Теплопроводность грунта

Теплопроводность - грунт - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Cтраница 3

На рис. 9 представлен характер изменения коэффициента теплопроводности грунта вокруг горячего трубопровода диаметром 220 мм, уложенного в глинистом грунте на глубину 1 6 м до нижней образующей, во времени. Изменение величины Кг построено на основании обработки температурных полей на соответствующие моменты времени. В области высоких температур ( 343 - 373 К) коэффициент теплопроводности при удалении от стенки трубы падает по мере понижения температуры, что достаточно хорошо согласуется с общепринятыми соотношениями.  [32]

На рис. 4.1 приведены кривые изменения коэффициента теплопроводности грунтов Хгр различной плотности р в зависимости от изменения влажности W. Определение теплофизических свойств грунта производилось по пробам, которые отбирались вдоль трассы нефтепровода Узеиь-Гурьев - Куйбышев.  [33]

Проверка показала, что разброс расчетных значений коэффициента теплопроводности грунта довольно большой. Рекомендо - вать к практическому применению какую-либо из рассмотренных зависимостей невозможно.  [34]

На рис. 1 - 1 представлена зависимость коэффициента теплопроводности грунта от температуры при отрицательных и положительных ее значениях, полученная автором. Из нее следует, что при отрицательных температурах коэффициент теплопроводности выше, чем при положительных, так как теплопроводность замерзшей воды, содержащейся в порах, выше, чем незамерзшей.  [36]

Веяние содержания оды на те. Р - З е - аш - - оводность пескам глины ( Деивенпор ФФ и. ины ( Дейвен.  [37]

Откуда затем, есТи значение Ф известно, можно вычислить теплопроводность грунта.  [38]

В результате предложена эмпирическая зависимость для определения расчетного значения коэффициента теплопроводности грунта в зависимости от температуры транспортируемой нефти и значения Vp в естественном тепловом состоянии. Для определения коэффициента теплопроводности использован закон Фурье. Выяснено, что при пуске нефтепровода в эксплуатацию грунт вокруг него начинает подсушиваться и коэффициент теплопроводности уменьшается. В результате в пусковой период ( до 5 сут) наблюдается интенсивный отток влаги из ближайших к трубе слоев грунта и на некотором расстоянии от нее образуется зона повышенной влажности, где ( Коэффициент теплопроводности будет выше, чем в естественном теплово: М состоянии. В последующие моменты времени процесс перераспределения влаги происходит медленнее до тех иоп, пока не установится стационарное распределение, при котором грунт наиболее подсушен у стенки трубы, а на удалении от нее влажность грунта достигает значения, соответствующего его естественному тепловому состоянию.  [39]

В номограмме на рис. 111 - 33 не введены шкалы для теплопроводности грунта.  [40]

Получены экспериментальные данные о нестационарных температурных полях грунта и изменениях коэффициента теплопроводности грунта, а также его сопротивления. В результате обработки экспериментальных данных установлено значительное, в десять раз и более, изменение полного коэффициента теплопередачи. Им установлено, что в течение года изменение условий теплообмена нефтепровода с окружающим грунтом приеходит весьма медленно и на протяжении отрезков времени, равных месяцу, тепловой режим нефтепровода можно условно считать стационарным. Выполненный в [2, 13] обзор работ по методам расчета переходных режимов работы нефтепроводов с подогревом позволяет сделать вывод, что существующие в настоящее время методы расчета переменных режимов работы неизотермических нефтепроводов недостаточно полно учитывают взаимное влияние трубопровода и окружающей среды. Так, не учитывается изменение температуры поля грунта; предполагается известной тепловая мощность трубопровода или температура стенки трубы. В действительности же температура стенки трубы, тепловые потери трубопровода не могут быть заданы произвольно, а определяются из совместного решения уравнений движения и энергии для нефти, с одной стороны, и уравнения распространения тепла в грунте, с другой стороны. Такой подход положен в основу исследований, обобщенных в данной работе.  [41]

Им учтена в формуле В. Г. Шухова зависимость коэффициента теплопередачи от параметра Рейнольдса и теплопроводности грунта.  [42]

Рй АгртУ ( Сгр г. Р) - критерий Фурье; Агр - теплопроводность грунта; т - время; сгр - теплоемкость грунта.  [43]

Мощность активного слоя невелика и зависит от широты местности многолетних температурных изменений и теплопроводности грунта.  [44]

Поле коэффициента теплопроводности грунта вокруг нефтепровода Узень - Шевченко.  [45]

Страницы:      1    2    3    4

Компьютерное моделирование искусственного замораживания грунтов | Искусственное замораживание грунтов

Компьютерное моделирование позволяет при помощи расчётных методов, таких как, метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов, оценить, как поведёт себя объект – здание, газовая скважина, насыпь дороги, опора трубопровода и др. – в реальных условиях эксплуатации. Моделирование помогает убедиться в эффективности и надежности принятых проектных решений с минимальными временными и материальными затратами.

Для компьютерного моделирования искусственного замораживания грунтов используется специализированное программное обеспечение — Frost 3D Universal, где с помощью численных методов осуществляется решение уравнения теплопроводности с граничными условиями:

где  — температура;  — время;  — зависимость теплопроводности от температуры;  — объемная теплоемкость воды;  — скорость фильтрации;  — источники и стоки тепла;  — коэффициент теплообмена;  — температура внешней среды;  — температура источника теплового излучения;  — степень черноты поверхности грунта;  — постоянная Стефана – Больцмана;  — тепловой поток, например с испарителя охлаждающего устройства.

Эффективная теплоемкость и теплопроводность грунта могут задаваться в виде зависимостей от температуры либо вычисляться по соответствующим уравнениям.

Наиболее широкое распространение для вычисления эффективной теплоемкости и теплопроводности получили уравнения вида:

где  — теплопроводность талого и мерзлого грунта соответственно;  — объемное влагосодержание грунта;  — зависимость льдистости от температуры, которая может быть аппроксимирована следующей эмпирической зависимостью:

 — температура фазового перехода вода-лед;  — эмпирический коэффициент, который определяет крутизну изменения льдистости от температуры в окрестности фазового перехода.

Уравнение теплопроводности с граничными условиями решается для трехмерной области, которая анализируется при проектировании объекта. Данная область, как правило, включает в себя геолого-литологические слои грунта, проектируемые основания и фундаменты, теплоизоляционные слои, устройства для охлаждения грунта и другие элементы.

Область моделирования участка для искусственного замораживания грунта

За верхнюю границу области моделирования, как правило, принимают поверхность земли, а нижнюю границу располагают на достаточно большой глубине, чтобы минимизировать её влияние на тепловые процессы в интересующей проектировщика области.

На верхней границе области моделирования задаются условия теплообмена с окружающей средой, которые определяются температурой воздуха и коэффициентом теплообмена. При наличии источников теплового излучения, например, факела сжигания попутного газа, дополнительно задается температура источника излучения и степень черноты поверхности грунта. Учет влияния снегового покрова на теплообмен поверхности грунта осуществляется путем задания изменения во времени толщины снежного покрова и его теплопроводности.

На нижней границе области моделирования задается температура грунта согласно термометрическим данным. На боковой поверхности области моделирования, как правило, задается нулевой тепловой поток. При этом боковые границы области моделирования должны быть расположены достаточно далеко от интересующего проектировщика участка, чтобы они не оказывали влияние на расчет тепловых процессов.

Задание граничных условий на области моделирования при прогнозировании теплового режима грунтов

Следует отметить, что область моделирования состоит из неоднородных слоев грунта, с различными теплофизическими свойствами – теплоемкостью, теплопроводностью, плотностью и влагосодержанием. В связи с этим для компьютерного моделирования искусственного замораживания грунтов необходимо построение трехмерной области моделирования, в которой учтено реальное распределение слоев грунта с различными теплофизическими свойствами. Такое распределение слоев грунта строится на основании данных, полученных по инженерно-геологическим скважинам. При сложном строении грунтов для восстановления области моделирования необходимо использовать методы геостатистики.

Восстановление геолого-литологического строения грунтов на основании инженерно-геологических скважин

Поскольку для решения уравнения теплопроводности в трехмерной постановке необходимо использовать численные методы, область моделирования дискретизируется расчетной сеткой. Для моделирования тепловых процессов в грунтах для больших пространственных масштабов оптимально использовать гексаэдрическую расчетную сетку. В результате дискретизации заданные пользователем теплофизические свойства грунтов и граничные условия переносятся на соответствующие элементы и грани элементов расчетной сетки.

Дискретизация области моделирования гексаэдрической сеткой

В результате численного решения уравнения теплопроводности получается трехмерное распределение температур в моделируемой области для различных моментов времени. Полученное тепловое поле используется для анализа тепловых режимов грунтов и изменения их механических свойств. На основании анализа принимается решение по обеспечению несущей способности грунтов.

13.2 Тепловые свойства почвы – дождь или солнце

Основными тепловыми свойствами почвы или любого вещества являются теплоемкость и теплопроводность. Теплоемкость может быть определена на единицу массы, и в этом случае ее часто называют удельной теплоемкостью, или на единицу объема, и в этом случае ее называют объемной теплоемкостью. Иногда полезно учитывать отношение теплопроводности к объемной теплоемкости, и это отношение называется температуропроводностью. Ниже мы определим и рассмотрим каждый из них по очереди. Знание тепловых свойств почвы необходимо, чтобы предсказать, как температура почвы изменяется в пространстве и во времени. Датчики, которые измеряют тепловые свойства почвы, могут использоваться для неразрушающего контроля содержания влаги в почве. Тепловые свойства почвы также играют роль в нескольких подходах, основанных на дистанционном зондировании, для оценки влажности почвы в больших регионах.

13.2.1 Теплопроводность

Почва Теплопроводность (λ) есть отношение величины кондуктивного потока тепла через почву к величине температурного градиента (Вт м ^-1 °С ^-1 ). Это мера способности почвы проводить тепло, точно так же, как гидравлическая проводимость является мерой способности почвы «проводить» воду. На теплопроводность почвы влияет широкий спектр ее характеристик, в том числе:

• наполненная воздухом пористость
• содержание воды
• насыпная плотность
• текстура
• минералогия
• содержание органических веществ
• структура почвы
• температура почвы

Среди обычных почвенных компонентов кварц обладает самой высокой теплопроводностью, а воздух — самой низкой теплопроводностью (Таблица 13‑1) [8] [9]. Часто большая часть песчаной фракции в почвах состоит в основном из кварца, поэтому песчаные почвы имеют более высокие значения теплопроводности, чем другие почвы, при прочих равных условиях. Поскольку теплопроводность воздуха настолько мала, то доминирующее влияние на теплопроводность почвы оказывает заполненная воздухом пористость. Чем выше пористость, заполненная воздухом, тем ниже коэффициент теплопроводности (рис. 13‑4). Теплопроводность почвы увеличивается с увеличением содержания воды, но не чисто линейным образом. Для сухой почвы относительно небольшое увеличение содержания воды может существенно увеличить тепловой контакт между минеральными частицами, поскольку вода прилипает к частицам, что приводит к относительно большому увеличению теплопроводности.

Таблица 13‑1. Теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость обычных компонентов почвы при 10 °C (согласно de Vries, 1963, таблица 7.1; адаптировано из Horton and Ochsner, 2011).

Рис. 13‑4. Теплопроводность (l), объемная теплоемкость (C) и температуропроводность (a) в зависимости от объемного содержания воды (q), объемной доли твердых веществ (vs) и воздушной пористости (na) для четырех различных почв. Воспроизведено из Ochsner et al. (2001).

13.2.2 Теплоемкость

Грунт Объемная теплоемкость ( C ) — количество энергии, необходимое для повышения температуры единицы объема почвы на один градус (Дж м ^-3 °C ^-1 ). В отличие от теплопроводности объемная теплоемкость возрастает строго линейно с увеличением влажности почвы (рис. 13‑4). Объемная теплоемкость также является линейной функцией объемной плотности. Объемную теплоемкость можно рассчитать по формуле

 (уравнение 13-2)

где ρ _б – объемная плотность грунта (г см ^-3 ), cs – удельная теплоемкость твердых веществ грунта (Дж г-1 °С-1), ρ _w – плотность воды ( g см ^-3 ), c _w - удельная теплоемкость воды, а θ - объемное содержание воды (см ³ см ^-3 ). Для повышения температуры более влажной и плотной почвы требуется больше энергии, чем для повышения температуры более сухой, менее плотной почвы, имеющей меньшую объемную теплоемкость. Это один из факторов, который может способствовать снижению температуры почвы и задержке развития сельскохозяйственных культур на почвах, обработанных без обработки [10].

13.2.3 Температуропроводность

Грунт Температуропроводность - отношение теплопроводности к объемной теплоемкости (м ² с ^-1 ). Это показатель скорости, с которой изменение температуры будет передаваться через почву путем теплопроводности. Когда коэффициент температуропроводности высок, изменения температуры быстро передаются через почву. Логически, на температуропроводность почвы влияют все факторы, влияющие на теплопроводность и теплоемкость. Температуропроводность несколько менее чувствительна к влажности почвы, чем теплопроводность и объемная теплоемкость (рис. 13-4). Температуропроводность является особенно полезным параметром, помогающим понять и смоделировать температуру почвы, что является следующей темой, которую мы рассмотрим.

Оценка теплопроводности почвы

Почему важно знать теплопроводность почвы?

Теплопроводность почвы чрезвычайно важна для экологически чувствительных применений в сельском хозяйстве и строительстве. Как правило, теплопроводность почвы увеличивается с увеличением влажности. В строительной отрасли подземные кабели и трубопроводы представляют собой возможную угрозу. Когда строительные компании строят подземные системы, они должны уделять пристальное внимание уровню влажности и теплопроводным свойствам окружающего грунта. Если отмечена низкая теплопроводность грунта, кабели и трубопроводы могут перегреться и потенциально могут загореться. При работе с заглубленными трубами горячей воды требуется окружающий грунт с низкой теплопроводностью, чтобы свести к минимуму потери тепла из труб в землю. Таким образом, точные и надлежащие тепловые испытания и, в конечном счете, правильный выбор материалов для обратной засыпки являются ключевыми факторами для длительного использования подземных систем.

Как измерить теплопроводность почвы

Создатели портативного измерителя теплового сопротивления Thermtest TLS-100 (рис. 1) стремились создать удобное и простое в использовании оборудование для измерения теплопроводности почвы и других природных материалы в поле. Благодаря обширным исследованиям и моделированию, TLS-100 способен тестировать грунты и другие мягкие материалы с превосходной точностью 5 % и воспроизводимостью 2 % в соответствии со стандартом ASTM D5334 — Стандартный метод испытаний для определения теплопроводности. Почва и мягкая порода методом термоигольчатого зонда. TLS-100 также предназначен для учета изотермического дрейфа в образце перед измерением. Температура образца контролируется перед каждым испытанием, и температурный дрейф регистрируется как часть измерения, чтобы при необходимости обеспечить компенсацию дрейфа.

Рис. 1. Портативный измеритель удельного теплового сопротивления Thermtest TLS-100 предоставляет пользователям возможность измерять тепловые свойства грунтов, твердых и порошкообразных материалов с теплопроводностью в диапазоне от 0,1 до 5 Вт/м·К и удельным тепловым сопротивлением в диапазоне от 0,2 до 10 м. ·K/Вт, в диапазоне температур от -40 до 100°C.

Изменения физических свойств могут оказывать существенное влияние на теплопроводность грунтов. Как правило, теплопроводность пропорциональна содержанию влаги. Таким образом, чем выше влажность почвы, тем выше теплопроводность, и наоборот. Для этого эксперимента исследователи из Thermtest решили исследовать взаимосвязь между теплопроводностью и влажностью почвы.

Какова теплопроводность почвы при различных уровнях влажности?

Два образца почвы с двумя крайними уровнями влажности (0% и 100%) были оценены на предмет их тепловых свойств. Для начала образец почвы был взят за пределами лаборатории Thermtest и оставлен для естественного высыхания на три недели в условиях окружающей среды. Чтобы успешно имитировать известную плотность почвы Нью-Брансуика (Tarnawski, et al. (2015)), был использован метод ударного уплотнения для уплотнения почвы в держателе образца двумя отдельными слоями. Затем для образца почвы с нулевым насыщением зонд TLS-100 осторожно вставляли в центр сухого образца. Перед выполнением каких-либо измерений установка зонда/образца давала возможность стать изотермически стабильной в течение 10 минут.

Для образца почвы, насыщенного на 100%, выполнялась точная процедура, как указано выше, только почва уплотнялась в бездонный держатель образца, прикрепленный марлей. Этот новый держатель образца затем помещали в большую посуду с водой, и держатель образца оставляли на 12 часов, чтобы позволить образцу почвы достичь 100% насыщения за счет типа капиллярного действия. Перед введением зонда держатель образца удаляли из большей чашки и помещали на сухое блюдце. Затем в центр образца вставляли зонд TLS-100 и снова проводили 10-минутный период ожидания.

Рис. 2. Портативный измеритель теплопроводности/удельного сопротивления TLS-100, измеряющий тепловые свойства образца грунта с нулевым насыщением (слева) и образца грунта со 100% насыщением (справа).

Как долго нужно проверять теплопроводность грунта?

Из-за временного характера этого метода время тестирования относительно невелико (~ 2 минуты), что является важной особенностью при тестировании материалов с высоким содержанием влаги. Во время теста вставленный датчик TLS-100 выделяет тепло в течение заданного периода времени. В течение этого периода через равные промежутки времени регистрируются многочисленные показания температуры. По мере охлаждения показания температуры снова повторяются через равные промежутки времени. Затем на основе записей температуры рассчитывается теплопроводность почвы по следующему уравнению:

k = q / 4πa

k = теплопроводность
q = тепловая мощность иглы
a = крутизна роста температуры за логарифм времени

Результаты теплопроводности почвы

свойства двух образцов почвы: 0% насыщение и 100% насыщение при комнатной температуре.