Файл: Иванов, Н. С. Теплофизические свойства насыпных грузов.pdf

точной точностью описывается квадратичной, функцией

Т(г, т ) = Л 0( т ) + Л , ( т ) г 2.

Тогда частные производные в уравнении (48) запишутся

Из этого уравнения находится формула для определения коэффициента температуропроводности промерзающего (протаивающего) образца:

термограммы (см. рис. 1) и перепад температуры АТ между центром и поверхностью образца, определяют по формуле

(52)эффективное значение коэффициента температуропро­

водности в области зоны протаивания. ? !

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА НЕЗАМЕРЗШЕИ ВОДЫ

Процессы, протекающие в промерзающих и оттаивающих средах, в значительной степени обусловлены равновесием от­ дельных фаз воды. Физико-химические процессы при отрица­ тельных температурах и особенности физических и механи­ ческих свойств мерзлых сред связаны с наличием в них неза­ мерзшей воды, или воды в жидкой фазе.

Количество незамерзшей воды в дисперсных и пористых средах определяется: а) величиной удельной поверхности час­ тиц или твердого остова, химико-минералогическим составом адсорбента, обменной способностью и составом обменных ка­ тионов; б) содержанием и составом водорастворимых соеди­ нений; в) внешними условиями: температурой и давлением.

Первые экспериментальные данные о фазовом составе во­ ды в мерзлых средах были получены при помощи дилатомет­

рического метода. Сущность последнего — в определении со­ держания льда по изменению объема среды при замерзании воды, содержащейся в ней. Необходимо отметить, что дилато­ метрический метод дает, как правило, завышенное содержа­ ние льда. В 1945— 1946 гг. 3. А. Нерсесовой был разработан калориметрический метод определения содержания незамерз­ шей воды. Для получения зависимости содержания незамерз­ шей воды от температуры с помощью калориметрического ме­ тода требуется проведение большого количества опытов. Р. И. Гаврильевым (1970) разработан метод определения температурной зависимости удельной эффективной теплоем­ кости промерзающих и протаивающих грунтов и количества незамерзшей воды в них по одному опыту. Ниже предлагает­ ся уточненная формула определения зависимости количества незамерзшей воды из данных опытной термограммы. Для получения этой формулы рассмотрим уравнение теплового ба­ ланса исследуемого образца

Qоб1Ц— количество тепла, выделяемое нагревателем:

Собщ=/2ЯАт. (54)

Qi — количество тепла, идущее на нагрев оболочки, которое находится из опытов с прибором без образца, Q2 — количество тепла, идущее на нагрев скелета материала:

20

где q0 (Т) = 79,75 4- 0,5ГОбР —----- теплота фазового перехо­

да. Тогда

4~ in-\GCBAT — in-iGC^AT 4 - 2q0 (T) in-\G.

В первом интервале температурного диапазона фазовых превращений эта формула недостаточно точна. Для получе­ ния более корректной формулы уравнение теплового баланса необходимо представить в следующем виде:

Фобщ — Ql - Q2 = CBG (Гв - г,.з) + C.G (l - 4 ) (TVs - 7\) +

Р

гдеW = - ~ - 100% — отношение общей влаги к сухому весу в

“ ск

процентах.

2 )

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Измерительная и электрические схемы установки показаны на рис. 2. Основной частью установки для определения теплофизических характеристик насыпных материалов являются две коаксиальные цилиндрические медные оболочки. Внут­ ренняя оболочка из тонкой фольги с радиусом 1,5 см и длиной 10 см (концы закрываются крышками из теплоизоляционных материалов) заполняется испытываемым насыпным матери­ алом. Применение торцовых теплоизоляторов резко уменьша­ ет теплопот.ери образца и позволяет использовать аналити­ ческие решения уравнения теплопроводности при граничных условиях второго рода. Поверх оболочки намотана спираль из константанового провода с общим сопротивлением 300 Ом (диаметр нагревательного провода 0,2 мм), с помощью ко­ торой создается постоянный тепловой поток на поверхности образца. Выбор константанового провода малого сечения, имеющего незначительную теплоемкость, с практически по­ стоянным электрическим сопротивлением (в пределах диапа­ зона изменения температуры опыта) обусловлен необходи­ мостью сохранения постоянства теплового потока на поверх­ ности образца.

Для измерения температуры нагрева опытного образца применяются две термопары. Одна из них предназначена для измерения температуры в центре, другая — на поверхности. Холодные спаи термопар помещают в сосуд Дьюара стающим снегом или льдом.

При нагреве цилиндрического образца источником тепла постоянной тепловой мощности тепло подается не только во­ внутрь образца, но и на нагревание окружающей образец среды (воздуха). Для уменьшения такой утечки тепла до ми­ нимума применяется охранная внешняя медная цилиндри­ ческая оболочка с намотанным на ее поверхность электриче­ ским нагревателем с сопротивлением 50— 100 Ом. Постоянство температуры внутренней и внешней оболочек поддерживается автоматически при помощи электронного устройства (Василь­ ев, Ханаева, 1971; Гаврильев, 1970).

Показания температуры нагрева на поверхности и в центре образца регистрируются самописцем ЭПП-09М, при этом термопары переключаются поочередно через реле (см. рис. 2), работающее на принципе зарядки и разрядки двух конденса­ торов. В результате записи температуры нагрева образца по­ лучаются кривые, подобные приведенным на термограмме (см. рис. 1). Для мерзлой и талой зон при расчете коэффи­ циентов тепло- и температуропроводности испытываемых об­ разцов применяются методы точных решений или квазистационарного режима.

.22