地下电力电缆安装为何需要土壤热阻测量
土壤物理学在地下输配电系统的设计和实施中越来越重要。
无论您是在埋设电力电缆、修建道路,还是只是想了解土壤中的传热或蓄热情况,测量特定土壤剖面热特性的原因有很多。遗憾的是,需要测量的地面并不总是原始、均匀的土壤。相反,您可能需要计算土壤中不同程度的石块的热传导和热阻。如何确保在计算时考虑到土壤剖面中每种材料的导热系数,无论其含量如何?在本文中,我们将讨论应收集哪些测量数据,以及在最坚硬的土壤中准确预测导热系数所需的计算方法。
为了充分理解为什么只测量有大量岩石存在的剖面中的土壤会不准确,让我们来探讨一下几种常见石材的导电性。
图 2 中的图表说明,即使密度相近,每种石材的导热率也有很大差异。除了密度之外,岩石的孔隙率也会改变含水量,从而直接影响导热率。在本文中,我们将假设岩石的导电率可以测量,并且岩石中的含水量是恒定的。
岩石之间的土壤材料的密度通常约为岩石的一半。预计土壤的导热系数从干到湿几乎会有一个数量级的变化。
图 3 举例说明了导热系数与含水量之间的典型关系,干土的导热系数小于 0.2 W/mC,饱和导热系数大于等于 1.2 W/mC。所有这些都低于图 2 中石头的导热系数,其他土壤的导热系数甚至更低。
在所有这些变量的作用下,我们该如何建立石质土壤的精确导热率模型呢?即使您确定应该计算平均值,您仍然需要决定选择哪种类型的平均值。
图 4 显示了不同配置下空气和大理石孔隙结构的极端示例,假设每种孔隙结构都占总体积的一半。左侧说明了一种排列方式,即空气和大理石孔隙与热源平行。计算该系统的热导率只需对两者进行加权算术平均即可。
k= 0.5 x 2.5 + 0.5 x 0.025
k= 1.26
图 4 右侧是串联系统。这种布置需要计算混合物电导率倒数的谐波平均值,即各成分电导率倒数之和。在这种配置中,空气决定了能够流入大理石的热量,因为它是所有热量在到达岩石之前必须通过的屏障。
1/k= 0.5/2.5 + 0.5/0.025
k= 0.05
你遇到的任何岩石和土壤混合物都会介于这两个极端之间。那么,如何模拟其他排列方式的混合物呢?
这个问题与试图模拟其他多孔介质中的热流时遇到的问题非常相似。De Vries 的模型源自以前基于干砂的介电常数混合物模型。最初的模型处理的是悬浮着球状砂夹杂物的连续空气相。通过改变相关材料,同样的模型可用于测量石质土壤。在此应用中,连续相为土壤,球状夹杂物为岩石。要进行这些计算,首先必须知道岩石和土壤的热特性以及它们的体积分数。
图 5 显示了 de Vries 模型本身。最上面的公式表明,混合物的导热系数是混合物中两种成分的加权和。第二个等式定义了加权系数的计算方法。
关于形状系数(g),假定岩石是球体,其轴线为a、b 和c。在此,我们假定轴线a和b相同,图 6 所示方程中只剩下a和c。
如果内含物是球形石头,则所有三个轴的形状系数为g= 0.33。对于细长的石头,ga和gb会变小,gc会变大,但它们加起来将为 1。
岩石和土壤的体积最好根据各自的密度和质量得出。图 7 中的公式说明了体积分数的计算方法。
德弗里斯模型在计算之前需要收集一些测量数据。一些多孔岩石的导热系数与含水量有关,如果您研究的土壤中存在此类岩石,则需要确定导热系数。图 8 所示的岩石孔隙度很小,因此只需一个导热系数值就足够了。
测量热特性的方法有几种,图 8 向我们介绍了利用热导仪测量岩石热导率所需的步骤。 TEMPOS.左侧第一幅图显示的是钻孔直径非常接近 RK-3 探头的针尖。孔太大会造成间隙,导致测量不准确。第二幅图显示的是正确安装到岩石中的传感器。第三幅图显示的是TEMPOS 手持设备上获得的读数。
如上图所示,总的来说,测量热导率的过程相当简单。不过,为了确保读数准确,必须考虑一些因素。被测岩石的直径必须足够大,以便在探头的每一侧(包括探头下方)都留出几厘米的空间,这样热脉冲就会被控制在样品内。
土壤导热系数可在现场进行测量。TR-3(符合 ASTM 标准)或 TR-4(符合 IEEE 标准)传感器非常适合这种测量。只需将探头插入土壤并读取读数即可。也可以从现场取样到实验室进行测量。带回实验室的土壤样本通常需要按照设计密度重新包装。然后在实验室中测定热干燥功能。
要充分理解如何将该模型应用到实际问题中,最好的方法是通过一个例子来解决。在这个例子中,我们假设土壤的混合重量为 60%。直径小于 2 毫米的为土壤,大于 2 毫米的为岩石。工程规范要求最终密度为 1.8 兆克/立方米,用作覆盖埋设电缆的填料。混合物中的石块为花岗岩,密度为 2.65 Mg/m3,导电率为 3 W/mK。土壤湿润,导热系数为 0.5 W/mK。最后,我们假设石块是拉长的,因此我们将使用ga = - 0.1的形状系数。
图 9 一步一步地进行计算。岩石体积分数的计算方法与我们之前描述的略有不同,因为在这种情况下,我们知道最终密度。计算结果显示,按重量计算,岩石占混合料总量的 60%,但由于岩石非常致密,因此占体积的 41%。计算加权系数的结果是 0.51。最后,我们计算了土壤和岩石混合物的导热系数,结果为 1.5 W/mK。
既然我们已经有了混合物的导热系数,那么就有必要检查一下这个数值是否合理。如果没有庞大的预算和大量的工作,我们没有办法进行直接测量来确保我们的数值是正确的,但我们可以通过一些计算来确定这个数值是否合理。
我们已经确定岩石的导电率为 3 W/mK,土壤的导电率为 0.5 W/mK。如果我们假定这两者是并联的,我们就可以用这个计算结果来检验我们的工作:
如果我们假设土壤和岩石是串联的,我们就可以这样计算:
我们可以预期并联计算结果比我们的值高,而串联计算结果比我们的值低。如果您的值介于这两个数字之间,您就可以得出结论,您找到的值是合理的。
有些人可能会把岩石土壤剖面看作是他们生存的祸根,可能会损坏昂贵的设备或阻碍进展。而对于其他人来说,岩石土壤则是有益的。在埋设电力电缆的情况下,电缆在地下发热,将水从电缆上赶走,并使周围的土壤变干。这会降低土壤的导热性,导致电缆保留更多的热量,并造成潜在的灾难性破坏。岩石土壤具有较高的导热性,可以将多余的热量从电缆中抽走,防止电缆过热。要进一步了解这种热交换及其对电力工程的影响,请阅读以下文章:
直接测量石质土壤的导热系数是不可能的,除非您有足够的预算并愿意付出大量的劳动。探针只能测量均质介质的导热系数,因此建立模型是唯一可行的方法。幸运的是,利用TEMPOS 系统等工具测量成分的热特性并确定体积分数,就可以计算出复合导热系数,其可靠性至少不亚于使用昂贵设备进行的直接测量,而且工作量和费用都大大减少。
我们的科学家拥有数十年帮助研究人员和种植者测量土壤-植物-大气连续体的经验。
如果您想观看视频,请观看以下网络研讨会,Gaylon Campbell 博士将虚拟演示如何结合岩石和土壤的电导率,以获得土壤剖面的正确值。
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