Методика определения эквивалентной теплопроводности грунтового массива, учитывающей изменение агрегатного состояния влаги в поровом пространстве грунта

В эксплуатационный период массив грунта, находящийся в пределах зоны теплового влияния регистра труб грунтового теплообменника, вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок на систему теплосбора, как правило, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию. При этом, естественно, происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта и находящейся в общем случае как в жидкой, так и в твердой и газообразной фазах одновременно.

Моделирование процессов тепломассопереноса, формирующих тепловой режим такой многокомпонентной системы, представляет собой чрезвычайно сложную задачу, поскольку требует учета и математического описания разнообразных механизмов их осуществления: теплопроводности в отдельной частице, теплопередачи от одной частицы к другой при их контакте, молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами, конвекции пара и влаги, содержащихся в поровом пространстве, и многих других.
Строго говоря, при моделировании теплового режима систем теплосбора, кроме учета механизмов осуществления в системе процессов тепломассопереноса, необходимо учитывать химико-минералогическую природу скелета, механическую структуру материала твердых частиц, степень дисперсности среды, форму и размер частиц и пор, число фаз, количественные соотношения между фазами и их взаимное расположение в среде, заполняющей поровое пространство, а также многие другие физико-химические параметры грунтового массива.
Детальный учет перечисленных факторов при построении математической модели теплового режима системы теплосбора представляет собой весьма серьезную проблему, а зачастую при помощи современного математического аппарата практически не возможен. Однако на практике, как уже отмечалось, при моделировании процессов тепломассопереноса, протекающих в грунтовом массиве системы теплосбора, оказывается возможным, используя разработанную А.Ф. Чудновским модель эквивалентной теплопроводности, с достаточной степенью точности описать эти процессы обычным уравнением теплопроводности. При этом грунт рассматривается как квазиоднородное тело, к которому применимо обычное уравнение теплопроводности, причем его теплотехнические характеристики могут изменяться как по времени, так и по координатам.

Изменение агрегатного состояния поровой влаги в грунте в общем случае имеет два следствия: при перемещении границы замерзания выделяется скрытая теплота фазового перехода и изменяются теплофизические характеристики грунта....

загрузить полную версию статьи в формате pdf

Подзаголовок в публикациях:  Васильев Г.П., Научный руководитель группы инновационных компаний "ИНСОЛАР", д.т.н.