Способ определения теплофизических параметров влагонасыщенных веществ

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕШГОФИЗИЧЕСИИ ПАРАМЕТРОВ ВЛАГОНАСЫЩЕННЫХ , ВЕЩЕСТВ, заключающийся в измерении изменения температуры, создаваемой при нагреве исследуемого вещества, и в сравнении полученной температурной кривой с эталонной, по которому определяют коэффициенты температуропроводности , теплопроводности и объемную теплоемкость, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени и повышения точности определения, через исследуемое вещество пропускают импульс электрического тока с помощью помещенных в него двух электродов, длительность которого выбирают из соотношения Ati 0,001 а ,e tx - наибольший линейный размер электродовj Х., наi именьшее теоретически возможное для исследуемого вещества значение ко (Л эффициента температуропроводности, а температуру измеряют на границе С одного из электродов с исследуемым веществом.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(59 С 01 К 25 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3552508/! 8-25 (22) 28.12.82 (46) 07.10.84. Бюл. Ф 37 (72) В.В.Калинин, А.В.Калинин и Б.Л.Пивоваров (71) МГУ им. М.В.Ломоносова (53) 536.6(088.8) (56) 1. Волькенштейн В.С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. Л., "Энергия", 1971, с. 14.

2. Калинин В.В., Фадеев В.Е.

Нестационарный метод определения теплофизических параметров грунтов.

"Вест. МГУ. Сер, Геология", 1980, М- 2, с. 65-71 (прототип).. (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЛАГОНАСЫЩЕННЫХ

ВЕЩЕСТВ, заключающийся в измерении изменения температуры, создаваемой

„,ЯО„„1117510 А при нагреве исследуемого. вещества, и в сравнении полученной температурной кривой с эталонной, по которому определяют коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемную теплоемкость, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью уменьшения времени и повышения точности определения, через исследуемое вещег ство пропускают импульс электрического тока с помощью помещенных в него двух электродов, длительность которого выбирают из соотношения

Д 0,001a2 /ар где a - наибольший линейный размер электродов1 у — нат именьшее теоретически возможное для исследуемого вещества значение коэффициента температуропроводности, а температуру измеряют на границе одного из электродов с исследуемым веществом.

111 З10

Изобретение относится к исследованию теплофизических параметров вещества, в частности к геофизическим исследованиям на акваториях с целью определения физических характеристик донных осадков, при этом определяемыми параметрами являются коэффициент температуропроводности X объемная теплоемкость g и коэффициент те-плопроводности, Л, 1 O

Известен способ определения теплофизических параметров вещества, заключающийся в измерении процесса изменения температуры, создаваемой в результате теплового взаимодействия изучаемой среды и внедряемого в него зонда 1 13.

Однако разность температуры среды и зонда является величиной нерегулиру= емой. Этот недостаток особенно существенен при исследовании свойств удаленных объектов, например, при изучении придонных грунтов на акваториях. В этом случае начальная температура зонда равна температуре при- 25 донного слоя воды, следствием чего является малая начальная разность температур зонда и среды и, соответственно, низкая точность определения теплофизических параметров.

ЗО

Наиболее близким к изобретению является способ определения теплофизических параметров веществ, заключающийся в измерении процесса изменения температуры, создаваемой при нагреве исследуемого вещества, и сравнении полученной температурной кривой с эталонной (2 1.

Недостатком известного способа яв-„ ляется большое время измерений, поскольку определение теплофизических параметров осуществляется по асимптотическим участкам кривых Т(1, Описывающих процесс изменения темпера-Д туры Т от времени t.. .Помимо очевидных технологических трудностей, связанных с необходимостью проведения длительных наблюдений, увеличение времени экспозиции вызывает и принципиальные проблемы: при длительном искусственном нагреве влагонасыщенных сред, например придонных грунтов, в них развиваются процессы массовлагопереноса, что делает полностью не— пригодными методы интерпретации кривых или снижает точность определения.

Время измерений составляет 5-15 мин в зависимости от типа веществ, при одного из электродов с исследуемым веществом.

Сущность предлагаемого способа заключается в следуюшем.

В исследуемое вещество (среду j помещают пару электродов, через которые, начиная с некоторого момента времени1=1, до момента 7= пропускают импульс электрического тока длительностью ЙТ--Т„оч-с„„ц. Если принять, что при = „с, температура среды Т(Х,>,z, Ц =0, то при ь ) Гн,ч она описывается уравнением

Д"Т

yc —,— = 6 Г+ Е

d ь

ПЛОТНОСТЬ СРЕДЫp

С вЂ” удельная теплоемкость среды;

Т -- температура; — время„ л — коэффициент теплопроводностн среды;

ЙТ вЂ”: лапласиан::, где декартовы кс ординаты точек ср еды 1 плотнОсть тока 9 напряженность электрического поля; объемная теплоемкость. у= (яда,Ы—

Е= Е(Д Д этом погрешности в определениях могут достигать 100-2003.

Целью изобретения является уменьшение времени и повышение точности определения.

Укаэанная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических параметров веществ, заключающемуся в измерении изменения температуры, создаваемой при нагреве исследуемого вещества, и в сравнении полученной температурной кривой с эталонной, по которому определяют коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемную теплоемкость, через исследуемое вещество пропускают импульс электрического тока с помощью помещенных в него двух электродов, длительность которого ДТ выбирают из соотношения

Д»" 4 0,001 с1 / g >, где а — наибольший линейный размер электродов: жТ-. наименьшее теоретически возможнде для исследуемого вещества значение коэффициента температуропроводности, а температуру измеряют на границе

11 17510

Т(, ) =Т„(-"„}5 при 7=0 где ® = Л/ус

9/(дГ)

Т =Т/al V

3 Чрс (9) с =уЕ, с с/" Г

У (41

JC Лйт, ь) ькон

d Т 1 r< (5) 40

Решение уравнения (1 ) зависит от формы электродов, размеров и формы образца породы, на котором проводится определение, Не ограничивая общности способа, рассмотрим распределение поля температур для случая сферического электрода радиуса с1, находящегося в безграничной среде на большом в сравнении с ol удалении от второго электрода произвольной формы и с площадью поверхности, много большей поверхности сферичес" кого электрода. Предполагается далее, что сферический электрод — бесконечно тонкая электропроводящая оболочка с нулевой собственной теплоемкостью, которая вырезает в среде сферическую полость радиуса ot. Это означает, что сферическая область среды с радиусом 1 Ы теплоизолирована и имеет место граничное условие: — =0 i. =-с (2 )

d" T д Длительность импульса тока и его величина ограничены, поэтому

Т(Ь,Т)--0, г=Ъ - (3) где Ь вЂ” радиус сферической области среды на большом удалении от сферическоro электрода.

Если длительность t импульса элек > трического тока мала в сравнении с длительностью процесса выравнивания температуры вследствие теплопроводности, то изменение температуры в среде можно Описать двумя уравнениями

Интегрируя уравнение (4), получаем гдето)1/(Ь )- электрическая энергия, выделившаяся в среде sa время

/1ф протекания импульса тока; 50

4- 5

V=--/ a объем сферической плотности; . г- сферическая координата точек среды.

Объемная теплоемкость, таким обра-. зом, может быть определена, если 55 измерить температуру на поверхности сферического электрода в момент окончания импульса тока..

Ю(л4)

3 Т(с "кон) (7)

Коэффициент температуропроводности получается из решения уравнения (5 ), которое для сферически симметричного поля принимает вид для которого справедливы граничные условия (2 l и (3) и начальное условие где То — температура на стенке нагреваемой сферической полости в момент который принят за начало отсчета времени. Решая (8) методом разделения переменных, получаем

У (о/к ) e ng a(F- Q - /)

T(,e)=- в,е, (о)

К=1 где T=T/Т,; г=г/с ; Q=e/, Ф.=л.i/ a2— нормированные безразмерные значения температуры, координат и времени, (= Ь- а, с/ к — константы, каждая из которых определяет одно из частных решений уравнения (8 ) находится из уравнения с/ к" tC к (11) ВК вЂ” константы, определяемые соотношением

-1

sinoL„Ng(X ") ol„

Р +eos d, Q (1+q„) о где X — переменная интегрирования.

На границе сферической нагревательной полости(1=1) получаем

)2Т(1 t)=-„Г 5 Q sjnЫ. ОД, (13) к к

Таким образом, нормированная температура T(Q,t), измеренная на границе нагреваемой сферической области, есть функция безразмерного времени t u

Некоторого произвольного параметра

Q =(b-a)fot.. Поскольку, как следует из (г,, те "«!стератув";-;ò;::-, 0;.;=,.-,ае-, р 11;тт, б.,сс.:,,: —;,с т ..-,т, - :,: " ) 0 МожНО

MS1C .;IeHH:=.; -, (- -,.О -..-,,;, 1-;..-сВЕ Г ЕННЬ:Е ДЛЯ

КО!!КО. - 1 1-П, с.. !со Об ОБ - . а . !".. .Ва ПОКа

«с1тр а"., «т" ;,«!.;В..Io ! f, ACCT!È I «IH дт.-;- -"- .:.0 . 11ОЛ11сОСТЬ!а 1:;,. ЕитИЧНЫ.

Ра» поттаГ."т,". тo QI тип= кой кривОй

О â€”,:!ÐП ЛБ "II 11ОЭстттЬЩБЕтт ТЕМП

p, I ут со! ро тс, СС1О ГИ p; C«"C". НЫМ ПУТЕМ

Ос! ЭС» !1 Е!Ъ«!с. .! Т Е1«1Г!Еттнту т31-.с На ПОВЕРХтто; с r, !1а т..тв",;а Е.;сой О -,,;=-С.«И В МОМЕНТЫ . т. е: «э мом""-. ::ò Ока1гчания нас

II:1:1: !1:с,. .. т;1ПСгте."ттт.:.;. абС1ГИтССу толк. :::.та "еcp!HTI!H!»c:: ="1:ñpHâoé ор—

ТP.Х !.с:!! „. .: . : С!С :т! "„ИE«1 Г ЕМПЕ татgpОIIpO

ВО :.; ЬВ К,с: — ".,с11 ттэ«1Ет!Е,т:-1.-т Ет.1Г1ЕРаТУ-. р1» ц:- П В рХНОС- H -;Л-; -.*; I ООГса НабЛЮда—

C C с ДЛПТ:..ЛГ«.=;ОЕ . ВРЕ:.!11, то;1 МажЕт Щ с ..О

;:CIIÄÄHPUHOÄHOC! ст . !. Е:. а ".С. . и= фОрМуЛЫ 1, У ), Ю ; .:! -". .с::.::::э(т::)с1ктсис= нт ".е1ттло11ро

Q$ тт с, ст 1-1 О : "":.; >, = : О

Г"....:!»1: !,Ip!:o. 1-, có.!IHccть предлага .— е!!с: кот «;.. О Об-" эл :.: 10-IB.cтся B имгульспагреве изу-.немой среДт,! --.;.,", -т - ".-ГаЕТСЯ TlPOI!ÓСКаНРтЕМ чер;:: псе . 1«1гту11ьса электр11ческого тоха, И Э ИЗМЕРЕ1П1И ГтРОЦЕССа ИЗМЕНЕния темпе,птуры на т:ранице одного иэ электр адов.. 1ерез которые пропускают электрический ток со средой. 45

Предла:.-аемое техни-!еское решение позволяет Осуществлять объемный и непрерыв111:!и в каждой точке нагрев среды, а. 11эменение формы измеряемого Образць1 и формы электродов, через ксторие прОпускают электричес

Кнй Тa! с1ОЗВОЛЯЕт ИСПОЛЬЗОВатЬ СПОсоб пр .. различных видах исследован 1тт - i =! ; ..а! Очьпг так и ляборатор н ь1;-., i"

11 Ц 1Е1 НОСТИ HBI PPBB д7- сгт.::::.ль:::.ти импульса тока ) и избытг;с-HO-,;:-".=;..:.ературы рассмотрим

"лучей.:. ". .1ОD.ITBлl-,ный электрод с радиусом !1 =0,5 см помещен в морские илы с 6 =4(Ом м) ", p =0,5 кал/см град электрический .ТоК через электроды пропускается путем разряда конденсатора емкостью С=40 мкф, заряженного до напряжения 0 =100 В, сопротивление заземления 8--50 Ом. Тогда эффекэ тивная длительность импульса тока ь=ЗР С, за которую в среде выделяется 99,757 энергии Ф/,т=CU

Т(а!ь„ н) на поверхности электрода увеличивается На 0,09ОС. При уменьшении !at до 0,4 см, время д1 увеличивается до 8 мс, а скачок температуры до 0,18 С. За время !"с-,прогреваЕтСя ШарОВОй СЛОЙ тОЛщИНОй 2,2 тя причем на внешней границе слоя темпеРатУРа составллет 0,01 Т(с !1,„,)

Время измерения для определения коэффициента температуропроводности составляет в этих условиях 3-10 с.

Предлагаемый способ опробован с помощью численного моделирования, расчеты проведены по формулам (123(13),и показывают, что для всех

0 7 10 кривые Т(1!c)) сcоoвHIпIа дают так, что теоретическая кривая для данной геометрии электродов (сферический измерительный электрод, Отнесен1гые на "бесконечность" от второго электрода произвольной формы) является единственной. 11з расчетной кривой остывания Т (1! О) следует, что при

%=0,4 температура на поверхности электрода падает до 0,62 ТО, такая разность температур легко измеряется даже приборами с небольшим динамическим диапазоном. В принципе определение температуропроводности можно вести интегральным способом, исгользуя всю кривую Т(1,7), т.е. наблюдая процесс изменения температуры до времен I, =1,2-1,3, когда площадь под кривой Т(1с7) достигнет величины (0,96-0,98 ) 5 . Использование интегрального способа позволяет повысить точность измерений при наличии случайных помех„ хотя увеличивает время измерений.

Расчеты показывают далее, что при " =0,001 температура на поверхности электрода падает менее, чем íà 1Å от То, Следовательно, если длительность выделения электрической энергии

Дт, (или длительность импульса электрического тока ) удовлетворяет ус,повию (1 4) ll 17510

Составитель В.Гусева

Редактор Ан.Шандор Техред Л.Иартяшова . Корректор А.Зимокосов

Заказ 7831 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

7 то можно пренебречь процессом диффузии тепла и считать, что принятое при выводе основных соотношений пред" лагаемого метода условия "мгновенности" нагрева среды выполняется с высокой точностью.

Для морских осадков с g =3-10 см /с и радиусе электрода а =0,5 см время измерений составляет 3 с, при

i =0,04 и 100 с при использовании интегрального метода (Ф l ЗJ . .При этом длительность д ь электрического импульса не должна превышать 83 мс, что легко реализуется при использовании практически любых импульсных источников тока.

Таким образом, при определении Х по отдельным точкам кривой T(lt Ð) время измерения составляет единицы секунд,: а интегральным методом— десятки секунд, в отличие от 5-15 мин для известного.

При выборе длительности импульса электрического тока из (14) следует испольэовать теоретически минимально возможное для исследуемого вещества значение коэффициента температуропроводности.

Использование предлагаемого способа обеспечивает повышение точности и уменьшение времени наблюдений, так как импульсный электрический ток при прохождении через изучаемую среду реализует практически мгновенный объемный и непрерывный ее нагрев в течение 5-10 мс; достаточно резкое изменение температуры на

1О границе электрода со средой после окончания импульса тока происходит в течение 3-10 с, что позволяет получить точность определений порядка

1Х.

t5 Основная область применения предлагаемого способа — геофизические исследования на акваториях с целью определения физических характеристик донных осадков. Использование элекд) тродов различной конфигурации позволяет производить измерение как в натуральных, так и в лабораторных условиях.

Способ обеспечивает большой эконо2 мический эффект, связанный с сокращением времени наблюдений примерно в 50-100 раэ в сравнении с известными способами, что приводит к соответствующему увеличению производиЗО тельности работ.