地下電力ケーブル敷設に土壌熱比抵抗測定が必要な理由
地中送電・配電システムの設計と実施において、地盤物理学はますます重要になってきている。
電力ケーブルの埋設、道路の建設、あるいは単に土壌中の熱伝導や蓄熱を理解しようとする場合など、特定の土壌プロファイルの熱特性を測定する理由は数多くあります。残念ながら、測定が必要な地盤が必ずしも原始的で均一な土壌とは限りません。その代わりに、程度の差こそあれ、石が散乱している土壌の熱伝導率や熱抵抗を計算する必要があるかもしれない。そのような場合、どのようにすれば、 土壌中に含まれる各物質の熱伝導率を考慮した 計算が可能になるのでしょうか。この記事では、石が多い土壌であっても正確な熱伝導率予測を行うために必要な測定と計算について説明します。
岩石が多く存在するプロフィールの土壌だけの測定が不正確である理由を十分に理解するために、いくつかの一般的な種類の石の導電率を調べてみましょう。
図2のグラフは、同じような密度であっても、石種によって熱伝導率が大きく異なることを示しています。密度だけでなく、岩石の気孔率によって含水率が変化し、熱伝導率に直接影響します。この記事では、岩石の伝導率が測定可能で、岩石内の含水率が一定であると仮定します。
岩石の間にある土の密度は、通常、岩石の密度の約半分である。土壌の熱伝導率は、乾燥した状態から湿った状態まで、ほぼ一桁異なることが予想される。
図3は、熱伝導率と含水率の典型的な関係の一例を示しており、乾燥した土壌の熱伝導率は0.2W/mC未満、飽和熱伝導率は1.2W/mC以上である。これらはいずれも、図2に示した石材の熱伝導率よりも低い値であり、他の土壌ではさらに低い熱伝導率となっている。
このような変数が存在する中で、石混じりの土壌の正確な熱伝導率をどのようにモデル化すればよいのでしょうか?平均を計算する必要があると判断しても、どのような種類の平均を選択するかという決断を迫られます。
図4は、空気と大理石の細孔構造の極端な例を、それぞれが全容積の半分を占めると仮定して、さまざまな配置で示したものである。左側は、空気と大理石の細孔が熱源に対して平行に配置された、ある配置を示している。この系の熱伝導率を計算するには、両者の加重算術平均を求めるだけでよい。
k= 0.5 x 2.5 + 0.5 x 0.025
k= 1.26
図4の右側は直列システムである。この配置では、混合物の伝導率の逆数の調和 平均を計算する必要があります。この構成では、空気は岩石に到達する前にすべての熱が通過しなければならないバリアとして機能するため、大理石に流入できる熱量を決定する。
1/k= 0.5/2.5 + 0.5/0.025
k= 0.05
岩と土の混合物であれば、この両極端の間のどこかにあるはずだ。では、どのようにして他の配置の混合物をモデル化するのだろうか?
この問題は、他の多孔質媒体中の熱流動をモデル化しようとしたときに遭遇した問題と非常によく似ている。De Vriesは、乾燥砂に基づく誘電率混合物の以前のモデルから、彼のモデルを導き出した。元のモデルは、砂の球状介在物が浮遊している空気の連続相を扱っていた。同じモデルは、関係する材料を変えることで、石の多い土壌の測定にも使用できる。このアプリケーションでは、連続相を土とし、球状の介在物を岩石とする。これらの計算を行うには、まず岩石と土壌の熱的性質とその体積分率を知る必要があります。
図5は、ド・フリース・モデルそのものを示している。一番上の式は、混合物の熱伝導率が混合物の2つの成分の加重和であることを示している。2番目の式は、重み係数の計算を定義しています。
形状係数(g)については、岩石が軸a、b、cを持つ球形であると仮定する。ここでは、軸aとbは同じであると仮定し、図6に示す式にはaとcだけを残すことにする。
介在物が球形の石の場合、3軸すべての形状係数はg= 0.33となる。細長い石の場合、gaと gbは小さくなり、gcは大きくなるが、足して1になる。
岩石と土壌の体積は、それぞれの密度と質量から算出するのが最適である。図7の式は、体積分率の計算方法を示している。
de Vriesモデルでは、計算を行う前に、いくつかの測定値を収集する必要がある。多孔質の岩石の中には、含水率に依存した熱伝導率を持つものがあり、調査対象の土壌にそのような岩石が存在する場合は、その熱伝導率を測定する必要がある。図 8 に示す岩石はほとんど多孔質ではないため、熱伝導率は 1 つの値で十分です。
熱物性を測定する方法はいくつかあるが、図8は、岩石から熱伝導率を測定するために必要な手順を示している。 TEMPOS.左側の最初のパネルでは、RK-3プローブの針に非常に近い直径の穴を開けています。穴が大きすぎると隙間が生じ、正確な測定ができません。2枚目のパネルは、センサーが岩盤に正しく取り付けられた状態を示しています。3枚目のパネルは、TEMPOS ハンドヘルド・デバイスで得られた測定値を示している。
全体として、熱伝導率の測定プロセスは、上に示したようにかなり簡単です。しかし、正確な測定値を得るためには、いくつかの点を考慮する必要があります。測定する岩石は、熱パルスが試料内に収まるように、プローブの下を含め、プローブの四方に数センチの余裕を持たせた直径が必要です。
土壌の熱伝導率は現場で測定できます。この測定には、TR-3(ASTM準拠)またはTR-4(IEEE準拠)センサーが最適です。プローブを土壌に挿入して測定するだけです。また、現場から試験室にサンプルを持ち込んで測定することもできる。試験室に持ち帰った土壌サンプルは、通常、設計の密度に再梱包する必要があります。その後、実験室で熱乾 燥率を測定する。
このモデルを実際の問題に適用する方法を完全に理解する最善の方法は、例題に取り組むことである。この例では、重量比60%の混合土を想定する。直径2mm以下のものを土、それ以上のものを岩と見なします。技術仕様では、埋設ケーブルを覆うための盛土として使用することを想定し、最終密度を1.8Mg/m3と定めている。混合される石は花崗岩で、密度は2.65Mg/m3、導電率は3W/mKである。土は湿っていて、熱伝導率は0.5W/mKです。最後に、石は細長いと仮定し、形状係数をga = - 0.1とします 。
図9は、一歩ずつ計算を進めていく。この場合、最終的な密度がわかっているので、岩石の体積率は先に説明したのとは少し違って計算される。この計算では、混合物全体の60重量%であった岩石が、岩石の密度が非常に高いため、体積の41%を占めていることがわかる。加重係数を計算すると0.51となります。最後に、土と岩の混合物の熱伝導率を計算した結果、1.5W/mKという値が得られました。
混合物の熱伝導率の値がわかったところで、その値が本当に妥当な値かどうかをチェックすることが重要です。莫大な予算と多大な労力がなければ、正しい値であることを確認するために直接測定する方法はありませんが、この数値が妥当かどうかを確認するために行うことができる計算がいくつかあります。
岩石の導電率は3W/mK、土壌の導電率は0.5W/mKであることがわかりました。この2つが平行であると仮定すれば、この計算を使って作業を確認することができる:
土と岩が直列に並んでいると仮定すると、このような計算になる:
並列計算の方が我々の値より高く、直列計算の方が低くなると予想できる。もしあなたの値がこの2つの数値の間に入るなら、あなたが見つけた値は妥当だと結論づけることができます。
岩の多い土壌を、高価な機器に損傷を与えたり、作業の進行を遅らせたりする厄介者と考える人もいるだろう。また、岩盤が有益な場合もある。埋設された電力ケーブルの場合、ケーブルは地中で熱を持ち、ケーブルから水を追い出し、周囲の土壌を乾燥させる。このため、土壌の熱伝導率が低下し、ケーブルの保温性が高まり、悲惨な被害が発生する可能性がある。岩の多い土壌は熱伝導率が高く、余分な熱をケーブルから逃がし、過熱を防ぎます。この熱交換と電力プロジェクトへの影響について詳しくは、以下の記事をお読みください:
莫大な予算と多大な労力がない限り、石混じりの土壌の熱伝導率を直接測定することは不可能です。プローブは均質な媒体の熱伝導率しか測定できないため、モデリングが唯一の現実的な方法となる。幸運なことに、TEMPOS システムのようなツールを使って構成成分の熱特性を測定し、体積分率を決定すれば、法外な値段の装置で直接測定したのと少なくとも同等の信頼性を持つ複合熱伝導率を、より少ない労力と費用で計算することができます。
当社の科学者は、研究者や生産者が土壌-植物-大気の連続体を測定するのを何十年も支援してきた経験がある。
ビデオをご覧になりたい方は、次のウェビナーをご覧ください。ゲイロン・キャンベル博士が、岩石と土壌の導電率をどのように組み合わせ、土壌プロフィールの正しい値を得るかについてバーチャルプレゼンテーションを行っています。
地中送電・配電システムの設計と実施において、地盤物理学はますます重要になってきている。
土壌の熱安定性を理解することで、電力エンジニアは熱暴走を防ぐ配電システムをより正確に設計することができる。
定常法(ガード付きホットプレート)では、湿った多孔質材料の特性を測定する方法はありません。しかし、過渡線熱源法では、湿った多孔質材料の熱特性を測定することができ、流体の熱伝導率や熱抵抗率を測定することもできる。
最新のコンテンツを定期的にお届けします。