[發明專利]一種土體熱導率和地熱梯度的原位測試裝置及測試方法

有效

• 申請號: 201711119448.5
• 申請日: 2017-11-14
• 公開（公告）號: CN107966471B
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發明（設計）人: 張文偉;蔡國軍;劉松玉
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 32200 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 韓蓮

本申請屬于巖土工程領域，涉及一種土體熱導率和地熱梯度的原位測試裝置及測試方法，包括由上向下依次連接的探桿、伸縮熱探桿以及探頭；伸縮熱探桿包括伸縮套桿、環形熱傳感器、熱線源以及微型馬達；伸縮套桿的一端連接于探頭、另一端連接于探桿；微型馬達有兩個及以上，兩個及以上的微型馬達間隔均勻的安裝于伸縮套桿上，伸縮套桿能在微型馬達的動力作用下進行伸縮；環形熱傳感器有兩個及以上，環形熱傳感器對應安裝于微型馬達上；熱線源設于伸縮套桿內。其將地熱梯度與熱導率測試相結合，使得勘測工程方便、快速、準確、經濟，能夠為地熱能源研究和能源裝工程設計提供快捷有效成本低廉的測試參數。

技術領域

本發明屬于巖土工程領域中一種能夠有效精確的獲得土體基本工程性質和熱力學性質的原位試驗測試元件及裝置，涉及一種利用瞬態線熱源法測試土體熱導率和熱梯度的分段貫入原位測試裝置，具體涉及一種土體熱導率和地熱梯度的原位測試裝置及測試方法。

背景技術

瞬態線熱源法是一種基于無限大介質脈沖加熱線性體形成線熱源產生的瞬態溫度響應，通過記錄并擬合溫升與探頭響應時間關系，進而通過公式計算求出材料熱導率的實驗法，可用于解決熱工程中的材料熱力學性質分析。該方法由熱線法和熱帶法發展而來，并且融合了熱線法和熱帶法的優點，逐步成為熱力學性能測試中備受青睞的測試方法。

熱導率系數是巖土工程中一個非常重要的參數，它是確定淺層巖土體熱力學性能的基礎。表層巖土體熱導率的大小不僅決定著淺層地溫場的展布形態，也決定著熱泵計算功率的核心，是影響地源熱泵工程投資和能耗的關鍵因素。目前實驗室用于測試土樣熱力學性質的方法主要是瞬態線熱源法，其響應速度快，測試較為精準。

地熱梯度也是巖土工程中非常重要的參數之一，它確定了淺層地熱交換效率和地熱井打入深度。是影響地熱泵工程投資能耗的關鍵因素之一，目前的測試儀器較為笨重，且測試效率低下，經濟耗費較高。

發明內容

本發明基于瞬態線熱源法測量土體熱導率系數的方法，提出了一種伸縮分段式的熱探頭測試儀器，將地熱梯度與熱導率測試相結合，使得勘測工程方便、快速、準確、經濟，能夠為地熱能源研究和能源裝工程設計提供快捷有效成本低廉的測試參數。

為實現上述技術目的，本發明采取具體的技術方案為，一種土體熱導率和地熱梯度的原位測試裝置，包括由上向下依次連接的探桿、伸縮熱探桿以及探頭；伸縮熱探桿包括伸縮套桿、環形熱傳感器、熱線源以及微型馬達；伸縮套桿的一端連接于探頭、另一端連接于探桿；微型馬達有兩個及以上，兩個及以上的微型馬達間隔均勻的安裝于伸縮套桿上，伸縮套桿能在微型馬達的動力作用下進行伸縮；環形熱傳感器有兩個及以上，環形熱傳感器對應安裝于微型馬達上，并能隨伸縮套桿的伸縮發生位移；熱線源設于伸縮套桿內，并且熱線源的一端連接于探頭，另一端延伸至探桿內。

作為本發明改進的技術方案，還包括數據接收模塊，數據接收模塊設于探桿的尾端，用于接收環形熱傳感器檢測的數據。

作為本發明改進的技術方案，伸縮套桿為鈦合金不銹鋼材質。

作為本發明改進的技術方案，探桿為合金鋼材質。

作為本發明改進的技術方案，探頭為合金鋼材質。

作為本發明改進的技術方案，探頭為圓錐形結構，并且圓錐形結構的尖端設于遠離伸縮熱探桿的一側。

作為本發明改進的技術方案，伸縮熱探桿長度變化范圍為1m。

本發明另一目的是提供土體熱導率和地熱梯度的原位測試裝置的測試方法，包括如下步驟：

步驟一、調整熱伸縮探桿，使其處于最短長度；將探頭以恒定速度貫入土體；

步驟二、當探頭到達測試深度時，微型馬達控制伸縮套桿伸長，每伸長20cm，處于相對最上位的一個微型馬達帶動該微型馬達所對應的環形熱傳感器隨伸縮套桿移動，直至所有環形熱傳感器全部釋放完畢，停止貫入；