[發明專利]溫控各向異性土體熱物性聯合測試裝置及測試方法

在審

• 申請號: 201711456067.6
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108226220A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 張鑫蕊;孔綱強;侯賽姆·阿布爾·那伽;辛迪克·多梅尼卡
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

本發明涉及溫控各向異性土體熱物性聯合測試裝置及測試方法。測試裝置包括恒溫水箱、隔熱材料、2個傳熱容器、試樣筒、帶加熱線圈的絕熱圓柱體、2個金屬導熱片、溫度傳感器、溫控開關、溫度采集儀和計算機；利用已知熱物性的金屬導熱片和溫度傳感器制成熱通量傳感器；在試驗臺上，依次放置傳熱容器Ⅱ、嵌有溫度傳感器的金屬導熱片Ⅱ、裝有土樣的試樣筒、嵌有溫度傳感器的金屬導熱片Ⅰ和傳熱容器Ⅰ，并在外側設置隔熱材料。測試裝置可以獲得土樣橫向和縱向熱物性參數，且具有結構簡單、操作簡單、數據獲得簡便、費用低和精度高等優點。

技術領域

本發明屬于巖土工程技術領域，特別涉及溫控各向異性土體熱物性聯合測試裝置及測試方法。

背景技術

隨著全球能源危機以及環境問題的日益加劇，“煤荒”、“油荒”、“電荒”等資源緊缺問題已經越發頻頻出現，現有的常規能源和相對較低的一次能源利用率已經很難滿足國民經濟的快速增長。近年來，地熱能、太陽能、風能等可再生能源獲得了蓬勃發展，這些可再生能源不僅可以節約化石能源，而且能減少污染的排放。依托樁基、地下連續墻以及隧道等地下結構工程，埋設傳熱管形成能源地下結構，在承擔傳統結構荷載的同時，起到地埋管換熱器的功用。能源地下結構可以充分利用建筑物地下結構的地下空間，減少埋管的占地空間和鉆孔費用，逐漸在實際工程中獲得一定的推廣應用。能源地下結構設計與計算離不開土體熱物性參數；土體熱物性參數不僅受含水率、礦物質、相對密度、粒徑等因素影響，而且與土體的各向異性相關。基于KD2熱針法的測試儀器等作為目前國內外常用熱物性測試儀器，具有快速、便捷等技術特點，但是儀器成本價格相對昂貴、只能測定單向土體的熱物性參數。熱物性參數，包括導熱率、熱擴散率、比熱以及熱阻。

在本發明之前，中國專利“一種測試土樣熱物性參數的裝置”(CN106353359A)介紹了一種基于KD2Pro的室內測試土體熱物性裝置；該裝置可以完成試樣制備、試樣熱物性參數測試，且具有結構簡單、操作方便、精讀高等技術優點。中國專利“一種非飽和土熱物性參數測試系統”(CN105784761A)介紹了一種測量非飽和土熱物性參數的裝置與測試方法，該方法可以測量非飽和土的熱物性參數。但是，這些裝置無法控制所測試試樣的溫度、且僅能單獨測量土樣一個方向上的熱物性參數，即無法同時測定各向異性土樣的多向熱物性參數。因此，研發一種可以測試各項異性土體熱物性參數、且價格低廉的熱物性測試儀顯得尤為重要。

發明內容

本發明的目的在于克服上述缺陷，同時測得土體豎向和橫向的土體導熱系數，提出一種溫控條件下各向異性土體豎向和橫向熱物性聯合測試裝置及測試方法；該測試裝置與方法不僅適用于飽和土體、也適用于非飽和土體。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：溫控各向異性土體熱物性聯合測試裝置，其特征在于，包括從上到下依次緊挨設置的供熱元件Ⅰ、金屬導熱片Ⅰ、試樣筒、金屬導熱片Ⅱ和供熱元件Ⅱ，所述金屬導熱片Ⅰ和金屬導熱片Ⅱ的上下兩面均嵌有溫度傳感器，所述供熱元件Ⅰ和供熱元件Ⅱ用于為土樣提供穩定熱量，所述試樣筒用于裝土樣，帶溫度可控加熱線圈的絕熱圓柱體設于試樣筒中用于加熱土樣，試樣筒內壁設有溫度傳感器，金屬導熱片Ⅰ和金屬導熱片Ⅱ內的溫度傳感器以及試樣筒內壁的溫度傳感器均與溫度采集儀、計算機相連。

進一步地，所述供熱元件Ⅰ包括傳熱容器Ⅰ、與傳熱容器Ⅰ的進水口和出水口相連的恒溫水箱Ⅰ，所述供熱元件Ⅱ包括傳熱容器Ⅱ、與傳熱容器Ⅱ的進水口和出水口相連的恒溫水箱Ⅱ，所述傳熱容器Ⅰ設于所述金屬導熱片的上面，傳熱容器Ⅱ設于金屬導熱片Ⅱ的下面。

進一步地，在供熱元件Ⅱ、金屬導熱片Ⅱ、試樣筒、金屬導熱片Ⅰ和供熱元件Ⅰ的外側都設置隔熱材料，隔熱材料內徑與相應位置的供熱元件Ⅰ、試樣筒及供熱元件Ⅱ的外徑一致。

進一步地，所述試樣筒內的土樣與水頭管連通，所述水頭管用于控制土樣的飽和狀態。