УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

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.
Т
M
2
5. Подключают вывода термометра бюксы, датчика теплового потока, а также термометра расположенного в камере к АЦП и наблюдают текущие значения Т, [°С] и q[B/ ].
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)
2
Где К - коэффициент преобразования, [Вт/(м·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
(2)
Г
В
Л
Б
Р
Г,
Висх,
Л
Б
Р
Ф
Г
Х
Г
Х
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; с, с, с, с, с [кДж/кгК] -соответственно теплоемкость сухого грунта, воды, льда материала бюкса и резины; mmm,m,m [кг], - масса грунта, воды исходная, льда, бюкса и 1/2 массы датчика теплового потока; L[кДж/кг] - теплота фазового перехода; t,°C - температура начала замораживания,; t,°C - конечная температура замораживания; (t-t), - 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:
1
2
где а - время соответствующее началу кристаллизации поровой воды - τ, b - время соответствующее окончанию эксперимента - τ, когда температура образца становится равной температуре рабочей камеры, а плотность теплового потока равной нулю.
Г
З
Х
Так как нас интересует интервал температур от момента начала кристаллизации до конечной отрицательной температуры, то tпримем равной t - равновесной температуры замерзания грунта [2], которая, как правило, ниже ноля. Таким образом формула для нахождения массы льда в образце при температуре t примет
(3)
Х
Таким образом, масса незамерзшей воды, содержащейся в грунте при температуре t, вычисляется по формуле:
H.B.
Bucx
Л
m=m-m (4)
Результаты:
Г
Висх
В качестве примера приводится результаты исследований, проводимые с типом грунта - суглинок. Масса влажного образца=198,87 г, масса после высушивания m=164,20 г, отсюда масса воды в грунте m=34,67 г. масса бюксы = 109,14 г.
Табличные данные:
Г
с=0,81 [кДж/кг·К]
В
с=4,18 [кДж/кг·К]
Л
c=2,09 [кДж/кг·К]
Б
с=0,491 [кДж/кг·К]
Р
с-1,42 [кДж/кг·К]
Ф
L=334 [кДж/кг]
Н.В
В качестве примера приведен расчет одного из значений m.
Х
З
Конечная температура замораживания t в этом случае составляет - 10,29°С.t=-0,25°С
1
X
2
τ [сек] - время замораживания, нас интересует интервал от момента начала фазовых превращений - τ, до конечной температуры tсоответствующей времени τ..
сумма произведений =13763,12 Дж=13,673кДж.
Подставляя все данные в формулу 3:
Н.В.
Т.о.: m=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.