DD218681A1 - METHOD AND DEVICE FOR THE LABORATORY DETERMINATION OF POROSITAET PARAMETERS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Laborverfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der durchstroemten und nichtdurchstroemten Porositaet von gestoert oder ungestoert entnommenen Proben poroeser Medien in Abhaengigkeit ihrer Fluidsaettigung. Ziel der Erfindung ist es, die zuverlaessige Ermittlung dieser Parameter mit geringem Aufwand zu gewaehrleisten. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass mit einer Vorrichtung im Verfahrensschritt I ein Tracer im durchstroemten und nichtdurchstroemten Porenraum einer fluiddurchstroemten Probe ins thermodynamische Gleichgewicht gebracht wird. Im Verfahrensschritt II wid das Fluid mit veraenderter Tracerkonzentration (z. B. tracerfrei) zugefuehrt, bis dieses das am Ende von I im durchstroemten Porenraum befindliche weitestgehend verdraengt hat. Nachfolgend wird im Verfahrensschritt III dem System eine Kreislauffuehrung des stroemenden Fluids aufgepraegt und bis zur Einstellung des erneuten thermodynamischen Gleichgewichts aufrechterhalten. Die gesuchten Parameter werden aus einer Massenbilanzgleichung des Tracers der Verfahrensschritte I, II und III und einem mathematischen Modell fuer den Tracerkonzentrationsverlauf am Ablauf waehrend des Verfahrensschrittes II ermittelt. Fig. 1The invention relates to a laboratory method and a device for determining the perforated and non-perforated porosity of disturbed or undisturbed samples of porous media as a function of their fluid saturation. The aim of the invention is to ensure the reliable determination of these parameters with little effort. According to the invention, this object is achieved by the fact that a device in method step I brings a tracer into the thermodynamic equilibrium in the purged and non-purged pore space of a fluid-perfused sample. In method step II, the fluid is supplied with altered tracer concentration (eg, tracer-free) until it has largely displaced the end of I in the pore space that has been pervaded. Subsequently, in the process step III the system is circulated a circulation of the flowing fluid and maintained until the setting of the renewed thermodynamic equilibrium. The sought parameters are determined from a mass balance equation of the tracer of method steps I, II and III and a mathematical model for the Tracerkonzentrationsverlauf at the end of the process step II. Fig. 1
Description
-1- 244 765-1- 244 765
Verfahren und Vorrichtung zur iaborativen Ermittlung von Porositätsparametem Anwendungsgebiet der ErfindungMethod and device for the iaborative determination of porosity parameters Field of application of the invention
Die Erfindung betrifft ein Laborverfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der durchströmten und nichtdurchströmten Porosität von gestört oder ungestört entnommenen Proben poröser Medien in Abhängigkeit von der Sättigung der Probe mit dem betrachteten Fluid. Diese Parameter werden z. B. für die Untersuchung des Wärme- und Stofftransportes mit dem strömenden Boden- und Grundwasser benötigt.The invention relates to a laboratory method and a device for determining the flowed through and non-perfused porosity of disturbed or undisturbed samples of porous media as a function of the saturation of the sample with the fluid under consideration. These parameters are z. B. needed for the investigation of heat and mass transport with the flowing soil and groundwater.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Zur Iaborativen Ermittlung der durchströmten und nichtdurchströmten Porosität sind Säulendurchlaufversuche an Proben mit L > 5 0 (L-Säuisnlänge, 0-Durchmesser der Probe) unter Verwendung konservativer Tracer bekannt. Aus den Meßwerten der Tracerkonzentration C (z, t) (t-Zeit, 0 < ζ < L) werden aus den prozeßbeschreibenden Gleichungen (1) die gesuchten Porositätskennwerte n0 und nst durch EDV-gestützte Parameteridentifikation ermittelt:For the purpose of the Iaborative determination of the flowed through and non-perfused porosity, column run tests on samples with L> 5 O (L-length, 0-diameter of the sample) using conservative tracers are known. From the measured values of the tracer concentration C (z, t) (t-time, 0 <ζ <L), the desired porosity characteristics n 0 and n st are determined from the process-describing equations (1) by computer-aided parameter identification:
' " """ "" 5Cs~t" '"""""" 5C s ~ t "
0 = (nSt + l<4) TTt + ^1C - koCst D — Dispersionskoeffizient0 = (n St + l <4) TTt + ^ 1 C - coCst D - dispersion coefficient
ν — Filtergeschwindigkeit (Durchfluß pro Fläche)ν - filter speed (flow per area)
n0 — durchströmte Porositätn 0 - porosity flowed through
nSt :— nichtdurchstrcmte Porosität (P. mit stagnierendem Fluid)n St : - imperforate porosity (P. with stagnant fluid)
k·,, k2 — Geschwindigkeitskoeffizientender kinetischen Austauschreaktion I.Ordnung zwischen dem Tracer im durchströmten und nichtdurchströmten Porenraum k3, k4 — Speicherkoeffizienten der Feststoffphase Die Nachteile dieses Verfahrens ergeben sichk · ,, k 2 - Velocity coefficient of the kinetic exchange reaction I. Order between the tracer in the pore space k3, k 4 which is traversed and does not flow through - Storage coefficients of the solid phase The disadvantages of this method are shown
— aus dem hohen rechentechnischen Aufwand,- from the high computational effort,
— aus der Notwendigkeit 4 der 8 Parameter der Gl. (1)- out of necessity 4 of the 8 parameters of Eq. (1)
(D, v, n0, nSt, k,, k2, k3, k4) mit anderen Verfahren ermitteln zu müssen, da aus Gl. (1) nur 4 unabhängige" Parameter identifizierbar sind(D, v, n 0 , n St , k ,, k 2 , k 3 , k 4 ) must be determined by other methods, since from Eq. (1) only 4 independent "parameters are identifiable
— aus den Schwierigkeiten, die bei der Entnahme ungestörter Bodenproben mit L > 5 0 auftreten.- from the difficulties encountered in taking undisturbed L> 5 0 soil samples.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist es, die durchströmte und nichtdurchströmte Porosität mit geringem Aufwand zu ermitteln. Darlegung des Wesens der ErfindungThe aim of the invention is to determine the flowed through and non-perfused porosity with little effort. Explanation of the essence of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen alle Größen, die zur Ermittlung der genannten Porositätskennwerte erforderlich sind, sowohl an gestört als auch an ungestört entnommenen Proben laborativ bestimmt werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß beim Durchströmen der Probe mit einem getracerten Fluid nacheinander in drei Verfahrensschritte die nachfolgend aufgeführten Größen bestimmt werden:The object of the invention is to provide a method and a device with which all variables which are required to determine the aforementioned porosity parameters, both disturbed and undisturbed samples taken can be determined by laboratory. According to the invention, the object is achieved in that, when flowing through the sample with a tracer fluid, the quantities listed below are determined successively in three process steps:
Verfahrensschritt I:Process step I:
Die gestört oder ungestört entnommene Probe des zu untersuchenden porösen Mediums wird in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingebaut. Sie wird mit dem zu untersuchenden Fluid, dem ein konservativer Tracer zugemischt wird, mit etwa konstanter Geschwindigkeit ν solange durchströmt, bis dieser Tracer im durchströmten und nichtdurchströmten fluidgefüllten Porenraum im thermodynamischen Gleichgewicht steht. Dieser Zustand wird erreicht, wenn die Tracerkonzentration im Ablauf gleich der im Zulauf ist (CA = Cz = Q). Die gewünschte Gesamtfluidsättigung des porösen Mediums ns = n0 + nSt wird dadurch erzeugt, daß die das poröse Medium benetzende Phase im Porenraum unter entsprechenden Unterdruck oder die nicht benetzende unter entsprechenden Druck gesetzt wirdThe disturbed or undisturbed sample taken from the porous medium to be examined is incorporated into the device according to the invention. It is flowed through with the fluid to be examined, to which a conservative tracer is admixed, at about constant velocity ν until this tracer is in thermodynamic equilibrium in the flow-through and non-perfused fluid-filled pore space. This state is reached when the tracer concentration in the process is the same as in the feed (C A = C z = Q). The desired total fluid saturation of the porous medium n s = n 0 + n St is produced by placing the phase which wets the porous medium in the pore space under appropriate negative pressure or the non-wetting under appropriate pressure
In der Probe befindet sich bei erreichtem thermodynamischen Gleichgewicht folgende Tracermenge: The sample contains the following amount of tracer when the thermodynamic equilibrium is reached:
M, = C, ηΣ VM, = C, η Σ V
mit C, = CA Meßtechnisch zu erfassen sind die Tracerkonzentrationen im Zu- und Ablauf sowie das Volumen V der Probe.with C, = C A The tracer concentrations in the inlet and outlet as well as the volume V of the sample are to be measured.
Am Zulauf der Probe wird nun das zu untersuchende Fluid mit einer veränderten Tracerkonzentration (z. B. tracerfrei) zugeleitet, wobei die Druckverhältnisse (Kapillardruck) und die Durchströmungsgeschwindigkeit gegenüber dem Verfahrensschritt I unverändert bleiben. Im Fall der Nutzung eines tracerfreien Fluids, der im weiteren betrachtet wird, wird der Tracer aus dem durchströmten Porenraum ausgewaschen. Der Zustrom tracerfreien Fluids erfolgt solange, bis im Ablauf die Konzentration des konservativen Tracers etwa den Wert von 0,8 bis 0,5 C, erreicht hat. Die Durchströmungsgeschwindigkeit muß in diesem Verfahrensschritt so konstant als möglich sein. Meßtechnisch zu erfassen sind die Tracerkonzentrationsabnahme in Abhängigkeit von der Zeit (zu den Zeitpunkten ti) am Auslauf (ACA = C1—CM [L, t] = ACn [tj), die ausgewaschene Tracermenge Mn und die Fiitergeschwindigkeit v.At the inlet of the sample, the fluid to be examined with an altered tracer concentration (eg tracer-free) is now supplied, the pressure conditions (capillary pressure) and the flow rate remaining unchanged compared to method step I. In the case of using a tracer-free fluid, which is considered below, the tracer is washed out of the perfused pore space. The flow of tracer-free fluid takes place until the concentration of the conservative tracer has reached approximately the value of 0.8 to 0.5 C in the course. The flow rate must be as constant as possible in this process step. The tracer concentration decrease as a function of time (at the times ti) at the outlet (AC A = C 1 -C M [L, t] = AC n [tj], the washed-out tracer quantity Mn and the fiiter speed v.
Der Probe wird nun im Zulauf der Ablauf zugeführt (Schaffung eines geschlossenen Fluidkreislaufes). Die Druckverhältnisse (Kapillardruck) und die Durchströmungsgeschwindigkeit bleiben gegenüber den Verfahrensschritten I und Il unverändert. Der geschlossene Fluidkreislauf wird solange betrieben, bis sich wiederum ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen den getracerten Fluidanteilen des durchströmten und nichtdurchströmten Porenraumes eingestellt hat. Dies ist erreicht, wenn ^z = CA = Cm ist. In der Probe befindet sich dann die TracermengeThe sample is then fed into the inlet of the outlet (creation of a closed fluid circuit). The pressure conditions (capillary pressure) and the flow rate remain unchanged compared to the method steps I and II. The closed fluid circuit is operated until, in turn, a thermodynamic equilibrium has been established between the tracer fluid fractions of the flow-through and non-perfused pore space. This is achieved if ^ z = C A = Cm. The sample then contains the amount of tracer
M,ι, = CmnsV (3)M, ι, m = C n V s (3)
Meßtechnisch ist die Tracerkonzentration im Zu- und Ablauf und damit C... 711 «rfa«s<!enMeasurement technology is the tracer concentration in the inlet and outlet and C ... 711 "rfa" s <! S
Auswertung: . * .Evaluation:. *.
Aus der Bilanzgleichung der Tracermenge der drei Verfahrensschritte ergibt sich:From the balance equation of the tracer quantity of the three method steps, it follows:
Mi = Μ,, + MMi = Μ ,, + M
IIIIII
(4)(4)
und damit die fluidgesättigte Gesamtporosität des porösen Mediums n2 zu:and thus the fluid-saturated total porosity of the porous medium n 2 to:
Μ.. . ;Μ ... ;
(5) (5)
ηΣ =η Σ =
V (C1 - C1 V (C 1 -C 1
Die Ermittlung von n0 erfolgt ufiter der Annahme, daß für die Frontspitze der am Auslauf austretenden tracerfreien Wasserteilchen für v/L > k2 folgende Gleichung ausreichend genau die Konzentrationsabnahme des Tracers am Auslauf derThe determination of n 0 is based on the assumption that for the front tip of the tracer-free water particles emerging at the outlet for v / L> k 2 the following equation is sufficiently accurate the decrease in concentration of the tracer at the outlet of the
_ Probebeschreibt: hf erf _ Sample: hf erf
-10 =-10 =
L L
(6)(6)
Zur Ermittlung von no aus Gl. (6) werden die Meßwerte Cn(tnj) graphisch in ein X, Y- Ko Ordinate η system mitTo determine n o from Eq. (6) the measured values Cn (tnj) are graphically represented in an X, Y-Ko ordinate η system
,2C1 , 2C 1
Y = inferfY = inferf
(7a)(7a)
X = in tu (t,| — Zeit seit Beginn des Verfahrensschrittes IX = in tu (t, | - time since the beginning of method step I
YWYW
Y (α)Y (α)
γ«γ "
0,00 0,05 0,10 0,15 0,200.00 0.05 0.10 0.15 0.20
0,00 0,04 0,09 0,13 0,180.00 0.04 0.09 0.13 0.18
0,25 0,30 0,35 0,40 0,450.25 0.30 0.35 0.40 0.45
0,23 0,27 0,32 0,37 0,420.23 0.27 0.32 0.37 0.42
0,50 0,55 0,60 0,65 0,700.50 0.55 0.60 0.65 0.70
0,48 0,54 0,60 0,66 0,730.48 0.54 0.60 0.66 0.73
0,750.75
0,7750.775
0,8000,800
0,8250.825
0,8500,850
0,81 0,85 0,90 0,97 1,020.81 0.85 0.90 0.97 1.02
0,875 0,900 0,925 0,950 0,9750.875 0.900 0.925 0.950 0.975
1,07 1,15 1,25 1,40 1,651.07 1.15 1.25 1.40 1.65
hf erf ( -=Ο = - inf erf hf erf ( - = Ο = - inf erf
Um inf erf (oc ) = oo To inf (oc) = oo
aufgetragen und die Werte Y, von den kleinsten Xj-Werten beginnend durch eine Gerade entsprechend Gl. (6) Y ?= A-BX . · (8)plotted and the values Y, starting from the smallest Xj values starting from a straight line according to Eq. (6) Y? = A-BX. · (8th)
ausgeglichen. Für größer werdende Werte X1 können die YrWerte über der Ausgieichsgeraden liegen. Die durchströmte und nichtdurchströmte Porosität ergeben sich hieraus zu: λ balanced. For increasing values X 1 , the Y r values may be above the alignment line. The flow through and non-perfused porosity result from this: λ
no ~ n o ~
mit: . to;s = exp X (Cn = 0,5 C,) (9a)With: . t o ; s = exp X (C n = 0.5 C,) (9a)
und .- and .-
nSt - ηΣ - n0 = '—) ~ (v/L> -^,s -Ob)n St - η Σ - n 0 = '- ) ~ (v / L> - ^, s -Ob)
Zur Durchführung des Verfahrens kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt werden. An einer vollständig mit Probenmaterial gefüllten Probekammer sind angeschlossen:For carrying out the method, the device according to the invention can be used. On a sample chamber filled with sample material are connected:
— seitlich Mittel zur Einstellung des Kapillardruckes in der Probe; an den Stirnseiten der Probe durchströmbare Elemente, die eine Aufrechterhaltung des Kapillardruckes gewährleisten, · . -- lateral means for adjusting the capillary pressure in the sample; Elements which can be flowed through at the ends of the sample and which ensure the maintenance of the capillary pressure. -
— von unten der Zulauf mit einem Dreiwegehahn, von oben der Abiauf mit einem weiteren Dreiwegehahn,- from below the inlet with a three-way stopcock, from above the Abiauf with another three-way stopcock,
— am Zulaufdreiwegehahn gemeinsam über je ein Absperrhahn zwei in der Höhe verstellbare Boyle-Mariottesche Gefäße,- two adjustable height Boyle-Mariottesche vessels on the inlet two-way valve, each with one stopcock,
— am Ablaufdreiwegehahn ein Ablauf- und ein Standrohr,- on the drainage tap a drain and a standpipe,
— zwischen beiden Dreiweghähnen eine über eine Pumpe geschlossene Verbindung mit einem zwischen dem Zulaufdreiwegehahn und der Pumpe angeschlossenen Standrohr,Between the three-way valves a connection closed by a pump with a standpipe connected between the inlet two-way valve and the pump,
— zwischen den Stirnseiten der Probenkammer und den Dreiwegehähnen je eine Meßzelle zur Bestimmung der Tracerkonzentration.- Between the front sides of the sample chamber and the three-way valves each a measuring cell for determining the Tracerkonzentration.
In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt. Die Probenkammer ist vollständig mit einer Bodenprobe 1 gefüllt. Sie wird seitlich mit einem konstanten Überdruck Δρ gegenüber dem atmosphärischen Druck patm beaufschlagt. Stirnseitig wird die Probenkammer von Keramikplatten 5 begrenzt. Durch die Keramikplatten strömen Fluid und Tracer ein (untere Stirnseite) und aus (obere Stirnseite). Am Zulauf sind zwei Boyle-Mariottesche Gefäße 2 und 3 angeschlossen. In 2 befindet sich tracerfreies Wasser; in 3 Wasser und NaCI ais Tracer. Die Gefäße sind höhenverstellbar zur Einstellung der Durchströmungsgeschwindigkeit. Sie können über den Einwegehahn 11 getrennt an die Leitung zum Zulaufdreiwegehahn 10Z angeschlossen werden.In the drawing, a device according to the invention is shown. The sample chamber is completely filled with a soil sample 1. It is acted upon laterally with a constant overpressure Δρ with respect to the atmospheric pressure p atm . At the front, the sample chamber is bounded by ceramic plates 5. Fluid and tracer flow through the ceramic plates (lower end side) and out (upper end side). At the inlet two Boyle-Mariottesche vessels 2 and 3 are connected. In Fig. 2 is tracer-free water; in 3 water and NaCl as a tracer. The vessels are height adjustable for adjusting the flow rate. They can be connected via the inlet tap 11 separately to the line to the inlet two-way cock 10Z.
Die Stellung der Hähne bei den drei Verfahrensschritten ist eingezeichnet. Am Ablauf sind über einen Dreiwegehahn 10A ein Abflußrohr und ein Standrohr 7 angeschlossen. Zwischen 10A und 10Z befindet sich eine weitere Leitung, mit der der Ablauf in den Zulauf zurückgeführt werden kann. Hierzu ist in die Leitung eine Pumpe 6 und ein Standrohr 7 geschaltet. Beide dienen zur Einstellung der konstanten Ftltergeschwindigkeit auf etwa den Wert, der zuvor mit der eingestellten Höhe der Boyle-Mariotteschen Gefäße festgelegt wurde. In die Zu- und Ableitung ist je eine Meßzelle 8 zur Messung der Tracerkonzentration geschaltet. Zur Ermittlung der Ablaufmenge dient eine Bürette 9. Die einzelnen Meßschritte und ihre Auswertung wurdenThe position of the taps in the three process steps is shown. At the drain are connected via a three-way tap 10 A, a drain pipe and a standpipe 7. Between 10A and 10Z there is another line with which the drain can be returned to the inlet. For this purpose, a pump 6 and a standpipe 7 is connected in the line. Both are used to set the constant Ftltergeschwindigkeit to about the value previously set with the adjusted height of the Boyle-Mariottesian vessels. In each of the supply and discharge a measuring cell 8 is connected for measuring the Tracerkonzentration. A burette 9 is used to determine the flow rate. The individual measuring steps and their evaluation were used
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102011005904A1 (en) | 2010-03-22 | 2011-09-22 | Bgd Boden- Und Grundwasserlabor Gmbh | Process for infiltrating reactive substances for in situ groundwater treatment |
DE102009043134B4 (en) * | 2009-09-18 | 2014-05-22 | Bgd Boden- Und Grundwasserlabor Gmbh | Method for determining mass transfer rates between water bodies and porous media in surface waters |
DE102020122728A1 (en) | 2020-08-31 | 2022-03-03 | Technische Universität Darmstadt | METHOD OF DETERMINING A MEASURE OF A PORESIZE OF A POROUS MATERIAL, DEVICE AND USE OF THE DEVICE |
-
1982
- 1982-11-11 DD DD24476582A patent/DD218681B3/en not_active IP Right Cessation
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WO2011117235A1 (en) | 2010-03-22 | 2011-09-29 | GICON GROßMANN INGENIEUR CONSULT GMBH | Method for the infiltration of reactive substances for in-situ groundwater treatment |
DE102020122728A1 (en) | 2020-08-31 | 2022-03-03 | Technische Universität Darmstadt | METHOD OF DETERMINING A MEASURE OF A PORESIZE OF A POROUS MATERIAL, DEVICE AND USE OF THE DEVICE |
DE102020122728B4 (en) | 2020-08-31 | 2024-07-18 | Technische Universität Darmstadt | METHOD FOR DETERMINING A MEASUREMENT OF A PORE SIZE OF A POROUS MATERIAL, DEVICE AND USE OF THE DEVICE |
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