16) Механизмы теплопередачи. Методы определения тепловых свойств.

В настоящее время используется три метода лабораторного определения тепловых параметров горных пород и минералов: контактные методы стационарного или нестационарного тепло­вого потока, бесконтактные сканирования теплового потока и ка­лориметрический. Кроме этого для определения плотности тепло­вого потока и геотермического градиента проводятся специальные измерения в скважинах.

Методы стационарного потока определения теплопроводнос­ти λ₀ образца основаны на измерении перепада температуры на об­разце ΔT₀, через который проходит известной величины тепловой поток q, определяемый, в свою очередь, по эталонному образцу с известной теплопроводностью λ_эт по формуле

Зная величину теплового потока, по такой же зависимости оп­ределяется λ₀

здесь L_эт, L₀ — длина эталонного и испытуемого образца меж­ду изотермическими поверхностями, нормальными к тепловому потоку.

Образцу породы при такой методике придаётся правильная геометрическая форма.

Принцип контактного теплового потока используется и в при­борах, реализующих метод двухточечного зондирования образца. В этих установках требования к форме образца значительно упрощены: у образца достаточно иметь одну плоскую поверхность, на которую устанавливаются два медных наконечника, являющихся нижними частями термозондов, между верхними концами которых в процес­се измерения поддерживается постоянная разность температуры в несколько десятков градусов Цельсия. Испытуемый образец через наконечники «закорачивает» термозонды, по нему из-за разности температур, проходит поток тепла, величину которого оценива­ют по перепаду температур между контактными наконечниками. Перед измерениями прибор предварительно градуируется с помо­щью эталонных образцов.

Принцип определения тепловых свойств бесконтактными ус­тройствами заключается в следующем. С помощью точечного ис­точника тепла (лазер или лампа накаливания с фокусирующим от­ражателем) производится локальный нагрев движущегося образца. Тепловое «пятно» по образцу перемещается с постоянной скоро­стью. Вслед за «пятном» или параллельно линии нагрева двигают­ся бесконтактные датчики температуры (регистрируется электро­магнитное излучение специальными радиометрами).

Для определения тепловых свойств образцов измерения могут выполняться и в точках неподвижных относительно образца. Та­кие установки позволяют производить комплексное определение тепловых свойств пород. Установки эталонируются. Технология измерений предусматривает использование эталонных образцов.

Калориметрический метод применяется для определения удельной теплоёмкости образцов. Испытуемый образец с извест­ной температурой Т₀ и массой m₀ помещается в калориметрическую жидкость с известной теплоёмкостью С_ж, массой m_ж и температу­рой Т_ж, которая вследствие теплообмена изменяется на величину ±ΔТ_ж. По этим параметрам вычисляется теплоёмкость образца:

Оценка плотности теплового потока q какого-либо разреза производится по совокупности данных скважинных и лаборатор­ных измерений. В скважинах измеряется температура пород. Для её индикации используют различные термометры и наземные пульты регистрации с одно- или трёхжильным кабелем. Запись тем­пературы ведётся непрерывно по стволу скважины. Полученные данные позволяют определить геотермический градиент как по от­дельным скважинам, так и обобщённый для некоторой площади. Теплопроводность пород разреза λ измеряется на лабораторных установках по керновому материалу. Вычисление плотности теп­лового потока производится по формуле q = λ·grad(T).