Полная версия

Главная arrow Строительство arrow ТЕОРИЯ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В НЕФТЕГАЗОВЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Замерзание влажных грунтов в неравновесных условиях

Ряд авторов [3] указывают, что при быстром замораживании система лед — вода в грунте при рассматриваемой температуре не находится в состоянии устойчивого термодинамического равновесия. При этом определяющим фактором в соотношении фаз лед — вода при конкретной температуре является время замораживания грунта. При быстром замораживании не достигается состояние фазового равновесия: система лед — вода находится в неравновесном состоянии.

С помощью калориметрического метода была проведена серия экспериментов, с целью выявить влияние времени замораживания на содержание незамерзшей воды при одной и той же отрицательной температуре [4, 5].

В случае проведения экспериментов с глиной, замораживание одного и того же образца проводилось в течение 5; 3; 1 час и 16 минут, что соответствует кривым на рис. 4.16. По представленным кривым можно судить о времени, необходимом для наступления фазового равновесия. Отличие между кривыми 1 и 2 практически отсутствует, поэтому можно полагать, что в этих случаях происходит равновесный процесс замерзания воды в порах грунта.

Кривые 3 и 4 на рис. 4.16 соответствуют неравновесным условиям замораживания грунта. При этом влажность мерзлого грунта зависит не только от вида и температуры грунта, но и от интенсивности теплопереноса от грунта в окружающую среду.

Чтобы установить степень влияния интенсивности замораживания на содержание незамерзшей воды для песка, были проведены 5 серий экспериментов при замораживании с различной интенсивностью теплоотвода, в результате получены 5 кривых незамерзшей воды, где замораживание длилось 3 часа, 1 час, 35 минут, 25 мин и 16 минут (рис. 4.17).

Кривые зависимости содержания незамерзшей воды

Рис. 4.16. Кривые зависимости содержания незамерзшей воды

от температуры при различном времени замораживания для глины

Видно, что экспериментальные точки трех кривых (3 часа, 1 час, 35 минут) практически совпадают, т. е. любая из этих трех кривых является равновесной: система лед—незамерзшая вода находится в устойчивом термодинамическом равновесии. В то же время, как следует из рис. 4.17, при замораживании в течение 16 и 25 минут наблюдается ярко выраженное отклонение системы от равновесного состояния. При этом чем ниже конечная температура замораживания, тем меньше отклонение от равновесия. Эта тенденция в той или иной мере наблюдалась для глины и торфа. Очевидно, что при продолжении эксперимента для кривой «16 мин», например при * = -11 °С, полученное значение W// не отличалось от равновесного ее содержания при этой температуре. Такой характер кривой, по мнению автора, объясним следующим образом: при быстром отводе тепла от системы грунт — вода, часть свободной воды не кристаллизуется, превращаясь в аморфную структуру. При высоких отрицательных температурах силы взаимодействия между молекулами воды не успевают сгруппировать их в тетраэдры (что обусловлено в первую очередь высокой интенсивностью теплоотвода в короткий промежуток времени, и высокой t), однако при более низких температурах, как указано в статье [1], силы взаимодействия значительно возрастают и, следовательно, больше молекул воды группируется в тетраэдры с высвобождением скрытой теплоты кристаллизации, т. е. межмолекулярные силы в воде при низкой отрицательной температуре преодолевают дез- ориентационный эффект при такой интенсивности замораживания.

Кривые зависимости содержания незамерзшей воды от температуры в зависимости от времени замораживания (песок)

Рис. 4.17. Кривые зависимости содержания незамерзшей воды от температуры в зависимости от времени замораживания (песок)

В рассматриваемых экспериментах параметром, характеризующим неравновесность фазового перехода вода — лед в грунте является отношение тепловой мощности q [Вт], отводимой от массы т мерзлого грунта в контрольном объеме к теплоемкости тс, т. е. qlmc [°С/сек]. Это отношение определяет скорость изменения температуры грунта. В качестве параметра неравновесности, удобного для обработки экспериментальных данных, используется отношение времени изменения температуры на заданную величину в неравновесных и равновесных условиях:

где г, То — время изменения температуры грунта на At, °С в неравновесных и равновесных условиях.

Экспериментальные данные, соответствующие неравновесным кривым на рис. 4.16-4.17, позволяют получить эмпирическую зависимость влажности мерзлого грунта в неравновесных условиях [4]:

_ ЦТ ЦТ

где fV(t) = —-2?Ш-; fVo(t) — зависимость влажности

^Kicx ^ост

мерзлого грунта от температуры в равновесных условиях [5]. Для глины: я(т) = с, +с2 1п(т) . Для песка: /?(г) = с,+с2 •? . Коэффициенты с и сг представлены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Эмпирические коэффициенты

Глина

Песок

С

1,00

0,12

С2

0,26

0,88

Абсолютная погрешность определения относительной влажности глины по зависимости 4.13 в рассмотренных условиях не превышает ±2%, для песка — ±3% в координатах соответствующих графиков.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>