянии, наблюдается уменьшение теплопроводности по сравнению с незагрязненным песком.

Увеличение теплопроводности происходит также у образцов супеси и суглинка. На рис. 2 и 3 приведена экспериментальная зависимость теплопроводности от влагосодержания для супеси и суглинка в талом и мерзлом состояниях при разных степенях загрязнения.

А, Вт/

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности мерзлой (сплошные линии) и талой (пунктирные линии) супеси при различных концентрациях загрязнения: ♦ - /-О"«. • - /-5%: А-2-10 %: -/-15".,

Л Вт/(м К) 1,7

1,5

1,3

1,1

0,9

0,7

0,5

А л

. : -,4

1

Iг9%

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопроводности суглинка в мерзлом (сплошные) и талом (пунктирные линии) состояниях при различных концентрациях загрязнения от влажности: ♦ - 2-0%; • - 2-5%; А-2-10%; - г-15 %

X, Вт/

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопроводности от степени загрязнения в различных образцах грунта в мерзлом состоянии

застывания, и как показывают результаты других исследователей, при промерзании загрязненных этим видом нефтепродукта грунтов происходит усиление сегрегации льда с изменением криогенной структуры [10.11].

На рис. 5 представлена зависимость объемной теплоемкости от влажности в талом и мерзлом песке.

Закономерность изменения теплоемкости загрязненного песка от влажности в талом и мерзлом состояниях соответствует незагрязненному песку. Теплоемкость загрязненного песка в талом состоянии выше, чем в мерзлом. Как видно из графиков, объемная теплоемкость загрязненного песка увеличивается с ростом концентрации загрязнения. Значение объемной теплоемкости мерзлого песка при концентрации загрязнения, равной 5%, увеличивается на 10,4% по сравнению с незагрязненным грунтом, причем как видно из семейства экспериментальных кривых, эта разность возрастает с ростом загрязнения. При степени загрязнения, равной 15%, разница между загрязненным и чистым песком в мерзлом и талом состояниях достигает 40%. ср. кДж/

2.50Е+03

Х'Х X / л ♦

V* * Г' л

А ж)

ЦШ ♦

ш, %

В талом состоянии теплопроводность у супеси и суглинка увеличивается на 20 и 12% при концентрации загрязнения 15%. В мерзлом состоянии теплопроводность супеси увеличивается на 19%, а суглинка на 11%. Повышение теплопроводности в ненасыщенных водой грунтах объясняется замещением доли объема воздуха дизельным топливом.

При влагосодержаниях, близких к полному влагонасыщению в исследуемых образцах грунта, в мерзлом состоянии наблюдается уменьшение теплопроводности. Так, у супеси снижение теплопроводности проявляется сильнее, чем у загрязненного образца песка и составляет 12% при максимально возможной концентрации загрязнения в 10% (рис. 4). Снижение теплопроводности для песка и суглинка составляет 3 и 6%.

Уменьшение теплопроводности при промерзании загрязненного дизельным топливом песка при влажности, близкой к полному заполнению пор, можно объяснить увеличением сегрегацией льда [9]. Дизельное топливо имеет низкую температуру

Рис. 5. Объемная теплоемкость песка в мерзлом (сплошные) и талом (пунктирные линии) состояниях в зависимости от влагосодержания и при разной степени загрязнения: ♦- г-0%:  - г-5%; А - г-10 %; к- г-15 %

ср, кДж/

3.50Е+03 -

3.10Е+03

2.70Е+03

2.30Е+03

1.90Е+03

1.50Е+03

*' .

V ^ А ,** *' х. ч. - М *4 *

*

и; %

10

15

20

25

Рис. 6. Объемная теплоемкость супеси в мерзлом и талом состояниях в зависимости от влагосодержания и при разной степени загрязнения: ♦- г-0%:  - г-5%; А - г-10 %; х-г-15П

ср, кДж/

Рис. 7. Объемная теплоемкость суглинка в мерзлом и талом состояниях в зависимости от влагосодержания и при разной степени загрязнения: ♦- 2-0%;  - 2-5%; А - г-10 %; х-х-I5 "о

Такие же зависимости построены для образцов супеси и суглинка, которые представлены на рис. 6, 7. Увеличение объемной теплоемкости с ростом степени загрязнения наблюдается и в этих типах грунта.

На рис. 8 показана температурная зависимость эффективной объемной теплоемкости песка при

различных значениях загрязнения. Такие же

зависимости были получены для супеси и суглинка.

Увеличение объемной теплоемкости грунтов,

загрязненных дизельным топливом, объясняется

заменой части воздуха на дизельное топливо, имеющее высокое по сравнению с воздухом значение

теплоемкости.

В ходе экспериментальных исследований установлено что:

- при загрязнении в талом и мерзлом состояниях в песке, суглинке и супеси при неполном

влагосодержании грунта теплопроводность

ср, кДж/

3.0Е+03

2.8Е+03

2.5Е+03

2.3Е+03

2.0Е+03

1.8Е+03

увеличивается. Влияние загрязнения на теплопроводность происходит во всем диапазоне концентраций загрязнителя;

- в мерзлом состоянии теплопроводность загрязненного грунта при влагосодержаниях, близких к полному заполнению пор, становится ниже, чем теплопроводность чистого грунта;

- загрязнение образцов грунта увеличивает значение объемной теплоемкости, причем это увеличение происходит пропорционально росту концентрации загрязнителя.

Литература

1. Ананьева Г. В,, Дроздов Д. С., Инстанес А.. Чувилин Е. М. Нефтяное загрязнение слоя сезонного оттаивания и верхних горизонтов многолетнемерзлых пород на опытной площадке «мыс Болванский» в устье р. Печора /Жриосфера Земли, 2003. Т. VII. № 1, с. 49-59.

2. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука. 1972. -720 с.

3. Мустафаев Р. А. Теплофизические свойства углеводородов при высоких параметрах состояния. - М.: Знергоатомиздат, 1991. - 312 с.

4. Чудновский А. Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. - М.: Физматгиз, 1962. - 456 с.

5. Кравцова О. Н.. Малышев А. В.. Тимофеев А. М.. Степанов А. В.. Старостин Е. Г. Влияние загрязнения нефтепродуктами на фазовый состав воды в грунтах // Материалы третьей конференции геокриологов России. - М.: Изд-во МГУ. 2005, Т. 1. с. 66-71.

6. Степанов А. В.. Тимофеев А. М. Определение теплофизических свойств влажных дисперсных материалов в области температур фазовых переходов воды // Известия вузов. Приборостроение. 2003, Т. 46, № 1. с. 60-65

7. Лыков А. В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. школа, 1967. - 600 с.

8. Платунов Ё. С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. - Л.: Энергия. 1973. - 142 с.

9. Гречищев С. Е.. Инстанес А.. Шешин Ю. Б. Лабораторные исследования замерзания нефтезагрязненных дисперсных грунтов и модель их структуры при отрицательной температуре //Криосфера Земли, 2001. T.V. № 2. с. 48 - 53.

10. Гречищев С. Е. Вечная мерзлота и загрязнение территорий /Жриосфера Земли, 2003, Т. VII, № 1. с. 89-90..

11. Микляева Е. С.. Зепалов Ф. Н. Особенности сезонного промерзания грунтов,

загрязненных дизельным топливом (Натурный эксперимент в химкинском районе московской области) // Криосфера Земли. 2008, Т. XI1. № 2. с. 32-39.

Рис. 8. Температурная зависимость объемной теплоемкости песка при разной степени загрязнения: О- 2-0%;  - 2-5%; А - 2-10 %; х - 2-15 %

1.5Е+03

-30 -25 -20 -15 -10