一種巖體熱導率測試裝置及測試系統的製作方法
2023-10-04 11:16:39
一種巖體熱導率測試裝置及測試系統的製作方法
【專利摘要】一種巖體熱導率測試裝置及測試系統，測試裝置包括控制箱、壓力加載裝置、樣品加熱裝置、溫溼度控制器以及溫度感測器、熱流計；該控制箱包含一個供容納巖石樣品的箱體，該箱體頂部設有開口；該壓力加載裝置用於對巖石樣品加載壓力，其包括一個設於該控制箱的該開口的壓力杆，該壓力杆與巖石樣品頂部接觸的一端設有第一溫度感測器、及一個熱流計；該樣品加熱裝置設於該箱體的底部，用於對巖石樣品進行加熱；一第二溫度感測器，其與該巖石樣品的底部接觸，用於感測該巖石樣品底部經加熱所達到的溫度；該溫溼度控制器的入風口和出風口分別與該箱體內腔以管道連通，通過該溫溼度控制器控制該箱體內的環境溫度和溼度。
【專利說明】一種巖體熱導率測試裝置及測試系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及巖樣物理特性測試技術，尤指一種巖石的熱導率的測試設備及測試系統。
【背景技術】
[0002]深部巖石的導熱特性是國內外巖土工程領域最前沿的熱點課題之一，是開展礦山地熱防治及利用、頁巖氣開採、C02儲存(CCS)、煤炭地下氣化(UCG)和核廢料處置等眾多深部工程的基礎。
[0003]巖石熱導率(thermal conductivity of rocks)是衡量巖石導熱特性的指標,其表示巖石導熱能力的大小，即沿熱流傳遞的方向單位長度(I)上溫度(Θ )降低一度時單位時間(τ )內通過單位面積(S)的熱量(Q)。
[0004]巖石的熱導率取決於巖石的成分、結構、形成條件、含水狀況、溫度和壓力等。地殼上部的溫度和壓力對巖石熱導率的影響極小。而深部巖石的導熱率隨壓力、密度和溼度的加大而增高，隨溫度的增高而減小。為了進行深部巖石導熱性能的研究和測試，在巖石的成分、結構已確定的情況下，巖石中含水狀況(溼度)、溫度和壓力等均與巖體的熱導率密切相關。
[0005]目前，巖體熱導率基本上是在實驗室內測量的，鬆散物質則可以就地測量。實驗室熱導率測量有穩態法和瞬時法兩種。常應用穩定平板式巖石熱導儀、穩定分棒式巖石熱導儀等穩態法，測量巖石熱導率。就地測量方法一般採用非穩態法，即瞬時法。通常用一根直徑與長度比小於1:30的探棒插入鬆散沉積物中，探棒裡有一個電熱器和測溫用的熱敏電阻。用已知並恆定的速率加熱探棒，記錄其溫升值。溫升的大小是加熱時間和周圍物質熱導率的函數。用溫度相對於時間的對數作圖，就可以得到測量數據的最簡判讀方法，也可以通過計算直接算出周圍物質的熱導率。此外，還應用非穩定環形熱源——微形探針巖石熱導儀等非穩態法。就地測量方法適用於深海沉積物、土壤、砂和冰雪等，其優點是能夠測得原始狀態下的熱性質，但測量結果只能反映測量儀器周圍物質的瞬時熱狀態。現有測量方式得到的測量結果不準確、也不客觀，而且效率低下。
【發明內容】
[0006]因此，本發明的目的就是提供一種可實現溫度-溼度-壓力耦合作用下的巖體熱導率測試的裝置、系統及測試系統。
[0007]為了實現上述目的，本發明技術方案是:
[0008]—個控制箱，該控制箱包含一個供容納巖石樣品的箱體，該箱體頂部設有開口 ；
[0009]一個壓力加載裝置，用於對巖石樣品加載壓力，其包括一個設於該控制箱的該開口的壓力杆，該壓力杆與巖石樣品頂部接觸的一端設有第一溫度感測器、及一個熱流計；
[0010]一個樣品加熱裝置，其設於該箱體的底部，用於對巖石樣品進行加熱；
[0011]一個第二溫度感測器，其與該巖石樣品的底部接觸，用於感測該巖石樣品底部經加熱所達到的溫度；
[0012]一個溫溼度控制器，該溫溼度控制器的入風口和出風口分別與該箱體內腔以管道連通，以控制該箱體內的環境溫度和溼度。
[0013]其中，所述的箱體為保溫材料製成或箱體牆壁為隔熱結構，如夾層真空結構。
[0014]其中，或者為非隔熱材料(例如不鏽鋼等)先製作該箱體的外牆，再於該外牆內壁增設一層保溫材料共同製成。
[0015]其中，所述的保溫材料可為聚氨酯和巖棉複合保溫層。
[0016]通過上述保溫結構或隔熱結構的設計，可使該箱體內的環境溫度不受或者較少地受到外界環境溫度的影響。
[0017]其中，該樣品加熱裝置還包括一個樣品託盤，該加熱裝置的熱源設於該樣品託盤的下方，該第二溫度感測器設於該託盤表面且與該巖石樣品底面接觸。該託盤為導熱性能好的金屬材質(如鋁或銅)，減少對巖石樣品熱導率測試造成影響和誤差。
[0018]其中，該樣品加熱裝置的熱源是電熱絲。
[0019]其中，該箱體內還設有一個溫\溼度感測器，用於感測該箱體內部的環境溫溼度，且該溫/溼度感測器與該溫\溼度控制器信號連接。
[0020]其中，該溫溼度控制器包括蒸發器、加熱器、加溼器、制冷機及控制面板，通過該控制面板設定該溫\溼控制器的工作參數，使該溫溼度控制器依據該設定的參數，向該箱體內環境輸出經加熱/冷卻或乾燥/加溼處理的氣體。
[0021]其中，在該箱體的開口處下方，設有一個密封圈，該密封圈設於該壓力杆的外周，使該壓力杆在工作過程中能夠保證該控制箱箱體內的密封性。
[0022]本發明還提供一種巖體熱導率自動化測試系統，其包括上述任一種實施例中的熱導率測試裝置、一個前述任一個實施例所述的溫度-溼度-壓力耦合作用下巖體熱導率測試裝置、一導熱參數採集儀、以及一計算機；
[0023]其中該第一溫度感測器、熱流計、該第二溫度感測器信號連接該導熱參數採集儀，以採集測量得到的各參數值；該導熱參數採集儀連接該計算機，將採集的各種參數值輸入至計算機，該計算機根據測量得到的熱流值、溫度值、以及預先存儲的巖石樣品橫截面積、長度計算出該巖石樣品在對應環境下的熱傳導率，或者同時進行顯示、儲存或分析。
[0024]其中，所述壓力加載裝置、所述溫\溼度控制器分別與該計算機連接，由該計算機控制該壓力加載裝置、該溫\溼度控制器工作，測定該巖石樣品在不同的溫度-溼度-壓力耦合作用下的熱導率。
[0025]其中，所述計算機經執行一預定程序，以控制該壓力杆、該溫溼度控制器、該樣品加熱裝置依照預先設定的參數工作，以逐一地實現巖石樣品在不同的溫度-溼度-壓力耦合作用下熱導率的測試和分析研究工作。
[0026]藉助本發明的溫度-溼度-壓力耦合作用下巖體熱導率測試裝置及系統，可以滿足對於深部巖體熱導率的測試要求，能夠更為精確地模擬出深部巖石的真實環境，故所計算出的熱導率更接近客觀實際，同時還填補現有穩態法和瞬時法測試巖體熱導率所存在的不足，同時還可以結合電腦程式直接計算和分析出巖體在不同的溫度、溼度和壓力耦合作用下的熱導率變化特性，為開展礦山地熱防治及利用、頁巖氣開採、C02儲存(CCS)、煤炭地下氣化(UCG)和核廢料處置等眾多深部工程做好基礎分析和準備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明實施例測試系統的結構示意圖。
[0028]符號說明:
[0029]I控制箱、10箱體、11開口、12保溫材料層；
[0030]2壓力加載裝置、21壓力杆、22密封圈；
[0031]3第一溫度感測器、4熱流計；
[0032]S樣品、5樣品加熱裝置、50加熱絲；
[0033]51樣品託盤、52溫\溼度感測器；
[0034]7第二溫/溼度感測器、8溫\溼度控制器；
[0035]81迴風管、82氣體輸送管、9信號線。
【具體實施方式】
[0036]體現本發明特徵與優點的典型實施例將在以下的說明中詳細敘述。應理解的是本發明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及附圖在本質上是當作說明之用，而非用以限制本發明。
[0037]如圖1所示，本發明的溫度-溼度-壓力耦合作用下巖體熱導率測試裝置包括:
[0038]—個控制箱I，該控制箱包含一個供容納巖石樣品的箱體10,控制箱I具有隔熱的特性，以減少外界的環境溫度對箱體10內部的影響。箱體內10內的空腔用於容納樣品S，此外還為樣品S提供特定的溫度-溼度環境。箱體10的頂部設有開口 11 ;該開口 11供一個壓力加載裝置2的壓力杆21伸入至腔體內部，對巖石樣品S加載壓力。為了確保控制箱I的隔熱性，可使箱體10的四周側壁均採用雙層真空結構製作而成，也可以採用隔熱保溫材料。在圖1所示的具體實施例中，是在不鏽鋼板製成的箱體10內增設一層保溫材料層12，共同製成該控制箱I。所使用的保溫材料層12，可為聚氨酯和巖棉複合保溫層或其他任何可以起到隔熱作用的材料。藉助上述的箱體10的隔熱保溫結構，可以減少外界環境溫度對箱體10內腔環境的影響，使巖石樣品S導熱率的測量更為精確，箱體I內的環境更加穩定且可控。
[0039]一個壓力加載裝置2，包括壓力杆21，其穿伸於該控制箱I的開口 11處，通過在外部給壓力杆21加載壓力，壓力杆21將壓力傳遞給巖石樣品S，對巖石樣品S加載特定的壓力，模擬深度巖石的真實壓力環境；在壓力杆21的底部，與巖石樣品S頂面接觸的部位處設有第一溫度感測器3和熱流計4，用於感測巖石樣品S頂面的溫度Tl和流過的熱量值Λ Q0
[0040]熱流計(HeatFlow Calorimeter, Heat Flux Meter)也稱熱通量計,熱流儀,其全稱是熱流密度計。熱流計是熱能轉移過程的量化檢測儀器，是用於測量熱傳遞過程中熱遷移量的大小、評價熱傳遞性能的重要工具。既熱流(密度)的大小表徵熱量轉移的程度。換句話說，熱流計是測量在不同物質間熱量傳遞大小和方向的儀器。
[0041]為了進一步地防止壓力杆21工作過程中，箱體10的開口 11將外界環境的空氣引入至箱體10內，使箱體10的內部環境受到影響，造成測量的誤差，可如圖1所示的，該箱體10的開口 11處下方，將一個密封圈22設於該壓力杆21的外周，使壓力杆21在工作過程中能夠保證該控制箱I箱體內的密封性和溫溼度穩定性。
[0042]一個樣品加熱裝置5，設於該箱體10的底部，用於對巖石樣品S的底部進行加熱，該樣品加熱裝置5的熱源可為電熱絲。該電熱絲設在該巖石樣品S的底部，還設有一個第二溫度感測器7，其與該巖石樣品S的底部接觸，用於感測該巖石樣品底部經加熱所達到的溫度T0。
[0043]一個溫溼度控制器8，該溫溼度控制器8包括蒸發器、加熱器、加溼器、制冷機、控制面板。該溫溼度控制器8的入風口和出風口分別與該箱體10內腔通過管道連通，使巖石樣品S所在箱體內部的氣體幾乎都在一個封閉環境內循環流通，不引入或較少會引入外界氣體，這樣就可以實現箱體內溫溼度的自由和溫度控制，減少能耗；該溫溼度控制器8用於控制該箱體I內的環境溫度和溼度。如圖1所示，連通該控制箱I的箱體10內部的迴風管81連接至溫溼度控制器8，連通該溫溼度控制器8的氣體輸送管82連接至該控制箱I的箱體10內部。該溫溼度控制器8可直接通過感測該迴風管81中輸回的氣體的溫溼度，將之與事先設定的預期的溫溼度進行比較，自動將迴風的氣體的溫溼度經加熱/冷卻、或乾燥/加溼處理後再經氣體輸送管道82輸回至該箱體10內部，實現對該箱體10內巖石樣品2周圍環境溫溼度的自由控制。此外，還可以通過於該箱體10內設置的一個溫\溼感測器52，該溫\溼度感測器52與該溫溼度控制器8的控制面板通過信號線9連接，該溫溼度控制器8內具有單片機或處理晶片，根據接收到的該溫\溼度感測器52感測箱體10內部的溫溼度參數，啟動該溫溼度控制器8相應的工作模式，將迴風氣體調節後經氣體輸送管82輸回至該箱體10內。關於溫溼度控制器8的工作原理及組成結構，由於其為現有技術，故在本文中不過多說明。
[0044]上述實施例中，進一步的，該樣品加熱裝置5可以還包括一個樣品託盤51，該加熱裝置5的熱源50設於該樣品託盤51的下方，該第二溫度感測器7設於該託盤51的表面且與該巖石樣品S底部接觸。該託盤51為導熱性能好的金屬材質(如鋁或銅)，減少對巖石樣品S熱導率測試造成影響和誤差。
[0045]如圖1所示，本發明還提供一種溫度-溼度-壓力耦合作用下巖體熱導率自動化測試系統，除了包括前述的熱導率測試裝置、還包括一導熱參數採集儀以及一計算機。該第一溫度感測器、熱流計、該第二溫度感測器以信號線9連接該導熱參數採集儀，以採集測量得到的各參數值；該導熱參數採集儀連接該計算機，將採集的各種參數值輸入至計算機，該計算機根據測量得到的熱流值、溫度值、以及預先輸入至計算機內的巖石樣品橫截面積S、長度L，根據熱導率計算公式，λ = Δ Q/[ (TO-Tl) *L*s]計算出該巖石樣品在對應環境下的熱傳導率，或者同時進行顯示、儲存或分析。
[0046]此外，還可以在計算機內植入一程序，使計算機以信號線9連接該壓力加載裝置
2、溫溼度控制器8的控制面板、該導熱參數採集儀，由該計算機9執行該程序，控制該壓力加重裝置2、該溫溼度控制器8運行，接收該導熱參數採集儀採集的參數，並根據預先輸入至計算機中巖石樣品S的橫截面和長度值，逐一測量計算處理巖石樣品S在不同溫度-溼度-壓力耦合條件下的熱導率，並進行顯示、存儲和綜合分析；由此可見，本發明系統是一種測量溫度-溼度-壓力耦合作用下巖體熱導率的全自動化智能系統。
[0047]藉助本發明的溫度-溼度-壓力耦合作用下巖體熱導率測試裝置及系統，可以滿足對於深部巖體熱導率的測試要求，能夠更為精確地模擬出深部巖石的真實環境，故所計算出的熱導率更接近客觀實際，同時還填補現有穩態法和瞬時法測試巖體熱導率所存在的不足，同時還可以結合電腦程式直接計算和分析出巖體在不同的溫度、溼度和壓力耦合作用下的熱導率變化特性，為開展礦山地熱防治及利用、頁巖氣開採、C02儲存(CCS)、煤炭地下氣化(UCG)和核廢料處置等眾多深部工程做好基礎分析和準備。
[0048]本發明的技術方案已由優選實施例揭示如上。本領域技術人員應當意識到在不脫離本發明所附的權利要求所揭示的本發明的範圍和精神的情況下所作的更動與潤飾，均屬本發明的權利要求的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種巖體熱導率測試裝置，其特徵包括: 一個控制箱，該控制箱包含一個供容納巖石樣品的箱體，該箱體頂部設有開口 ； 一個壓力加載裝置，用於對巖石樣品加載壓力，其包括一個設於該控制箱的該開口的壓力杆，該壓力杆與巖石樣品頂部接觸的一端設有第一溫度感測器、及一個熱流計； 一個樣品加熱裝置，其設於該箱體的底部，用於對巖石樣品進行加熱； 一個第二溫度感測器，其與該巖石樣品的底部接觸，用於感測該巖石樣品底部經加熱所達到的溫度； 一個溫溼度控制器，該溫溼度控制器的入風口和出風口分別與該箱體內腔以管道連通，以控制該箱體內的環境溫度和溼度。
2.根據權利要求1所述的測試裝置，其特徵是，所述的箱體為保溫材料製成或箱體牆壁為隔熱結構。
3.根據權利要求2所述的測試裝置，其特徵是，所述箱體包括由非隔熱材料製成的外牆，再於該外牆內壁增設一層保溫材料共同構成。
4.根據權利要求3所述的測試裝置，其特徵是，所述非隔熱材料為不鏽鋼。
5.根據權利要求2或3所述的測試裝置，其特徵是，所述的保溫材料為聚氨酯和巖棉複合保溫層。
6.根據權利要求1所述的測試裝置，其特徵是，該樣品加熱裝置還包括一個樣品託盤，該加熱裝置的熱源設於該樣品託盤的下方，該第二溫度感測器設於該託盤表面且與該巖石樣品底面接觸。
7.根據權利要求1所述的測試裝置，其特徵是，該箱體內還設有一個溫\溼度感測器，用於感測該箱體內部的環境溫溼度，且該溫/溼度感測器與該溫\溼度控制器信號連接。
8.根據權利要求1或7所述的測試裝置，其特徵是，該溫溼度控制器包括蒸發器、加熱器、加溼器、制冷機及控制面板，通過該控制面板設定該溫\溼控制器的工作參數，使該溫溼度控制器依據該設定的參數，向該箱體內環境輸出經加熱/冷卻或乾燥/加溼處理的氣體。
9.一種巖體熱導率自動化測試系統，其特徵包括: 一個如權利要求1-8任一項所述的巖體熱導率測試裝置、一導熱參數採集儀、以及一計算機； 其中該第一溫度感測器、熱流計、該第二溫度感測器信號連接該導熱參數採集儀，以採集測量得到的各參數值；該導熱參數採集儀連接該計算機，將採集的各種參數值輸入至計算機，該計算機根據測量得到的熱流值、溫度值、以及預先存儲的巖石樣品橫截面積、長度計算出該巖石樣品在對應環境下的熱傳導率。
10.根據權利要求9所述的測試系統，其特徵是，所述壓力加載裝置、所述溫\溼度控制器分別與該計算機連接，由該計算機控制該壓力加載裝置、該溫\溼度控制器工作，測定該巖石樣品在不同的溫度、溼度及/或壓力耦合作用下的熱導率。
【文檔編號】G01N25/20GK104237305SQ201410559847
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】郭平業, 何滿潮, 朱國龍 申請人:中國礦業大學