SU911274A1 - Устройство дл определени теплопроводности жидкостей и газов - Google Patents

Description

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения тепло проводности жидкостей или газов. Известно устройство для определения. теплопроводности жидкостей или газов, содержащее два коаксиально расположенных медных цилиндра, причем внутренний цилиндр снабжен· нагревателем, смонтированным по его оси, и отделен от наружного зазором в 0,Зм15 в. который помещают исследуемое вещество. Для измерения перепада температур на слое исследуемого вещества использованы три дифференциальные термопары, включенных последовательно по электрическому сигналу, горячие спаи которых расположёны на наружной поверхности внутреннего цилиндра. Устройство в собранном виде устанавливают в строго определенном положении в термостате. Принцип работы основан на том, что при эа данной температуре жидкости и постоянной мощности нагревателя разность 25 температур, измеряемая дифференциальными термопарами, однозначно связана с теплопроводностью исследуемого вещества λ= f( Δ t) при постоянной мощности, подводимой к калоримет- 30 рическому телу. Вид этой зависимости определяют градуировкой устройства по жидкостям с известными коэффициентами теплопроводности [1].

Недостатками устройства являются необходимость в измерении очень малых термоэдс термопар (5 - 10 мкВ), а также требование высокой точности определения и поддержания мощности нагревателя й температуры проведения экспериментов.

Известно также устройство для определения теплопроводности, содержащее два идентичных измерительных блока, каждый из которых оснащен термостатирукяцей камерой, выполненной в виде плоского проточного теплообменника, на поверхности которой установлен тепломер с датчиками температуры поверхности образца, систему термостатирования и измерительную схему. Система термостатирования состоит из двух термостатов , каждый из которых подключен к своей термостатируемой камере, причем температуры термостатирования камер не равны между собой. Исследуемое вещество помещают в пластиковый пакет и зажимают между двумя измерительными блоками так, чтобы стенки пакета по всей поверхности контактировали с тепломерами [2] .

Недостатками этого, устройства является необходимость в измерении малых разностей температур, а также неопределенность и нестабильность $ термического сопротивления контакта пластикового пакета с поверх' ностью тепломеров и необходимость проведения дополнительных опытов для определения термического сопротивле- '0 ния пакета.

Кроме того, 'значительное различие в сигналах тепломеров и термопар требует для их измерения применять .разные вторичные приборы.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является· устройство для измерения коэффициента теплопроводности жидкостей или газов, содержащее нагреватель и холодильник, в данном случае охлаждаемую естественной конвенцией высокотеплопроводную пластину, между которыми установлены тепломеры с заданными' термическими сопротивлениями, выполненные в виде плоских пластин, и расположена ячейка для исследуемого вещества, образованная поверхностью одного из тепломеров и ’профилированной пластиной из высокотеплопроводного материала, причем один из тепломеров установлен в контакте с нагревателем и холодильником, а другой - с нагревателем и . исследуемой средой.

Для определения коэффициента теплопроводности исследуемой среды устройство погружают непосредственно в эту среду, включают электронагрева·тель и после наступления стационарного теплового режима регистрируют термоэдс тепломеров, а коэффициент теплопроводности рассчитывают по выведенным формулам.

Эта конструкция исключает необходимость измерения малых разностей температур, а высокая чувствительность теМпломеров позволяет измерять термоэдс с малыми погрешностями. Метод позволяет применить делитель напряжения, шкала которого проградуирована непосредственно в единицах теплопроводности [3] .

Недостатком этого устройства является большая продолжительность Выхода на стационарный тепловой режим из-за того,чцо отвод тепла от охлаждаемой пластины,служащей холодильником, осуществляется естественной конвекцией.

Неодномерность температурного поля в ячейках с исследуемой средой ввиду того, что температура двух перпендикулярно расположенных поверхностей, ограничивающих объем ячейки, одина- 65 кова, создает предпосылки к возникновению конвективных токов, за счет чего резко снижается точность определения коэффициента теплопроводности. Кроме того, в устройстве сложно проводить очистку ячейки от исследуемой жидкости и уход за ее 'поверхностями.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения теплопроводности жидкостей и газов, содержащем нагреватель и холодильник, между которыми расположены тепломеры, выполненные в виде плоских пластин и ячейка для исследуемого вещества, а также измерительную схему, тепломер, контактирующий с нагревателем,снабжен датчиком температуры, выполнен со сквозным центральным отверстием и смонтирован на пластине из высокотеплопроводного материала, укрепленной на тепломере, контактирующем с холодильником, при этом нагреватель выполнен съемным, а ячейка для исследуемого вещества образована поверхностью нагревателя, поверхностью пластины и внутренней боковой поверхностью тепломера, расположенного между ними, и снабжена сосудом с капилляром, соединенным с ней.

На фиг. -1 представлена схема устройства; на фиг. 2 - график зависимости между отношением теплопро — водности (вещества и тепломера) и отношением измеряемых тепломерами плотностей теплового потока для разных значений отношений их площадей. Устройство для определения теплопроводности жидкости или газа (фиг. 1) содержит тепломеры 1 и 2, смонтированные между холодильником 3 и съемным нагревателем 4, в качестве холодильника 3 могут быть использованы проточный теплообменник или термоэлектрическая батарея, реализующая эффект Пельтье. Тепломер 2 выполнен со сквозным отверстием по центру и смонтирован на пластине 5 из высокотеплопроводного материала (серебра, меди, алюминия), установленной на поверхности тепломера 1. Для определения средней температуры исследуемого вещества в центре по толщине тепломера 2 вмонтирован ’ датчик б температуры. Для компенсации температурного расширения исследуемого вещества ячейка 7, образован-ная поверхностью нагревателя, 4, боковой поверхностью тепломера 2 и поверхностью пластины 5, соединена капиллярной трубкой 8 с сосудом 9. Герметизация рабочей части устройства осуществляется уплотнительной прокладкой 10, имеется штуцер 11. Для заполнения рабочей ячейки «-исследуе911274' 6 мым веществом устройство снабжено дренажными каналами 12, а для удале-¹ ния избытка жидкости йз охранных полостей - каналами 13.

Устройство работает следующим образом.

Для определения теплопроводности жидкостей (особенно вязких) при снятом нагревателе 4 в ячейку 7 заливают исследуемое вещество так, чтобы жидкость полностью заполняла объем ячейки и поступила в сосуд 9, после- чего устанавливают нагреватель 4 й прижимают его с усилием к поверхности тепломера 2. Избыток жидкости, попавшей в охранные полос- ; 5 ти, удаляется с помощью дренажных каналов 13. После сборки устройства с помощью нагревателя 4 и холодильника 3 обеспечивают необходимый температурный перепад, выбранный исходя jq из условия GrP-y < 1000, который контролируют тепломером 2. После наступления стационарного теплового режима измеряют термоэдс тепломеров 1 и 2 й термопары. При;необходимости исследования температурной зависимости коэффициента теплопроводности испытуемого вещества по окончании замеров изменяют температурный уровень термостатированйя холодильника 3. Температурное расширение вещества устраняется при этом благодаря наличию капилляра 8 и сосуда 9 . . ·

Для определения теплопроводности газов устройство предварительно собирают и испытывают на герметичность по уплотнительной прокладке 10. После чего к каналу штуцера 11 подключают вакуумметр (не показан) , к каналу 12 -вакуум-насос, < а к каналу 13 - баллон с исследуемым газом. При перекрытом канале 13 • из полостей устройства удаляют имеющийся в них воздух и, отключив вакуум-насос, открывают канал 13 и подают в полость исследуемый газ. Операцию откачка- наполнение повторяют 3 - 4 раза, после чего при перекрытом канале 12 заполняют рабочую ячейку исследуемым газом, контролируя его давление по вакуумметру. Измерения проводят по Методике для жидкости.

Коэффициент теплопроводности считывают по формуле:

где F( и F^

-1Γ θ+ΚΊ ^F< ___—~ί ^Λ 6^F1 ~^F^ <^F4 ~^FZU’ полученной из решения следующей темы уравнений:

= 'Vi⁴· <ϊ ^(F4 - ^f2⁾ „ - + ⁴ - “ λ h е-K·, • A t;

At;

1=1,2, h_T= h площади тепломеров 1 и 2;

плотности теплового потока, проходящего через тепломеры и исследуемое вещество; коэффициенты теплопроводности тепломера 2 и исследуемого вещества;

h - толщина исследуемого ^т слоя’вещества или величина зазора между поверхностями нагревателя 4 и пластины 5;

К - рабочие коэффициенты тепломеров 1 и 2;

и е.- термоэдс тепломеров и 2.

Л_ти л^K-f ^е1

Из анализа формулы (1) следует, что величина отношения сигналов е^/е^ соответствующая определённому значе·^’ нию коэффициента теплопроводности вещества, зависит от значения величины λτ, к₄ и К , Е, и F₂. График зависимости Л/Д_т = fCq^/q^, F^/F^) приведен на фиг. 2. Из анализа формулы (1) следует, что с уменьшением отношения F^/Fx угол наклона линий уменьшается и стремится к величине При конструировании устройств . необходимо учитывать это, но соблю^J дать условие, чтобы ширина стенок тепломера 2 была не меньше 10hj.

Так как величины и К_г, F^ и и h_T являются постоянным для конкретного устройства, то· (1) может быть записана в рас55 (1) (2) ^FV каждого формула виде:

λ = А е^/е₂- В, (3)

В - константы каждого кон- ’ определяющиеся где А и кретного устройства, путем градуировки «по эталонным ве· ществам.

При исследовании температурной за· вйсимости коэффициента теплопроводности вещества λ необходимо учитывать изменение коэффициента теплопроводности тепломера 2 с изменением его температуры:

Д = (де^еа. _{в) {1 c(t} _ _ΐο)] , ₍₄₎

С - коэффициент, учитывающий зависимость теплопроводности тепломера 2 от температуры, полученный экспериментально при опытах с эталонными материалами;

t_o~ температура прй которой определяются константы(обычно комнатная или Ос);

t - температура тепломера 2, измеренная датчиком б тем· пературы.

Устройство обладает более высокой точностью за счет расположения тепломеров, при котором тепломер 2 и исследуемое вещество расположены между параллельными изотермическими где

Ί поверхностями, что обеспечивает одномерность температурного поля слоя ’исследуемого вещества. Применение высокочувствительных тепломеров позволяет отказаться от измерения малых разностей температур и проводить 5 исследования при малых градиентах температур на слое при сохранении высокой точности измерения электрических сигналов. Наличие компенсационного сосуда в устройстве поэво- 10 ляет предотвратить отрыв жидкости от поверхности нагревателя при понижении температуры исследования. Это позволяет снизить относительную погрешность измерений до 1,8 % и про- 15 водить исследования в течение 10 15 мин. Объемный‘нагреватель позволяет упростить уход за устройством, ίоблегчить доступ к рабочей ячейке и повысить точность результатов за 20 счет исключения попадания посторонних примесей в исследуемое вещество.

Claims (3)

1. Изобретение относитс  к теплофизическим измерени м и может быть использованб дл  определени  теплопроводности жидкостей или газов, Известно устройство дл  определени , теплопроводности жидкостей или газов, содержащее два коаксиально расположенных медных цилиндра, приче внутренний цилиндр снабжен- нагревателем , смонтированным по его оси, и отделен от наружного зазором в 0,3м в. который помещают .исследуемое , вещество . Дл измерени  перепада температур на слое исследуемого вещест ва использованы три дифференциальные термопары, включенных последовательно по электрическому сигналу, гор чие спаи которых расположёны на наружной поверхности внутреннего цилиндра . Устройство в собранном виде устанавливают в строго определенном положении в термостате. Принцип работы основан на том, что при заданной температуре жидкости и посто нной мощности нагревател  разност температур, измер ема  дифференциальными термопарами, однозначно св зана с теплопроводностью исследуемог вещества Х f( Д t) при посто нной мощности, подводимой к калоримет рическому телу. Вид этой зависимости определ ют градуировкой устройства по жидкост м с известными коэффициентами теплопроводности {. Недостатками устройства  вл ютс  необходимость в измерении малых термоэдс термопар (5 - 10 мкВ), а также требование высокой точности определени  и поддержани  мощности нагревател  и температуры проведени  экспериментов. Известно также устройство дл  определени  теплопроводности, содержащее два идентичных измеритель-ных блокаг каждый из которых оснащен термостатирук цей камерой, выполненной в виде плоского проточного теплообменника, на поверхности которой установлен тепломер с датчиками температуры поверхности образца , систему термостатиррвани  и измерительную схему. Система термостатировани  состоит из двух термостатов , каждый из которых подключен к своей термостатируембй камере, причем температуры термостатировани  камер не равны между собой. Исследуемое вещество помещают в пластиковый пакет и зажимают между двум  измерительными блоками так, чтобы стенки пакета по всей поверхности контакти ровали с тепломерами 2. Недостатками эгого, устройства  вл етс  необходимость в измерении малых разностей температур, а также неопределенность и нестабильность термического сопротивлени  контакта пластикового пакета с поверхностью тепломеров и необходимость проведени  дополнительных опытов дл определени  термического сопротивле ни  пакета.. Кроме того, значительное различи в сигналах тепломеров и термопар требует дл  их измерени  примен ть разные вторичные приборы, Наиболее близк им к предлагаемому по технической сущности  вл етс  устройство дл  измерени  коэффициен та теплопроводности жидкостей или газов, содержащее нагреватель и холодил ,ьник, в данном случае охлаждае мую естественной конвенцией высокотеплопроводную пластину, между кото рыми установлены тепломеры с заданными термическими сопротивлени ми, выполненные в виде плоских пластин , и расположена  чейка дл  иссле дуемого вещества, образованна  поверхностью одного из тепломеров и профилированной пластиной из высоко теплопроводного материала, причем один из тепломеров установлен в кон такте с нагревателем и холодильником , а другой - с нагревателем и исследуемой средой. Дл  определени  коэффициента теп лопроводности исследуемой среды уст ройство погружают непосредственно в эту среду, включают электронагрева тель и после наступлени  стационарного теплового режима регистрируют термоэдс тепломеров, а коэффициент теплопроводности рассчитывают по выведенным формулам. Эта конструкци  исключает необходимость измерени  малых разностей температур, а.высока  чувствительность теМпломеров позвол ет измер ть термоэдс с малыми погрешно т ми . Метод позвол ет применить делитель напр жени , шкала которого проградуирована непосредственно единицах теплопроводности 3. Недостатком этого устройства  вл етс  больша  продолжительность: быхода на стационарный тепловой режим из-за того,что отвод тепла от охлаждаемой пластины,служащей холодильником , осуществл етс  естествен ной конвекцие.й. Неодномерность температурного по в  чейках с исследуемой средой ввид того, что температура двух перпенди кул рно расположенных поверхностей, ограничивающих объем  чейки, одинакова , создает предпосылки к возникновению конвективных токов, за счет чего резко снижаетс  точность определени  коэффициента теплопроводности . Кроме того, в устройстве сложно проводить очистку  чейки от исследуемой жидкости и уход за ее поверхност ми . Цель изобретени  - повышение точности измерений. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве дл  определени  теплопроводности жидкостей и газов, содержащем нагреватель и холодильник , между которыми расположены тепломеры, выполненные в виде плоских пластин и  чейка дл  исследуемого вещества, а также измерительную схему, тепломер, контактирующий с нагревателем,снабжен датчиком температуры , выполнен со сквозным центральным отверстием и смонтирован на пластине из высокотеплопроводного материала, укрепленной на тепломере , контактирующем с холодильником, при этом нагреватель выполнен съемным , а  чейка дл  исследуемого вещества образована поверхностью нагревател , поверхностью пластины и внутренней боковой поверхностью тепломера , расположенного между ними, и снабжена сосудом с капилл ром, , соединенным с ней. На фиг, -L представлена схема уст-, ройства; на фиг, 2 - график зависимости между отношением теплопро . водности (вещества и тепломера) и отношением измер емых тепломерами плотностей теплового потока дл  разных значений отношений их площадей. Устройство дл  определени  теплопроводности жидкости или газа (фиг. Г) содержит тепломеры 1 и 2, смонтированные между холодильником 3 и съемным нагревателем 4, в качестве холодильника 3 могут быть использованы проточный теплообменник или термоэлектрическа  батаре , реализующа  эффект Пельтье, Тепломер 2 выполнен со сквозным отверстием по . центру и смонтирован на пластине 5 из высокотеплопроводного материала (серебра, меди, алюмини ), установлeннQй на поверхности тепломера 1. Дл  определени  средней температуры исследуемого вещества в центре по толщине тепломера 2 вмонтирован датчик б температуры. Дл  компенсации температурного расширени  исследуемого вещества  чейка 7, образован- на  поверхностью нагревател . 4, боковой поверхностью тепломера 2 и поверхностью пластины 5, соединена капилл рной трубкой 8 с сосудом 9, Герметизаци  рабочей части устройства осуществл етс  уплотнительной прокладкой 10, имеетс  штуцер 11, Дл  заполнени  рабочей  чейки -исследуемым веществом устройство снабжено дренажньоми каналами 12, а дл  удал ВИЯ избытка жидкости из охранных полостей - каналами 13. Устройство работает следующим образом. Дл  определени  теплопроводност жидкостей (особенно в зких) при сн том нагревателе 4 в  чейку 7 заливают исследуемое вещество так,.что бы жидкость полностью заполн ла объем  чейки и поступила в сосуд 9 после- чего устанавливают нагревателЬ 4 и прижимают его с усилием к поверхности тепломера 2. Избыток жидкости, попавшей в охранные поло ти, удал етс  с помощью дреиажных к йалов 13. После сборки устройства с помощью нагревател  4 и холодильн ка 3 обеспечивают необходимый темпе ратурный перепад, выбранный исход  из услови  GrP 1000, который ко ролируют тепломером 2. После наступ лени  стационарного теплового режима измер ют термрэдс тепломеров и 2 и термопары. При;необходимости Исследовани  температурной зависимости коэффициента теплопроводности испытуемого вещества по окончании замеров измен ют температурный уро вень термостатированй  холодильника 3. Температурное расширение вещества устран етс  прк этом благодар  наличию капилл ра 8 и сосуда 9 . Дл  определени  теплопроводности газов устройство предварительно собирают и испытывают на герметичность по уплотнительной прокладке 10. После чего к каналу штуцера 11 подключают вакуумметр (не показан ) , к каналу 12 - вакуум-насос, а к каналу 13 - баллон с исследуемым газом. При перекрытом канале 1 t из полостей устройства удал ют имею щийс  в них воздух и, отключив вакуум-насос , открывают канал 13 и подают в полость исследуемый газ. Операцию откачка- наполнение повтор ют 3 - 4 раза, после чего при пе рекрытом канале 12 заполн ют рабочуй  чейку исследуемым газом, контролиру  его давление по вакуумметр Измерени  провод т по Методике дл  жидкости. Коэффициент теплопроводности рас сч тывают по формуле: 1 ,Г ,K(,) ()J (1) полученной из решени  следующей сис темы уравнений: ( F - Fj) где F и F - площади тепломеров 1 и 2; q,q и q - плотности теплового по тока, проход щего через тепломеры и исследуемое вещество; и X коэффициенты теплопррводности тепломера 2 и исследуемого веи ества; h h - толщина исследуемого сло  вещества или величина зазора между поверхност ми нагревател  4 и пластины 5; К и К - рабочие коэффициенты тепломеров 1 и 2; е. и термоэдс тепломеров 1 и 2. Из анализа формулы (1) следует, что величина отношени  сигналов соответствующа  определенному значению коэффициента теплопроводности вещества , зависит от значени  величины XT К и К -i , Е, и . График зависимости Л/Лт f(q.f/qq.f ) приведен на фиг.
2. 2. Из анализа формулы (1) следует, что с уменьшением отношени  F /F2. угол наклона линий уменьшаетс  и стремитс  к величине . При конструировании устройств необходимо учитывать это но соблюдать условие, чтобы ширина стенок тепломера 2 была не меньше ЮЬтТак как величины К и K/j, F и FJL, /L- и h-  вл ютс  посто нным дл  каждого конкретного устройства, тоv формула (1) может быть записана в виде: Д. А В, (3) где А и В - константы каждого конкретного устройства, определ ющиес  путем градуировки -по эталонным веществам . При исследовании температурной зависимости коэффициента теплопроводности вещества Д необходимо учитывать изменение коэффициента теплопроводности тепломера 2 с изменением его температуры: д (Aei/ea- В) {1 C(t - to) , (4) где С - коэффициент, учитывающий зависимость теплопроводности тепломера 2 от температуры , полученный экспериментально при опытах с эталонными материалами t-- температура при которой определ ютс  константы (обычно комнатн а  или ОС); t - температура тепломера 2, измеренна  датчиком б температуры. Устройство обладает более высокой точностью за счет расположени  тепломеров , при котором тепломер 2 и исследуемое вещество расположены между параллельными изотермическими поверхност ми, что обеспечивает од1номерность температурного пол  сло  исследуемого вещества. Применение выcoкoчyвcтвитeJiьныx тепломеров поз вол ет отказатьс  от измерени  малых разностей температур и проводит исследовани  при мальрс градиентах температур на слое при сохранении высокой точности измерени  электрических сигналов. Наличие компенсационного сосуда в устройстве позвол ет предотвратить отрыв жидкости от поверхности нагревател  при пони жении температуры исследовани . Это позвол ет снизить относительную погретаность измерений до 1/8 % и проводить исследовани  в течение 10 15 мин. Объемныйнагреватель позвол ет упростить уход за устройством, ;облегчить доступ к рабочей  чейке и повысить точность результатов за счет исключени  попадани  посторонних примесей в исследуемое вещество Формула изобретени  Устройство дл  определени  теп1лопроводности жидкостей и газов, I содержащее нагреватель и холодильник , между которыми в контакте расположены тепломеры, выполненные в виде плоских пластин, и  чейка дл  исследуемого вещества, а также измерительную схему, отличающеес  тем, что,.с целью повышени  точности определени , тепломер , контактирующий с нагревателем, выполнен со сквозным центральным отверстием, снабжен датчиком температуры и смонтирован на Пластине из высокотеплопроводного материала, контактирующей с холодильником, при этом нагреватель выполнен съемным , а  чейка дл  исследуемого вещества образована поверхностью нагревател , поверхностью пластины и внутренней боковой поверхностью тепломера , расположенного между нагревателем и пластиной, снабжена сообщенньпл с ней сосудом с капилл ром. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Амирханов X.И,, Адамов А.Г. и др. Теплопроводность углекислоты вдоль пограничной кривой, включа , область критического состо ни .Тепло- и массоперенос-1 , Минск, т. 1, с. 105 - 108. 2 Авторское свидетельство СССР № 347643, КЛ. G 01 N 25/18, 1970.
3. 3. Авторское свидетельство СССР 262439, КЛ. G 01 N 25/18, 1963 (прототип).,