СВЯЗЬ МЕЖДУ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ И ТЕРМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ПЕСКА И ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ НА ДАННЫЕ СВОЙСТВА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается метод исследования физических свойств песка, в результате чего получен  материал со следующими характеристиками: влажность  W ̊ = 2,5 %, и теплопроводность не менее  λ 1,3  Вт/м К (Ватт на Метр Кельвин) – единица измерения теплопроводности (λ), с целью использования их в тепловые характеристики подземных трубопроводов и наземных тепловых насосов.

Образцы песка были привезены из двух разных районов на окраине Адена. Испытание проводилось при добавлении воды от 2 % и 4,5 %, а некоторые результаты превышали допустимое значение 1,5 Вт/мк. Образцы испытывались согласно американский код IEEE 442 и ASTM-D-5334. Существует множество методов прогнозирования теплопроводности, основанных на эмпирических сопоставлениях с базами данных теплопроводности. В этом исследовании будет разработана аналитическая модель, основанная на тепловом потоке.

ABSTRACT

The method of studying the physical properties of sand is considered. The resulting material has the following characteristics: moisture content W ̊ = 2.5 %, humidity and thermal conductivity of at least λ 1.3 W / m K (Watt per meter Kelvin) – a unit of measurement of thermal conductivity (λ), for the purpose of using them in the thermal characteristics of underground pipelines and ground source heat pumps.

Sand samples were brought from two different areas on the outskirts of Aden. The test was carried out with the addition of only 2 % and 4.5 % water, and some results exceeded the permissible value of 1.5 W / μK. Samples were tested according to IEEE 442 and ASTM-D-5334. There are many methods for predicting thermal conductivity based on empirical comparisons with thermal conductivity databases. In this study, an analytical model based on heat flow will be developed.

Ключевые слова: теплопроводность песка, влажность, термическое сопротивление песка.

Keywords: thermal conductivity, humidity, thermal resistance.

ВВЕДЕНИЕ

Рассмотрим теплопроводность (λ), которая измеряет количество теплоты, проходящее в 1 с через 1 м площади, толщиной 1 м при разнице температур 1 К (1 С) [1]. Теплопроводность характеризует процесс кондективного теплопереноса вследствие движения частиц твердого тела. Тепловые свойства стали более важными, чем ранее, и их важность проявляется посредством проектирования инфраструктуры [4; 7]. На теплопроводность песка существенно влияет размер зерна, однако совокупное влияние плотности и размера частиц на свойства теплопередачи песка систематически не исследовалось. На теплопроводность (λ), гранулированных материалов влияют различные факторы, такие как коэффициент пустотности (или пористость), содержание влаги, минералогия, объемная доля и распределение частиц по размерам, и они могут быть полезны при прогнозировании физических и механических свойств почвы [3; 5]. Коэффициент пустот влияет на более высокое значение π для молекул в более плотных покрытиях [8], что увеличивает количество каналов теплопередачи. Многие исследователи подтвердили, что пустоты внутри исследуемых частиц и частиц песка, которые приводят к необычно высоким значениям коэффициента пустот по сравнению с обычным кварцевым аналогом, влияют на его механические и физические свойства, улучшая теплопередачу [6; 10].

Цели исследования: проведение комплексного изучения двух типов песка – из района Аль-Вахт, расположенного к северо-западу от пригорода Адена, и района Аль-Алам, находящегося в восточной части города Адена, для получения высококачественной глины. Для получения результатов необходимо решить следующие проблемы:

- Выбрать оптимальную пропорцию добавляемой воды, чтобы обеспечить максимальную теплопроводность и снизить термическое сопротивление песка.

- Определить и доказать влияние влажности на увеличение теплопроводности для обслуживания наземного оборудования, такого как удлинение электрических кабельных устройств и насосы для подземных и сточных вод.

Материалы и методы исследования: несколько образцов песка были привезены из разных районов, расположенных вокруг и на окраинах города Адена. Большинство из них оказались некачественными, за исключением двух образцов, близких к техническим характеристикам, для проведения на них испытаний с целью улучшения и повышения эффективности их теплопроводности. Следует отметить, что результаты, приведенные в таблице, приняты для проб песка в исходном виде, при этом необходимо обратить внимание на:

А) Проведение испытания при нормальных условиях комнатной температуры при испытании образцов, указанных в таблице ниже, в сухом состоянии с увеличением процентного содержания воды в каждом образце или наоборот, определяя при этом процентное содержание воды в песке после его сушки в печи. Б) Выбор образца песка, подходящего для жарких и сухих климатических условий.

С) Испытание ряда образцов песка согласно американский код IEEE 442 1981 года и ASTM-D-5334.

Тест был реализован путем добавления процента воды 2 % и всего 4,5 %, из чего следует, что некоторые из результатов выше, чем разрешенное значение 1,5 Вт/МК и результаты оживления в пределах допустимых значений показаны в таблице ниже согласно IEEE 442 и ASTM-D-5334.

Рисунок 1. Образец песка: взятый из района Аль-Алам.

Таблица1.

Образец песка, взятый из района Аль-Алам

Рисунок 2. Влияние влажности на термическое сопротивление песка из Аль-Алам

Необходимо отметить, что мы опираемся на приведенные выше результаты для образцов песка в их естественном состоянии, и следует подчеркнуть, что:

- Испытания проводились в обычных комнатных условиях. Опытному воздействию подвергались образцы, указанные в таблице выше, в сухом состоянии с увеличением процентного содержания воды в каждом образце или наоборот, с определением процентного содержания воды в песке после его сушки в печи.

- Выбор образца песка, подходящий для жарких и сухих климатических условий. Испытание ряда образцов песка согласно IEEE 442 1981 г. и ASTM-D-5334, выбор наиболее подходящего образца (образец песка: взятый из долины), используемое устройство: ThermtestProtableTLS – 100. Испытательная площадка: Исследования проводились на месте при нормальных комнатных условиях.

Образец песка из низинной местности испытывался без добавления воды, т.е. с процентным содержанием воды 0 %. Образцы того же песка из района Вахат были протестированы с добавлением 2,5 % воды.

 Результаты испытаний представлены в таблице ниже, где образцы тестировались по стандартам IEEE 442-2017 и ASTM-D-5334.

Таблица 2.

Образец песка: взяти из района Аль-Вахaт

Тестирование образцов песка после их сушки в электрической печи. Плотность в сухом состоянии = 1,76 г/см³. Плотность во влажном состоянии = 1,84 г/см³.

Рисунок 3. Влияние влажности на термическое сопротивление песка из района Аль-Вахaт

На основании испытаний и результатов, указанных в таблицах и графиках, мы пришли к выводу о том, что образец песка из района Аль-Алам не соответствует требованиям американского кодекса, так как процент добавленной воды высок для получения термостойкости менее 1,5. Что касается образца песка из низинной местности, то для получения термического сопротивления менее 1,5 требуется иное процентное содержание воды.

Тестирование образцов песка после их сушки в электрической печи. Плотность в сухом состоянии = 1,76 г/см³. Плотность во влажном состоянии = 1,84 г/см³.

Таблица 3.

Результаты испытаний проб, взятых в районе Аль-Алама

Рисунок 4. Влияние влажности на термическое сопротивление песка из района Аль-Алама

Рисунок 5. Влияние влажности на теплопроводность песка из района Аль-Алама

По результатам исследования, добавление процентного содержания воды начинается от 2 % до 4,5 %. При таком процентном добавлении к образцу песка из Аль-Алама процент термического сопротивления падает до самого низкого уровня, а теплопроводность повышается до высокого уровня, но процентное содержание воды начинается от 2 % до 4,5 %. 4,5 % добавленной воды считается относительно высоким.

Требуется, чтобы теплопроводность песка увеличилась, а термическое сопротивление уменьшилось при наименьшем проценте добавленной воды. В результате этот образец считается не соответствующим спецификации кода и не соответствует требованиям.

Таблица 4.

Результаты испытаний проб, взятых в районе Аль-Вахaт

Рисунок 6. Влияние влажности на термическое сопротивление песка из района Аль-Вахaт

Рисунок 7. Влияние влажности на Теплопроводность пескаиз района Аль-Вахaт

По результатам, указанным в таблице № 4, и по графикам № 5–6, можно увидеть следующее. Ясно, что процент воды, добавляемой в песок, достигает 2,5 %, что позволяет получить меньшее термическое сопротивление и более высокую теплопроводность согласно нормам.

Заключение

Соблюдение стандартов по американскому кодексу (IEEE 442 и ASTM-D-5334) и проведение необходимых испытаний образцов песка перед их использованием, независимо от их происхождения, с целью сохранности труб, кабелей связи, электрических удлинителей, насосов и всех видов подземного оборудования показывают, что необходимо добавление наименьшего количества воды. Оно не должно превышать 2,5 %. При этом проценте теплопроводность используемого песка должна увеличиться, а термическое сопротивление уменьшиться. Таким образом, согласно американскому стандарту (IEEE 442 и ASTM-, D-5334), считается, что песок имеет достаточно хорошие физические свойства.

Не следует проводить никаких работ по расширению инфраструктуры под землей, если не подтверждается соотношение основных значений физико-механических свойств песка, а также то, что теплопроводность составляет не менее 1,3 Вт/мК, а влажность не более 2,5 %.

Список литературы:

1. Bowles J.E. Foundation Analysis and Design. – New York: MC Graw Hill publications, 1988.
2. Chen S.X. Thermal conductivity of sands // Heat and Mass Transfer. – 2008. – № 44. – P. 1241–1246.
3. Choo J., Kim, Y.J., Lee, J.H., Yun, T.S., Lee J., Kim, Y.S. Stress-induced evolution of anisotropic thermal conductivity of dry granular materials // ActaGeotech. – 2013. – № 8. – P. 91–106.
4. Geophys J. Thermal conductivity of rock-forming minerals // Thermal conductivity of soils // Cold RegionsResearch and Engineering Laboratory Report. – Vol. 637. – 2007. – Res.76. – No 5. – P. 1278–1308.
5. Macaulay D.B., Bouazza A., Singh R.M., Wang B., Ranjith P.G. Thermal conductivity of soils and rocks from the Melbourne (Australia) region // Engineering Geology. – 2013. – № 13. – P. 131–138.
6. McInnes K. An improved model forpredicting soil thermal conductivity from water content at room temperature // Soil Science Society of America Journal. – Vol. 71. – 1981. – № 1. – P. 8–14.
7. Mickley A.S. Thermal conductivities of soils from drylandwheat regions in Eastern Washington // American Institute of Electrical Engineers. – Vol. 70. – 1951. – № 2. – P. 1789–1797.
8. Mitchell J.K. & Kao T.C. Measurement of soil resistivity // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering – ASCE. – Vol.104. – 1978. – № 10. – P. 1307–1322.
9. Preene M., Powrie, W. Ground energy systems: From analysis to geotechnical design // Géotechnique. – 2009. – 59. P. 261–271.
10. Smits K.M., Sakaki T., Limsuwat A., Illangasekare T.H. Thermal conductivity of sands under varying moisture and porosity in drainage–wetting cycles // Vadose Zone Journal. – 2010. – Vol. 9. – Pp. 172–180.