PL189096B1 - Model limnologiczny do pomiaru własności cieplnych wody stojącej - Google Patents

Abstract

1 . Model limnologiczny do pomiaru wlasnosci ciepl- n ych wody stojacej, znamienny tym, ze posiada naczynie glebinowe (1), którego górna czesc, zasadniczo cylindrycz- na o duzej smuklosci, korzystnie o smuklosci powyzej 10, jest komora miernicza (1.1) izolowana termicznie od oto- czenia na pozadanej pomiarowo wysokosci poprzez osla- niajaca ja od zewnatrz otuline (2), a czesc denna, zasadni- czo plaska o wysokosci równej co najwyzej srednicy komo- ry mierniczej (1.1) 1 srednicy równej co najmniej srednicy komory mierniczej (1.1), jest komora termostatyczna (1.2) z dnem uksztaltowanym w zewnetrzne naczynie denne (1.3), o wysokosci co najmniej komory termostatycznej (1.2), stanowiace jednoczesnie stabilna podstawe na- czynia glebinowego (1), przy czym górna przestrzen ko- mory mierniczej (1.1), korzystnie pozostajaca bez izolacji, przeznaczona jest do, naturalnego lub symulacyjnego, zadawania zmiennych warunków cieplnych w górnej war- stwie wody w naczyniu glebinowym, zas naczynie denne (1.3) wypelniane jest ciecza o ustalonej temperaturze celem utrzymywania stalych warunków cieplnych dla dennej warstwy wody w komorze termostatycznej (1.2), a ponadto model posiada sonde termiczna z para czujników tempera- tury (8) sytuowanych na dowolnym poziomie komory mierniczej (1.1), umieszczonych na pretach glebinowych (9), przesuwnych wzgledem siebie i mocowanych w suwa- ku (10), który przestawnie osadzony jest na kolumnie (11) z naniesiona podzialka miernicza wspólpracujaca ze wska- znikami umieszczonymi na zakonczeniach pretów glebi- nowych (9) FIG . 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest model limnologiczny do pomiaru własności cieplnych wody stojącej, którego konstrukcja symuluje warunki hydrostatyczne strefy głębinowej jeziora lub zbiornika zaporowego. Model służy jako pomoc naukowa i dydaktyczna szczególnie do badania zjawiska letniego uwarstwienia termicznego wody i demonstracji związanego z tym zjawiskiem efektu prądu antykowekcyjnego powstającego podczas transportu ciepła w dół z cieplejszych warstw przypowierzchniowych w niższe warstwy wody.

W nauce o jeziorach zwanej limnologią dla zbiorników głębszych poniżej kilkunastu metrów wyróżnia się cztery sezonowe typy zmian termicznych w jeziorze, nazwane cyrkulacją wiosenną, stagnacją letnią, cyrkulacją jesienną i stagnacją zimową. Szczegółowa charakterystyka tych typów opisana jest w literaturze fachowej m. in. A.Choiński „Wybrane zagadnienia z limnologii fizycznej Polski” wyd. Uniwersytetu A.Mickiewicza, Poznań 1985, str. 59 do 63. Najbardziej interesujące dla prezentowanego rozwiązania jest odwzorowanie typowego uwarstwienia termicznego w okresie stagnacji letniej, który charakteryzuje się spadkiem temperatury wraz ze wzrostem głębokości.

Pomiary temperatury wody w jeziorach i zbiornikach wodnych w okresie letnim potwierdzają występowanie trzech warstw o różnym stopniu nagrzania. Warstwom tym poczynając od góry do dołu nadano odpowiednio nazwy: epilimnion dla warstwy ciepłej wody

189 096 powierzchniowej, metalimnion lub termoklina dla warstwy wody o dużym skoku termicznym i hipolimnion dla chłodnej warstwy wody przydennej.

Zjawisko powstania warstw o różnej temperaturze określane jest jako stratyfikacja letnia. Miąższość tych warstw ulega zmianom. W okresie letnim woda w jeziorach i zbiornikach zaporowych ogrzewana jest na powierzchni, a przypowierzchniowa warstwa epilimnionu, najbardziej nagrzana zwiększa swoją grubość. Ten fakt świadczy o transporcie energii cieplnej w głąb jeziora czy zbiornika. W literaturze znajdujemy opisy tego zjawiska na podstawie zmiany gęstości wody w funkcji temperatury, wykorzystując fakt, że przy temperaturze 4°C gęstość wody jest największa. Porcja wody, która osiągnęła 4°C jako woda o największej gęstości przesuwa się głębiej poprzez otaczającą ją warstwę wody o innej temperaturze. Oznacza to, że przy oziębieniu zbiornika w okresie jesiennym i zimowym na dno zbiornika opadła woda o temperaturze 4°C jako ta, która posiada największą gęstość. Woda ta tworzy przy dnie warstwę o pewnej miąższości zwaną hipolimnionem. W okresie wiosennym woda przy swobodnej powierzchni ma temperaturę nieco powyżej 0°C i ogrzewając się od 0°C do 4°C zwiększa swoją gęstość. Jako woda o największej gęstości przy'4°C opada i powinna ułożyć się nad warstwą, która już tam się znajduje o takiej samej temperaturze. Miąższość warstwy hipolimnionu powinna się więc powiększyć. W analogiczny sposób można wywodzić, że miąższość tej warstwy powinna nadal powiększać się w następnych latach gdyż nie rozróżnia się mieszania wody o tych samych gęstościach. Mimo, że możliwe jest w tej warstwie mieszanie dyfuzyjne, które jest bardzo wolnym zjawiskiem, to i tak nie zmienia, więc ono gęstości wody. Dotychczas powszechnie stosowane wyjaśnienie powstania uwarstwienia w zbiornikach wodnych z wykorzystaniem zmian gęstości wody w funkcji temperatury jest niewystarczające, nie wyjaśnia to także mieszania się wody w całej objętości zbiornika wodnego jak również nie wyjaśnia zjawiska transportu ciepła w głąb zbiornika.

Istota rozwiązania charakteryzuje się tym, że model posiada naczynie głębinowe. Górna część naczynia jest komorą mierniczą izolowaną termicznie od otoczenia na pożądanej pomiarowo wysokości poprzez osłaniającą ją od zewnątrz otulinę. Komora ta zasadniczo cylindryczna charakteryzuje się dużą smukłością, korzystnie o smukłości powyżej 10, co określa się stosunkiem jej wysokości do średnicy. Górna przestrzeń komory mierniczej, z zasady pozostająca bez izolacji, przeznaczona jest do, naturalnego lub symulacyjnego, zadawania zmiennych warunków cieplnych w górnej warstwie wody w naczyniu głębinowym. Dolna, denna część naczynia jest komorą termostatyczną z dnem ukształtowanym w zewnętrzne naczynie denne. Wymiarowo komora ta jest zasadniczo płaska o wysokości równej, co najwyżej średnicy komory mierniczej i średnicy równej, co najmniej średnicy komory mierniczej. Naczynie denne ma wysokość, co najmniej komory termostatycznej i stanowi jednocześnie swą dużą powierzchnią demną stabilną podstawę naczynia głębinowego. Naczynie denne wypełniane jest cieczą o ustalonej temperaturze celem utrzymywania stałych warunków cieplnych dla dennej warstwy wody w komorze termostatycznej.

Model posiada również sondę termiczną z parą czujników temperatury sytuowanych na dowolnym poziomie komory mierniczej, umieszczonych na prętach głębinowych. Pręty te przesuwne są względem siebie i mocowane są w suwaku, który przestawnie osadzony jest na kolumnie z naniesioną podziałką mierniczą współpracującą ze wskaźnikami umieszczonymi na zakończeniach prętów głębinowych.

W korzystnym rozwiązaniu model posiada głowicę symulacyjną nasadzaną na górne obrzeże naczynia głębinowego. Korpus głowicy stenowi pokrywa z otworem dla sondy termicznej. Pod pokrywąw strefie odpowiadającej górnej przestrzeni komory mierniczej, zawieszona jest chłodnica i grzejnik wraz z umieszczonym w jego sąsiedztwie dwupołożeniowym progowym czujnikiem temperatury do wyłączania grzejnika. Do pokrywy może być utwierdzona kolumna tworząc w ten sposób głowicę symulacyjno pomiarową jako wyodrębniony zespół modelu. Kolumna może być również utwierdzona do podstawy naczynia głębinowego.

Zaletą rozwiązania jest duża prosta i funkcjonalna konstrukcja zezwalająca na swobodne symulacje warunków termicznych podczas pomiarów; Jako pomoc naukowa i dydaktyczna może być wykorzystywana na stanowiskach pomiarowych wyposażanych w zautomatyzowane urządzenia rejestrujące.

189 096

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie model w układzie pomiarowym, fig. 2 rozkład temperatury podczas nagrzewania, a fig. 3 rozkład temperatury podczas chłodzenia.

Opisywany model przedstawiony na fig. 1 składa się ze szklanego naczynia głębinowego 1 i zespołu głowicy symulacyjno-pomiarowej przykrywającej z góry to naczynie. Naczynie głębinowe 1, podzielone jest umownie na dwie części, z którego górna część jest komorą mierniczą 1.1 izolowaną termicznie od otoczenia na pożądanej pomiarowo wysokości poprzez osłaniającą ją od zewnątrz grubowarstwową otulinę 2. Komora ta jest cylindryczna i charakteryzuje się dużą smukłością powyżej 10, tj. liczbą wyrażającą stosunek jej wysokości do średnicy. Górna przestrzeń komory mierniczej 1.1 pozostająca bez izolacji, przeznaczona jest do symulacyjnego zadawania zmiennych warunków cieplnych w górnej warstwie wody w naczyniu głębinowym 1. Dolna, denna część naczynia oddzielona umownie otuliną 2 jest komorą termostatyczną 1.2. Wymiarowo komora ta jest płaska o wysokości równej, co najwyżej średnicy komory mierniczej 1.1. Dno tego naczynia ukształtowane jest w zewnętrzne naczynie denne 1.3 o wysokości wyższej od komory termostatycznej 1.2 i tworzy jednocześnie swą powierzchnią stabilną podstawę naczynia głębinowego 1. Naczyfiie denne 1.3 wypełniane jest cieczą o ustalonej temperaturze celem utrzymywania stałych warunków cieplnych dla dennej warstwy wody w komorze termostatycznej 1.2. Głowica symulacyjno-pomiarowa ma pokrywę 3 stanowiącą jej korpus, nasadzaną na obrzeże naczynia głębinowego 1. Pod spodem pokrywy 3, w górnej przestrzeni komory mierniczej 1.1, zawieszona jest chłodnica 5, grzejnik 6 wraz z umieszczonym w jego sąsiedztwie progowym czujnikiem temperatury 7 wyłączającym grzejnik 6. W pokrywie 3 są otwory dla wprowadzania sondy termicznej do komory mierniczej 1.1. Para czujników temperatury 8 tej sondy osadzona jest na prętach głębinowych 9 przesuwnych względem siebie. Pręty 9 mocowane są w suwaku 10 przestawnie osadzonym na kolumnie 11, która ma naniesioną podziałkę mierniczą współpracującą ze wskaźnikami umieszczonymi na zakończeniach prętów głębinowych 9. Kolumna 11 przytwierdzona jest do pokrywy 3. Na pokrywie zainstalowany jest zawór 4 usytuowany na wylocie chłodnicy 5.

Stanowisko pomiarowe z przedstawianym modelem w układzie przygotowuje się w ten sposób, że naczynie denne 1.3 napełnia się wychłodzoną wodą, z lodem dla osiągnięcia temperatury 4°C. Czujniki temperatury 8 podłącza się do interfejsu wejściowego urządzenia pomiarowo-rejestrującego R posiadającego odpowiedni program użytkowy do obliczania zadanych parametrów. Naczynie głębinowe 1 napełnia się badaną wodą do stanu zanurzenia chłodnicy 5 i grzałki 6. Chłodnicę 5 podłącza się do źródła cieczy chłodzącej; np. dodatkowego naczynia z oziębioną wodą, której przepływ cieczy reguluje się zaworem 4. Grzejnik 6 i jego czujnik temperatury 7 podłącza się do urządzenia zasilającego Z z układem termoregulacyjnym.

Wyniki przeprowadzonych pomiarów i analizę badanego zjawiska wyjaśniono na demonstracyjnym przykładzie nagrzewania wody o temperaturze 4°C do 18°C a następnie jej chłodzenia, co odwzorowuje stany termiczne z okresów letnich w jeziorze. Fig. 2 przedstawia rozkład temperatury w słupie wody w komorze mierniczej 1.1 ogrzewanej od góry, a fig. 3 podczas jej chłodzenia od góry. Porównując wykresy z fig. 2 i fig. 3 stwierdza się, że przy ochłodzeniu wody na powierzchni obserwuje się równoczesny wzrost temperatury w warstwach niższych. Zjawisko wzrostu temperatury w warstwach niższych można wytłumaczyć w następujący sposób. Rozpatrujemy elementarną porcję wody znajdującą się na powierzchni i zakładamy, że przy ochłodzeniu elementarna porcja wody występująca na powierzchni zwiększa swoją gęstość. Wzrost jej gęstości powoduje wzrost siły ciężkości. Zostaje więc naruszona równowaga i pod wpływem zwiększonej siły ciężkości ta elementarna porcja wody uzyskuje przyśpieszenie i zaczyna poruszać się do dołu. Ta elementarna porcja wody po nieznacznym obniżeniu się natrafia na warstwy wody o wyższej temperaturze. Warstwy o wyższej temperaturze mają mniejszą lepkość od opadającej elementarnej porcji wody, co w konsekwencji powoduje dalszy wzrost jej prędkości. Pojawia się opadający prąd antykonwekcyjny tak nazwany dla odróżnienia od wznoszącego prądu konwekcyjnego, wynikającego z ogrzewania wody przez źródło ciepła umieszczone u dołu zbiornika cieczy. Równocześnie opadająca elementarna porcja wody przechodząc przez warstwy cieplejsze ogrzewa się. Siła bezwładności przemieszcza ją w warstwy położone jeszcze niżej o znacznie niższej temperaturze, gdzie

189 096 następuje wymiana ciepła między elementarną porcją opadającej wody a otoczeniem. Ruch rozpatrywanej elementarnej porcji wody, a zatem i wymiana ciepła trwa aż do wyrównania temperatur i lepkości. Ten stan makroskopowy odpowiada mierzalnemu wzrostowi temperatury w całym pionowym słupie wody pokazanym na fig. 3. Te wyjaśnienia i uzyskane wyniki pomiarowe na modelu pokrywają się więc z makroskopowym rzeczywistym obrazem wzrostu temperatury w niższych warstwach wody podczas występującego zjawiska ochładzania się wody na powierzchni jeziora lub zbiornika zaporowego.

189 096

FIG.2

189 096

Głębokość h [cm]

Ρ’ΙΐΓ’ *“%

Fig.3

189 096

FIG.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50

Cena 2,00 zł.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Model limnologiczny do pomiaru własności cieplnych wody stojącej, znamienny tym, że posiada naczynie głębinowe (1), którego górna część, zasadniczo cylindryczna o dużej smukłości, korzystnie o smukłości powyżej 10, jest komorą mierniczą (1.1) izolowaną termicznie od otoczenia na pożądanej pomiarowo wysokości poprzez osłaniającą ją od zewnątrz otulinę (2), a część denna, zasadniczo płaska o wysokości równej co najwyżej średnicy komory mierniczej (1.1) i średnicy równej co najmniej średnicy komory mierniczej (1.1), jest komorą termostatyczną (1.2) z dnem ukształtowanym w zewnętrzne naczynie denne (1.3), o wysokości co najmniej komory termostatycznej (1.2), stanowiące jednocześnie stabilną podstawę naczynia głębinowego (1), przy czym górna przestrzeń komory mierniczej (1.1), korzystnie pozostająca bez izolacji, przeznaczona jest do, naturalnego lub symulacyjnego, zadawania zmiennych warunków cieplnych w górnej warstwie wody w naczyniu głębinowym, zaś naczynie denne (1.3) wypełniane jest cieczą o ustalonej temperaturze celem utrzymywania stałych warunków cieplnych dla dennej warstwy wody w komorze termostatycznej (1.2), a ponadto model posiada sondę termiczną z parą czujników temperatury (8) sytuowanych na dowolnym poziomie komory mierniczej (1.1), umieszczonych na prętach głębinowych (9), przesuwnych względem siebie i mocowanych w suwaku (10), który przestawnie osadzony jest na kolumnie (11) z naniesioną podziałką mierniczą współpracującą ze wskaźnikami umieszczonymi na zakończeniach prętów głębinowych (9).
2. 2. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada głowicę symulacyjną nasadzaną na górne obrzeże naczynia głębinowego (1), której korpusem jest pokrywa (3) z otworem dla sondy termicznej, pod którą w strefie odpowiadającej górnej przestrzeni komory mierniczej (1.1), zawieszona jest chłodnica (5) i grzejnik (6) wraz z umieszczonym w jego sąsiedztwie dwupołożeniowym progowym czujnikiem temperatury (7) do wyłączania grzejnika (6).
3. 3. Model według zastrz. 2, znamienny tym, że kolumna (11) utwierdzona jest na pokrywie (3) tworząc głowicę symulacyjno-pomiarowąjako wyodrębniony zespół modelu.
4. 4. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że kolumna (11) utwierdzona jest do podstawy naczynia głębinowego (1).