Способ определения теплофизических свойств жидкообразных и мелкодисперсных сред и устройство для его осуществления

 

1, Способопределения теплофизических свойств яшдкообраэных и мелколиспв{ сных сред, включаквдий воздействие одномерньхм тёпловьзм потоком иаиссле:ДУ€ ш11 слой, измерение SjpeMeRif и разности температур яовёрх{к с;ге41 ограничивающих слой, от л и чаю «и и с я тем, что, с-«елыоупрртен ия определения, дополнитёльнб измеряют количество тепла прошедшее через одну из оу раничиваюских йсследуе1Ф слой поверхностей/ приращения температуры в точках слоя за одни и те е интервалы времени и по измеренным параметрам опрёделяютискоиые свойства. 2. Устройство для определения теплофизических свойств жидкообразных и мелкодисперсных сред, содержащее камеру с изолированной боковой поверхностью плоский нагреватель расположенный сверху камеры, преобразователь разности TeNEEiepaTyp ТО ЩОВЁКК поверхностей камеры и ключи, о т ли ч а ю щ е ее я тем, что, с целью уп рейде ни я определения, в него дополнительно введены два ин-гегратора, три нуль-инд1й атора источник опорного напряжения, триггер, схема отношения двух сигналов, ячейка памяФИ линия задержки, преобразователь температуры одной из торцовых поверхностей камеры, тепломер, два сумматора, схема или, прмчем плосовой взсод первого сумматора соединен с првЬбразователей температу1мл и разности температур , а минусовой вход - с истоа- (м НИКОМ опорного напряжения и мину:с1овь ||уО fiii входс второго суьотатора, плюсовой |с вход которого соединен с вгиходом первого сумматора ; входом tiepBoro нуль-индикатора, котор управляет ключги и, замыкающими выосод TenjiOK pa И преобразователя раз носш темвератур, с иввертируюадим и неинвертирующим входами схютветствекно пефвого и BTojporo кнтёграторбв, причем выход первого интегратора соединен V .со .входом схемы от ношения г nixoe Которой подключён к ячейке памяти,. 00 Ш управляющий вход )ой соединен через линию задержки и сх

СОЮЗ СОВЕ ГСНИХ . СС ЛВО

РЕСПУБЛИК

3(Щ 6: 01 и 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОИИОМЪ .СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕВАМ ИЗОБЩ ГЕНИЙ И ЮФНРЫТИЙ (21-) 3373071/18-25: . (22), .29.12.81 (46 ) .1 5 ..05. 83 ..Бюл. Â18 (72) 10.И. Веляев, Ю.И. возима

- и И.В. Кулаков (71) . Новомосковский Филиал Московского ордена Ленина и ордена Трудового

Красного Знамени химико-технологйчес. кого института.ий. Д.И. Менделееваи Московский ордена .Трудового Красно.гО Знамени иистнтут химического иашиностроения (53). 536.629.7(083.8). (56).; 1. Чудновский А.Д. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М., 1962, с.291-243. .2. Волькенштейн В.С. Скоростной метод определения теплофиэических характерйстик материалов, Л., "Энер,гия", 1971:, с.7.-26, 67-92 (прототип), .(54 ) СПОСОБ ОЯРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЭИ

ЧЕТКИХ:СВОЙСТВ ЖИДКООВРАЗНЫХ.И МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ .СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУ119МТВЛЕНИЯ .(57) 1..Способ определения тепло-:

-физическим свойств жидкообраэных н мелкодиспереных сред,, включающий воздействие одномерным тепловым. потоком на исследуемый слой, измере.ние аремени и разности температур поверхностей,- ограничивающих слой, о т л и. ч а -ю шийся тем, что, с. целью упрощения определения, дополйительнб измеряют количество тепла, прошедшее через одну из ограничивающих исследуемый слой поверхностей,.приращения температуры в точках слоя эа одни .н те же интервалы вре-. мени: и по измеренным параметрам определяют исконные свойства.

2.. Устройство для определеииятеплофиэических свойств жидкообразных и мелкодисперсных сред, содержа„.Я0„„1017985 А щее камеру с изолированной боковой поверхностьь,плоский нагреватель, расположенный сверху камеры, преобразователь разности температур торцовых поверхностей камеры и ключи, о тл и ч а в щ е е с я тем, что с целью упрощения определения,. в него дополнительно введены два интегратора, три нуль -индикатора, источник опорного напряжения, триггер, смема-отношення двух сигналов, ячейка памяти линия задержки, преобразователь теипе-. ратуры одной иэ торцовйх поверхностей камеры, тепломер, два сумматора, схе-. ма. ИЛИ, причем плюсовой-.ВХсд первоГО сумматора соединен с выходами.преобра зователей температуры и разности теи-ф ператур, а минусовой вход - с источником опорного напряжения и минусовъм входом .второго сумматора, плюсовой вход которого соединен с выходом первого сумматора к входом первого нуль»индикатора:, которйй управляет Ж ключами, замыкающими выход теплоиера и преобразователя разности темйератур, с. инвертирующим и-неиивертщ-: рующим входами соответственно .первого и второго интеграторов, причем выход первого интегратора соединен .со,входом схемы отношение,. вы)ищ которой подключен к ячейке памяти,. управляющий вход которой:соединен через линию задержки и схему ИЛИ, с выходаии второго и третье@о -нуль- индикаторов и с раздельнюаю входаыи триггера, причем входы второго tttweтьего нуль-индикаторов соединены соответственно с выходом второго;: интегратора и второго сумматора, а выходы триггера подключены к управляющим-: вхсщаи ключей,- заынкаюа их выход второт о интегратора или вы-. ход вервого сумматора со жторыы входом схееаи отношения..

1017985!

1

Изобретение относится к теплофиэическим измерениям, в частности теплопроводности, объемной теплоемкости) температуропроводности жидкостей, суспензий, растворов и расплавов полимеров .i мелкодисперсных порош- 5 ков, т.е, тех сред которые образуют идеальный тепловой контакт с источником и приемником тепла.

Известны способ и устройство для определения теплофизических свойств жидких и дисперсных сред, в которых в испытуемую среду погру" жается источник тепла (зонд), измев ряют количество тепла, отдаваемое зондом среде, и регистрируют воэ- 15 никшие температурные изменения-в среде или в зонде (1 1.

Недостатком указанного способа и устройства является сложность экспериментального оформления и обра-20 ботки опытных данных.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения теплофизических свойств жид- 25 кообраэных и дисперсных сред, включающий воздействие одномерным тепловым потоком на слой, измерение времени .и разности температур между поверхностями, ограничивающими слой. Но этому способу моГут быть определены теплофиэические свойства материалов, имеющих существенно разные значения теплофизических характеристик (2 1.

Устройство для осуществления этого способа содержит камеру с изолиро-З5 ванной боковой поверхностью, плоский нагреватель, расположенный сверху камеры, преобразователь, разности температур торцовых поверхностей камеры и ключи (2 . 40

Основным недостатком известно о способа и устройства для его осущестЙления является сложность определения теплофиэических параметров, так как в Формулы д..я расчета тепло- 45 проводности и объемной теплоемкости входят параметры, которые .йаходятся иэ специальных, таблиц. Необходимость. в использовании таблиц исключает автоматическое определение тепло- 50 физических параметров. Кроме того, тре," буется обеспечить постоянство температуры нагревателя, одномерность теплового потока по всей системе (ис-следуемый образец - теплоприемник) и отсутствие теплового потока на .конце теплоприемника, что.ведет к дополнительному усложнению устройства, осуществляющего способ.

Целью изобретения является упрощение .определения теплофизических 60 свойств, Поставленная цель достигается тем„ что согласно способу включаю щему воздействие одномерным тепловым

; потоком на исследуемый слой, измере- 65» ние времени и разности температур поверхностей, охраничивающих слой, дополнительно измеряют количество телла, прошедшее через одну из ограничивающих исследуемый слой поверхнос» тей, приращения температуры в точках слоя эа Одни и те хсе интервалы времени, и по измеренным параметрам определяют. искожае свойства. устройство для осуществления споСоба, содержащее камеру с изолированной боковой поверхностью, плоский нагреватель, расположенный сверху камеры, преобразователь разности температур торцовых поверхностей камеры и ключи, дополнительно содержит два интегратора, три нуль-индикатора, источник опорного" напряжения, триггер схему отношения двух сигналов, ячейку памяти линию задержки, преобразователь температуры одной из торцовых поверхностей камеры,. заполняемой исследуемой средой, тепломер, два сумматора, схему ИЛИ, причем плюсовой вход первого сумматора соединен с выходами преобразователей температуры и разности температур, а минусовой" вход - с источником опорного напряжения и минусовым входом второго сумматора, плюсовой вход которого соединен с выходом первого суьиатора и входом первого нуль-индикатора, который управляет ключами, замыкающими выход тепломера и преобразователя разности температур, с ийвертирующйм и неинвертирующим входами соответственно первого и второго интегратора, причем выход первого интегратора соединен со входом схемы отношения, выход которой подключен к ячейке памяти, управляющий вход которой соединен через линию задержки и схему ИЛИ с выходом второго и тре» тьего нуль-индикатора и с раздельными входами триггера, причем входы второго и третьего нуль-индикаторов соединены соответственно с выходом второго интегратора и второго сумматора, а выходы триггера подключены к управляющим входам ключей, замыкающих выход второго интегратора или выход первого сумматора со вторым входом схемы отношения.

На чертеже представлена схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ.

Устройство включает цилиндрическую камеру 1 с изолированной боко вой поверхностью,:юииигкий: нагреватель 2„ преобразователь разности температур 3, содержащий преобразователь термоЭДС и дифференциальную термопару, спаи которой помещены на торцовых поверхностях камеры 1, преобразователь температуры 4, сос« тоящий. иэ преобразователя .термоЭДС и термрцары, .гораций::сйай которой помещен.на нижней торцовой поверх1017985 ра . {х1ах»х за инL«

Ф,(Мф )ВХВХ оо

- приращение парамет ».Х

3 ности камеры, а хоаодный - в месте где температура за время измерения не изменяется, тепломер 5, источник опорного напряжения 6, ключи 7-10 суьиаторы 11 и 12, два интегратора

13 к 14. с двумя входами - инверти-. рующим н.неинвертирукщнм, нуль-индикаторы 15-17, ключи .18 и 19, триг.гер 20 с. раздельнйми входами, схему отношения 21 двух сигналов, ячейку .памяти 22, схему -задержки 23,. схе-. -10

}ан ИЛИ -24 и .25.

Тепломер 5, измеряк}щий тепловеВ поток, входящий - в йсйытуемую среду через верхнюю торцовую поверхность камеры 1, включает-:в себя преабра- . 5 зователь 26 температур}и, измеряемой на расстояннии 1/3 . от верхней торцовой :. Поверхности камеры, диф= ферецциатор, 27, - преобразователь .:.

28 разности температур и сумматор 29, .Расчетик соо(тноыения могут быть получены следуки}(им образом. .

Запааем-ди44ервициальное:уравнение теплопрсцзодности для одномерного, распространения тепла.

-«x» О 1»

3t азу

3(где х - ко,эрдината, по которой рас» . ЗО пространяется тепловой поток. .интегрируя (1 ) дважды iio х и по: времени . г, получим уравнение тепло . проводности в интегральной форме,. которое является уравнением тепдо- 35 вого,баланса дпя уЧастка среды дли- ной х.

«х

I

C t (x, )dad«=a @(щ-цо,где}-х @@ : 46 оо: о о (й) 3 ((((., ц-((а цуЛ(Ц(.,е>- е(»е()з с; (И .о С1

) .х ("». Ямаха» * < (x»%; fdxdx (+) оо оо где

Ll

) ((» »»-.»«}dxax прпреаепее парамееоо оо терзал времени f »., <21; ра({Х а„, за ин

Х оо терзал времени {.О, Г 1 .

Тогда получим следующие расчетные

Формулы для определения теплопроводмости -с.

8(0 Г )-6(О С - с 1 L1 В а (t{L Ft{о,гафт ({1.;ц- цо ), с

В) и объемной .теплоемкости — количество вошед(ае- 4$ го тепла через. границу -слоя аиали знруемой с(}еды sa время т; где (О,ч, ) а1; «х

- -С 4(х,»г) с»»(d x среднее по. длине

$6 количество тепла, которое накапливается участком среды, длиной Х за вре» б(мя »;>

-„Л {X, Ц-Ф,(0, с )ЗЯ - среднее по длине, количество тепиа„ .которое пропускается участком, среды @ длиной х за вре-

Мя М

Зафиксируем x = t:è вйберей Факйе "

: интервалы времени. $6<%„),(Ã, ñ Я 1- %Ц

2 Ф»

Lx (}(,г1 ахах- . ЧХ,С»-.„)« x о Ж ф .. В з (»(((»x} (РЯЗп ) й(о,е»-» }е I 1(ее(й», о Ч 1

l (»(aX-Xx}a,(рфасееоппеепптео,трпа»(а вошедшее в слой

1 исследуеиой среды, соответственно за следующие интервалы -времени (a,e,}1(»,"»д((»;", xaj;

1012985 оо метра . t (x )otxax

{Х-g, }{»-Х, }...{Х-» }{)t-К .,}...{Х-Х ) к о}(«e}- { Ô 3с-1)(«xfc&%-Р4с т) (», - < }Зк ух - прираажцие .пРРФ(,х оо за интервал времени $<, w w).

Для определения параметра;:функции

Lx распределения температуры ц

ЦХ) З» Ых оо 35 можно использовать приблйкенную форм мулу

Подставив (7 ) в (4 ) и(6) получим

m .25 — «{"ь с-Ч - ."(,,} (@(О, Г„} @(О, з-, } " {««.}|,р«(" " ) При измерении температур в точках хквнутри слоя исследуемой среды возникают технологические труднос- ., ти., связанные с вводом термочувстви" тельных элементов в слой анализируемой среды. Для многих практических случаев при толцнне исследуемого слоя 4 =0,5-1 мм достаточную точность дает формула

Ьк (« 2 . t(x)dxgxe — ЦО +— ь (() « ), оо являкккаяся частныа случаем (7) и (9) для и« =1 z xP.=0t », =4. Достоинст» вом формулы (12) является отсутствие необходимости измерять температуры Я1 внутри слоя исследуемой среды.

На выходе тепломера 5 получают сигнал, пропорциональный тепловому потоку

061»В Ф е(а,- 1} - — —; (1) где Ъ„, 4, Ф.. - температуры, измеренные соответственно на верхней тор- &0 цовой поверхности камеры 1 на рас- . стояниях В и 1бЗ Е;

a:C - температуропроводность . 65

Ь" 4х рн (»)3»д»=E 1(» ) оо

«к)

Lx («)

Я (x)Bxcak»«E» 4(x «р к} к« оО полученную из интерполяционного многочлена Лагранжа

1 lVl Р(»)= - g((»И(к„),(а) и точную для многочленов степени т где Й (к):представляет собой многочлены степени, определяемые р6венствали у - расстояние между спаями дифференциаль«« ной термопары;

tc — коэффициент преобразования.

На выходе сумматора 11 имеют следуюший сигнал () . «(,Й +Р„-t4yUP (И) где 14 - температура на нижней торцовой поверхности камеры 1.

На первый вход схемы отношения

21 поступает напряжение

f1 Ф () щ р (зу» В (") (аых ®

P г1 а на второй вход e1 Т ц, «(«,(«}-«(ч)д - «(»w РФ о . ч

"Ь «Р < Р +Я о ("2 в зависимости от состояния ключей

18 и 19.

Схему отношения двух напряжений можно .осуцествйть с аналоговым или цифровым выходом. В первом случае в цепи первого входа схемы отношений включается реохорд, напряжение а которого сравнивается с напряжением на втором входе» В мо«мент их равенства, что фиксируется

1017985

30 с помощью электронного усилителя и реверсивного двигателя, который перемещает движок .реохорда, получают отношение двух напряжений, т.е. ч= — „ ех и 5 эх г

Память может быть осуществлена путем выключения реверсивного двигателя при подаче убравляющего сигнала. В циФровом. варианте вместо рео- )0 хорда используется цифро-аналоговый преобразователь, который управляется через. дешифратор счетчиком им- пульсов.

Измерение теплопроводности и объ- g емной теплоемкости происходит следующим образом.

Камера 1 заполняется исследуемой. средой. До начала измерения систему приводят в начальное состояние, т.е. отсутствуют тепловой поток и неравно- мерность распределения температуры в слое исследуемой среды. Исходное состояние ключей, задаваемое нуль.индикатором.16: ключи 8 и 10, открыты, 7 и 9 закрыты. Подается напряг, е- > ние на нагреватель 2.. Тогда на инвертирующий вход интеграторов 13 и 14 поступают сигналы соответственно в "р И 4ИН .(s}

° . 2З

"вх(4" " .()-t (Ф " — (gg) рд

При достижении выходного напряже- З5 ния сумматора 11 нуля, т.е. когда

Ф (1,5 4 4+ (Ф,. -, + Ц = 00 нуль-индикатор 16 меняет свое состояние и открывает: ключи 7 и: 9 и закрывает ключи 8 и 10. В момент 40 .достижения нуля напряжением на выходе интегратора 13, что .фиксируется нуль-индикатором 17, триггер 20 принимает такое состояние, при котором ключ 19 открыт, а 18 - закрыт, т.е. на второй вход схема отношения

21 подается напряжение согласно формуле:(17). Одновременно сигнал с выхода элемента 17 с задержкой, которую выбирают в зависимости от быстродействия схемы отношения

50 поступает ва ячейку памяти, фиксируя отношение напряжений на первом и втором входач схемы отношения

21 в момент равенства нулю напряжения на выходе интегратора 13. Таким ббразом, происходит измерение объемной теплоемкости. Измерение тепаопроводности происходит -. тот момент, когда напряжение иа выходе сумматора принимает нулевое значение. Тогда повторяется процедура измерения отношения двух сигналов, только на второй вход схемы отношения подается напряжение с выхода интегратора 13, т.е. отношение двух напряжений фиксируется в момент времени, когда

+ (" <<4 IE +И "о= в . Таким образом,.последовательно во времени проводится измерение теплоемкоети и теплопроводности.,Для большей наглядности, но с большими затратами, можно исполЪзовать две схемы отношения. Тогда каждая иэ схем, измеряет н показывает свой. параметр.

Измерения проводятся на датчике со следующими параметрами: толщина слоя испытуемой . среды L =1 мм, толщина тепломера 6 =1 мм, диаметр цилиндрической камеры и плоского нагревателя d.; †1 мм, материал датчика - стеклотекстолит, термочувствительный элемент — термопара медь-константан; нагреватель из медной: проволоки d =0,05 мм, время измерения 2-3 мин.

В результате измерений получены следующие значения для дистиллиро„ванной воды Л =0,59 Вт/м,град;

С=4,1 10 Дж(м град {справочные

3 значения: il =0,599 Вт/м град С =

t

=4,187 .10 Дж(м3град для поваренной соли с насыпной плотностью;у =";

=1200 кг/мЗ Л 0,22 Вт/ м град, С = О, 5 6 .1 0 > Дж л град.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют значительно упростить определение теплофизических свойств жидкообразных и мелкодисперсных сред за счет простого экспериментального оформления. Для проведения измерения по предлагаемому способу требуется датчик, состоящий из камеры для заполнения исследуемой средой, гластину с известными теплофизическими свойствами, плоский нагреватель и термоэлектрические элементы.

1017985

ЮЮЮ

Заказ,. 3528/41,..... -....Тираж ф73 -Нодщюсное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий а Ж-35 Ра ская наб 4 5

113035, Москв, Уш ° )д. /

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Зитмков

Редактор М. Петрова TexpegJI.Пекарв КорректорЯ. Бокиан