بررسي آزمايشگاهي اثر دما بر رفتار ترمومكانيكي شمع ‌انرژي تحت بارگذاري همبسته حرارتي و مكانيكي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

عمران

كارشناسي ارشد

افزايش فعاليت‌هاي انساني و وابستگي به منابع فسيلي در دهه‌هاي اخير موجب بروز بحران‌هاي زيست‌محيطي نظير گرمايش جهاني، انتشار گازهاي گلخانه‌اي و ناپايداري اقليم شده است. در اين شرايط، استفاده از انرژي‌هاي تجديدپذير مثل انرژي زمين‌گرمايي به‌عنوان رويكردي پايدار موردتوجه قرار گرفته است. يكي از روش‌هاي نوين بهره‌گيري از اين انرژي، به‌كارگيري شمع‌هاي انرژي در پي سازه‌ها است كه علاوه بر انتقال بار، به‌عنوان مبدل حرارتي بين زمين و سيال عمل مي‌كنند. رفتار ترمومكانيكي آن‌ها تحت اثر هم‌زمان بارهاي حرارتي و مكانيكي پيچيده بوده و نيازمند بررسي دقيق است. در اين راستا، در تحقيق حاضر با هدف بررسي رفتار ترمومكانيكي شمع انرژي و ميزان استحصال انرژي، يك مدل فيزيكي آزمايشگاهي طراحي و اجرا شده است. بدين منظور، از يك لوله آلومينيومي انتها بسته با عمق مدفون 350 ميلي‌متر به‌عنوان شمع مدل با لوله مارپيچ مسي داخلي و سامانه گردش آب بهره گرفته شد. خاك مورد استفاده، رس غيرآلي با خميري پايين (CL) بود كه ماهيت آن بر اساس نتايج آزمايش‌هاي شاخص تعيين شد. نمونه‌ها در شرايط غير اشباع آماده‌سازي شدند؛ بدين صورت كه مقدار رطوبت اعمالي برابر 13 درصد و كمتر از رطوبت بهينه 5/21 درصد بود تا شرايط واقعي¬تري از وضعيت ميداني شبيه‌سازي شود. براي ساخت مدل آزمايشگاهي، خاك در 10 لايه‌ي 5 سانتي‌متري متراكم شد تا وزن مخصوص خشك برابر 43/1 گرم بر سانتي‌متر مكعب حاصل شود. براي ثبت تغييرات دما و نشست، حسگرهاي دماي متعدد از نوع ICمدل LM35 با دقت 1/0 درجه‌ سانتي‌گراد در داخل شمع، خاك اطراف و جابه‌جايي سنج از نوع ساعت انديكاتور آنالوگ با دقت 01/0 ميلي‌متر روي سر شمع نصب گرديد. روند آزمايش در دو مرحله انجام شد؛ در مرحله نخست، 5 چرخه‌ گرمايش - بازيابي و 5 چرخه سرمايش - بازيابي بدون وجود بار مكانيكي به‌منظور بررسي اثر تغييرات دما بر رفتار حرارتي شمع اجرا گرديد و در مرحله دوم، همين چرخه‌ها تحت بار مكانيكي ثابت معادل تقريباً 50 درصد ظرفيت باربري مرجع (095/1 كيلونيوتن يا به‌صورت معادل 66/111 كيلوگرم) به‌منظور تحليل رفتار ترمومكانيكي و تأثير تغييرات حرارتي بر نشست شمع مورد بررسي قرار گرفت. خروجي‌هاي اصلي آزمايش شامل الگوي انتقال دما در طول شمع و خاك اطراف آن، مقدار انرژي حرارتي استحصالي از سيستم و ميزان جابه‌جايي سرشمع تحت اثر بارگذاري همبسته حرارتي و مكانيكي بود. نتايج مطالعه نشان داد كه مرزهاي مدل از نظر حرارتي به درستي ايزوله شده است. در گرمايش، دماي داخلي شمع، تقريباً 8/1 درجه سانتي‌گراد كمتر از دماي آب ورودي و در سرمايش تقريباً 8/0 درجه سانتي‌گراد بالاتر از دماي ورودي بود. همچنين دماي آب خروجي در گرمايش 1 درجه سانتي‌گراد كمتر از آب ورودي و بيشتر از دماي داخل شمع و در سرمايش، دماي آب خروجي تقريباً 1 درجه سانتي‌گراد بالاتر از دماي آب ورودي و اندكي بيشتر از دماي داخل شمع بود كه به نظر مي‌رسد اين رفتار ناشي از هدايت حرارتي، ظرفيت بالاي شمع و خاك و زمان ماند محدود جريان است. اعمال بار مكانيكي موجب كاهش اختلاف دماي ورودي و خروجي و در نتيجه افت نرخ انتقال حرارت شد. انرژي حرارتي استخراج‌شده در گرمايش و سرمايش بدون وجود بار مكانيكي به ترتيب 06/3 و 27/3 مگاژول بود و با بار به 77/2 و 90/1 مگاژول كاهش يافت كه نشان‌دهنده كارايي بالاي سامانه حتي در حضور بار است. همچنين نشست تحت بار استاندارد پس از 5 چرخه گرمايش- بازيابي و 5 چرخه سرمايش- بازيابي حدود 50% كمتر شد كه نشان‌دهنده افزايش چسبندگي، بهبود مقاومت مؤثر خاك رس و بهبود نسبي تماس شمع و خاك در اثر چرخه‌هاي حرارتي است.

236419

ژئوتكنيك

مهندسي عمران

دانشگاه صنعتي اصفهان