توصيفگر ها :
شمع انرژي , مدلسازي فيزيكي , چرخههاي حرارتي , تحليل همزمان حرارتي و مكانيكي , استحصال انرژي , نشست شمع
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
The intensification of human activities and the growing dependence on fossil resources in recent decades have led to environmental crises such as global warming, greenhouse gas emissions, and climate instability. Under these circumstances, the use of renewable energies, including geothermal energy, has received increasing attention as a sustainable approach. One of the modern methods of utilizing this energy is the application of energy piles in foundations, which, in addition to bearing structural loads, function as heat exchangers between the ground and the circulating fluid. Their thermo-mechanical behavior under the simultaneous influence of thermal and mechanical loads is complex and requires detailed investigation. In this regard, the present study aims to examine the thermo-mechanical behavior of an energy pile and the amount of extractable energy through the design and implementation of a physical laboratory model. For this purpose, a closed-ended aluminum tube with an embedment depth of 350 mm was used as the model pile, equipped with an internal helical copper tube and a water circulation system. The soil used in the tests was an inorganic clay with low plasticity (CL), whose characteristics were determined based on index tests. The specimens were prepared under unsaturated conditions such that the applied water content was 13%, lower than the optimum moisture content of 21.5%, to better simulate field conditions. For model preparation, the soil was compacted in ten 5-cm layers to achieve a dry unit weight of 1.43 g/cm³. To record temperature changes and settlement, multiple LM35 IC temperature sensors with an accuracy of 0.1 °C were installed inside the pile and in the surrounding soil, while an analog dial gauge with an accuracy of 0.01 mm was mounted on the pile head. The experiment was conducted in two stages. In the first stage, five heating–recovery and five cooling–recovery cycles were performed without mechanical loading to investigate the effect of temperature variations on the pile’s thermal behavior. In the second stage, the same cycles were carried out under a constant mechanical load equal to approximately 50% of the reference bearing capacity (1.095 kN, equivalent to 111.66 kg) to analyze the thermo-mechanical behavior and assess the influence of thermal cycles on pile settlement. The main outputs included the temperature transfer pattern along the pile and surrounding soil, the amount of harvested thermal energy, and the pile head displacement under coupled thermal–mechanical loading.The results indicated that the model boundaries were effectively insulated. During heating, the internal pile temperature was approximately 1.8 °C lower than the inlet water temperature, while during cooling it was about 0.8 °C higher. The outlet water temperature during heating was 1 °C lower than the inlet water temperature and higher than the internal pile temperature, whereas during cooling, the outlet water was approximately 1 °C warmer than the inlet water and slightly higher than the internal pile temperature. This behavior appears to result from heat conduction, the high thermal capacity of the pile and soil, and the limited residence time of the circulating fluid. Applying mechanical load reduced the inlet–outlet temperature difference and consequently decreased the heat transfer rate. The harvested thermal energy during heating and cooling without mechanical loading was 3.06 MJ and 3.27 MJ, respectively, which decreased to 2.77 MJ and 1.90 MJ under load—demonstrating the system’s considerable efficiency even in the presence of mechanical stress. Additionally, the settlement under the standard load after five heating–recovery and five cooling–recovery cycles decreased by about 50%, indicating enhanced soil cohesion, improved effective strength of the clay, and partial improvement of pile–soil contact due to thermal cycling.