[發明專利]一種巖石裂縫導流換熱測試裝置及方法

在審

• 申請號: 202011254783.8
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112326728A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 胡大偉;詹洪陽;陳四利;馬嘯;羅宇杰;董文豹;周輝;張傳慶;盧景景;楊凡杰;朱勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 詹守琴

1.一種巖石裂縫導流換熱測試裝置，用于測試巖樣，所述巖樣由兩個巖體拼接而成，兩個所述巖體之間有裂縫，其特征在于，所述巖石裂縫導流換熱測試裝置包括：圍壓室、加熱器、供水機構、排水機構、計量泵、控制器、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器及若干第四溫度傳感器；

所述巖樣設置在所述圍壓室的內腔；

所述加熱器固定設置在所述圍壓室的外壁；

所述供水機構與所述裂縫的進水口連通，所述裂縫的進水口設置在所述巖樣的底部；

所述計量泵設置在所述供水機構上；

所述排水機構與所述裂縫的出水口連通，所述裂縫的出水口設置在所述巖樣的頂部；

所述第一溫度傳感器的檢測端固定設置在所述巖樣的進水口處，所述第二溫度傳感器的檢測端固定設置在所述巖樣的出水口處，所述第三溫度傳感器的檢測端設置在所述圍壓室內，若干所述第四溫度傳感器的檢測端設置在所述巖樣側壁上；

所述計量泵、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器及若干第四溫度傳感器均與所述控制器連接。

2.根據權利要求1所述的巖石裂縫導流換熱測試裝置，其特征在于，所述供水機構包括：壓力泵、供水箱及供水管；

所述壓力泵設置在所述供水箱內；

所述供水管的進水口與所述壓力泵連通，所述供水管的出水口與所述裂縫的進水口連通；

所述計量泵設置在所述供水管上。

3.根據權利要求1所述的巖石裂縫導流換熱測試裝置，其特征在于，所述排水機構包括：排水池及排水管；

所述排水管的進水口與所述裂縫的出水口連通，所述排水管的出水口與所述排水池連通。

4.根據權利要求1所述的巖石裂縫導流換熱測試裝置，其特征在于，所述巖石裂縫導流換熱測試裝置還包括：夾持機構；

所述夾持機構的固定端固定設置在所述圍壓室頂部，所述夾持機構的動作端穿過所述圍壓室與所述巖樣的頂部接觸。

5.根據權利要求4所述的巖石裂縫導流換熱測試裝置，其特征在于，所述夾持機構包括：軸壓室及活塞；

所述軸壓室固定設置在所述圍壓室的頂部；

所述活塞穿過所述軸壓室及所述圍壓室與所述巖樣的頂部接觸。

6.一種石裂縫導流換熱測試方法，基于權利要求1所述的巖石裂縫導流換熱測試裝置，其特征在于，所述石裂縫導流換熱測試方法包括以下步驟：

將所述巖樣放入圍壓室內；

供水機構通過計量泵向裂縫的進水口供水，所述計量泵將流量信號發送給控制器；

排水機構將裂縫內的水排出，同時，向圍壓室內注入耐高溫硅油；

加熱器對所述圍壓室進行加溫；

第一溫度傳感器獲取所述巖樣的進水口溫度信號，并將進水口溫度信號發送給控制器；

第二溫度傳感器獲取所述巖樣的出水口溫度信號，并將出水口溫度信號發送給控制器；

第三溫度傳感器獲取所述巖樣的外表面溫度信號，并將外表溫度信號發送給控制器；

若干第四溫度傳感器獲取所述巖樣的內部溫度信號，并將內部溫度信號發送給控制器；

控制器根據進水口溫度信號、出水口溫度信號、外表面溫度信號及內部溫度信號獲取巖樣的對流換熱系數。

7.根據權利要求6所述的巖石裂縫導流換熱測試方法，其特征在于：

將巖樣放入圍壓室之前，用棉簽蘸取酒精，擦拭兩個巖體邊緣處，除去浮塵，擦拭面積大于粘貼面積；

待酒精晾干后，兩個巖體邊緣處涂抹一層耐高溫高壓的密封膠，將巖樣緊密貼合，靜置12小時；

將巖樣放入熱縮套中，使用熱風槍加熱，熱縮套收縮固定巖樣。

8.根據權利要求6所述的巖石裂縫導流換熱測試方法，其特征在于：

將所述第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器及若干第四溫度傳感器在伸出巖樣的部位使用耐高溫高壓的膠進行密封。

9.根據權利要求6所述的巖石裂縫導流換熱測試方法，其特征在于：

活塞穿過軸壓室及圍壓室與所述巖樣的頂部接觸，將所述巖樣夾持住。

10.根據權利要求6所述的巖石裂縫導流換熱測試方法，其特征在于，所述控制器根據進水口溫度信號、出水口溫度信號、外表面溫度信號及內部溫度信號獲取巖樣的對流換熱系數包括：

根據牛頓冷卻公式：

Q＝hA△T＝c_wρ_wq_w△T；

式中，Q為對流換熱過程的總熱流量，h為對流換熱系數(W/(m²·K))，A為換熱面積(m²)，△T為對流換熱的溫度差(K)，c_w為水的比熱容(J/(kg·K))，ρ_w為水的密度(kg/m³)，q_w為水的體積流量(m³/s)；

根據牛頓冷卻微分公式：

dQ＝h(T_i(x)-T_w(x))dA＝h(T_i(x)-T_w(x))Ldx；

可得到

式中：T_i(x)為巖樣裂隙面的溫度分布，T_w(x)為水流流動的溫度分布，L，R分別為巖樣的長度和半徑(m)；

確定T_i和T_w的值才能計算穩態下的傳熱方程，溫度沿著半徑方向是線性函數；

式中，T_i0為半巖石裂隙面中心點的溫度，T_c為巖樣外壁溫度；

可得到

在此二維對流換熱模型中，水流在裂隙內做二維運動，T_w(x)可看作沿著裂隙縱向軸線的水溫平均值，可以用試驗測得的出入口水溫平均值來近似代替，即Tw1是進水口溫度，出水口溫度；

由于裂隙中心遠離巖樣邊界，中心點的溫度受外界環境影響較小，故T_i0可看作分布裂隙中心點兩側裂隙面溫度的平均值，即Tr是巖樣內部溫度；

因此，對流換熱系數h的計算公式為：