Способ определения пузырькового кипения

 

Изобретение относится к исследованию жидкости при пузырьковом кипении и может быть использовано в нагревательных приборах, например, для контроля процесса кипения. Способ заключается в контроле изменения физической величины, отражающей переход жидкости в газообразное состояние. Выбирают свойство жидкости. Характеризуют это свойство физической величиной. Измеряют эту физическую величину. Преобразуют полученные значения в электрический сигнал. О начале пузырькового кипения судят по появлению в электрическом сигнале переменной составляющей, превышающей заданное значение. 4 ил.

Изобретение относится к исследованию жидкости при пузырьковом кипении и может применяться в нагревательных приборах для контроля за процессами кипения или нагрева с целью управления этими процессами и предотвращения возникновения перегрева нагревательных элементов, а также в изотермических системах при кипении, связанном с изменением парциального давления.

Известны способы определения закипания жидкости при пузырьковом кипении в бытовых электроприборах, например, патенты России №2036526, №2065604, №2086168, в которых контролируют изменение физической величины, отражающей переход жидкости в газообразное состояние, путем измерения температуры или уровня шума.

Наиболее близким к патентуемому способу можно отнести способ, реализуемый в патенте РФ №2065604, G 01 N 29/02, 1996. В этом изобретении контролируют уровень шума, а момент закипания жидкости, соответствующий пузырьковому кипению, определяют по максимальному уровню шума в звуковом диапазоне частот, издаваемого эволюционирующими пузырьками пара.

Существенными недостатками такого способа являются невозможность определения момента закипания различных по своей природе жидкостей, сильное влияние формы и размеров сосуда, химического, фазового состава жидкостей и скорости нагрева на определение момента закипания. К недостаткам способа необходимо также отнести низкую помехозащищенность вследствие измерения уровня шума в звуковом диапазоне частот и необходимость индивидуальной настройки на каждый тип устройства, использующего данный способ, а также необходимость применения дорогостоящих материалов и усложненной реализации данного способа. Указанные недостатки ограничивают применение способа.

Задача, на которую направлено изобретение, состоит в создании точного и простого в реализации способа, позволяющего определять не только момент закипания, но и оценивать процесс пузырькового кипения.

Технический результат, который создается изобретением, состоит в расширении его применения за счет прямого контроля физических величин, характеризующих непосредственно свойства жидкости, значения которых изменяются при появлении в жидкости пара, имеющего отличающиеся от жидкости свойства. Путем выбора необходимой физической величины, характеризующей жидкость, и выбора метода и средств измерений выбранной физической величины удобно и просто адаптировать патентуемый способ к различным конструкционным и технологическим особенностям.

Для достижения этого технического результата пузырьковое кипение определяют по колебательной составляющей физической величины, характеризующей свойство жидкости, например по колебательной составляющей электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, ультразвуковых или высокочастотных колебаний.

Сущность патентуемого способа определения пузырькового кипения состоит в следующем.

Известно, что физические свойства жидкости и пара различны, а пузырьковое кипение представляет собой переход жидкости в пар, характеризующийся непрерывным образованием и ростом в жидкой фазе пузырьков насыщенного пара, внутрь которых происходит испарение жидкости. Эволюция паровых пузырьков происходит скачкообразно и стохастически.

Нами установлено, что эволюция паровых пузырьков проявляется в колебаниях значений физических величин, характеризующих свойства жидкости. Возникающие колебания создают колебательную составляющую значений этих физических величин. В качестве физических величин, характеризующих свойства жидкости и позволяющих определять пузырьковое кипение, могут быть такие физические величины, как электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость, проницаемость или поглощаемость жидкостью ультразвуковых или высокочастотных колебаний. Возможно определение пузырькового кипения по колебательной составляющей магнитной проницаемости, плотности, вязкости, инфракрасного и ультрафиолетового излучения и т.д. Выбор конкретной физической величины для определения пузырькового кипения зависит от конструктивных особенностей проектируемого устройства и от экономических показателей.

Эволюция пузырьков пара порождает в жидкости сложные колебания, имеющие в своей основе стохастический характер, и, как следствие, колебательная составляющая приобретает сложную форму и характеризуется временными параметрами амплитуды и частоты. Исходя из того, что колебательная составляющая физических величин, характеризующих свойство жидкости, имеет в своей основе тот же скачкообразный и стохастический характер, что и вызвавшие ее колебания эволюции паровых пузырьков, оценивают временные амплитудные или частотные характеристики колебательной составляющей физической величины, характеризующей свойство жидкости, например электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, ультразвуковых или высокочастотных колебаний (п.2 формулы изобретения).

При таком способе возможно определение пузырькового кипения различных по своей природе жидкостей, например, являющихся проводниками 1, 2, 3 рода, молекулярных жидкостей, растворов твердых тел, построенных из молекул, и т.д. При этом на патентуемый способ не влияют форма и размер сосуда, температура, внешнее давление, среда; способ может быть реализован с помощью относительно простого устройства.

Способ поясняется следующими иллюстрациями: на фигуре 1 приведены зависимости сигналов электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, ультразвуковых и высокочастотных колебаний от температуры и времени нагрева жидкости; на фигуре 2 изображена амплитудная характеристика колебательной составляющей электрической проводимости; на фигуре 3 отражена частотная характеристика колебательной составляющей электрической проводимости жидкости; на фигуре 4 представлена блок-схема устройства для реализации патентуемого способа. В качестве жидкости использовалась питьевая вода.

При проведении измерений значения физических величин, характеризующих свойства жидкости, таких как электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость и поглощаемость жидкостью ультразвуковых или высокочастотных колебаний, преобразовывались измерительным устройством в показания. Измеряемые значения, определяемые по показаниям, считывались во времени и формировали электрический сигнал, являющийся результатом измерения. Непосредственно получаемые сигналы классифицировали по содержанию в сигнале наиболее важных типов составляющих: время, амплитуда и частота.

Патентуемый способ рассмотрим на примере такой физической величины, характеризующей свойство жидкости, как электрическая проводимость. Представленные иллюстрации показывают, что пузырьковое кипение характеризуется увеличением амплитудной плотности и изменением частотного спектра колебательной составляющей электрической проводимости.

Точка А на фигуре 1 соответствует началу пузырькового кипения, что подтверждается гистограммой амплитуд, представленной на фигуре 2. Амплитудная плотность при нагреве до точки А меньше амплитудной составляющей при пузырьковом кипении, имеющем место после точки А, и представляет собой случайные помехи, шумы и гармонические составляющие, вызванные измерительным трактом. Колебательная составляющая электрической проводимости вызывает увеличение амплитудной плотности, что отражено на фигуре 2.

Оценка частотной характеристики, представленной на фигуре 3, показывает, что при пузырьковом кипении (после точки А на фигуре 1) наблюдается возрастание частотного спектра по отношению к нагреву жидкости до точки А, что вызвано колебаниями, отражающими пузырьковое кипение.

По аналогии с возникновением при пузырьковом кипении колебательной составляющей электрической проводимости из фиг.1 можно видеть возникновение при этом колебательной составляющей диэлектрической проницаемости, колебательной составляющей ультразвуковых или высокочастотных колебаний.

При рассмотрении в процессе нагрева жидкости ее температуры на фигуре 1 четко прослеживается временная стабилизация колебательной составляющей физических величин, характеризующих свойства жидкости при достижении точки кипения и пузырьковом кипении.

Представленные данные показывают, что при пузырьковом кипении возникает колебательная составляющая значений физической величины, характеризующей свойство жидкости. Возникновение колебаний в жидкости связанно с эволюцией пузырьков пара, что обуславливает появление переменной составляющей в электрическом сигнале, отражающем колебательную составляющую физической величины, характеризующей свойство жидкости.

Данные результаты получены на установке, представляющей собой сосуд с исследуемой жидкостью, в дне которого располагается электрический нагревательный элемент. На стенках сосуда закреплены излучатели и датчики ультразвуковых и высокочастотных колебаний. Стенки сосуда в отдельных местах через изолятор покрыты слоем металлической фольги и представляют собой обкладки емкостных датчиков в виде конденсатора для измерения изменений диэлектрической проницаемости. Внутри сосуда, куда заливается исследуемая жидкость, установлены кондуктометрические датчики измерения электрической проводимости и датчики измерения температуры жидкости.

Сигналы со всех датчиков поступают на логарифмические усилители-детекторы. Использование логарифмического усилителя-детектора позволяет проводить исследования с широким спектром различных по электрической проводимости, диэлектрической проницаемости и поглощению ультразвуковых и высокочастотных колебаний жидкостей, например дистиллированной водой, высокосоленой водой, водой, загрязненной различными по природе примесями, молоком, органическими растворителями, слабокислотными и щелочными растворами, маслами, лаками, красками и т.д.

Датчики и аналоговая часть установки подключены к платам сбора, обработки данных и управления фирмы Advantech, через которые осуществляется и управление нагревом. Платы сбора, обработки и управления установлены в компьютер, на котором осуществляется контроль, оценка и анализ всех данных.

Таким образом, для определения пузырькового кипения выбирают одну или несколько физических величин, характеризующих свойства жидкости, например электрическую проводимость, диэлектрическую проницаемость, ультразвуковые или высокочастотные колебания, и контролируют возникновение колебательной составляющей этой физической величины путем оценки временных амплитудных или частотных характеристик.

Патентуемый способ может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого представленных на фигуре 4. Оно содержит сосуд 1 с наливаемой в него жидкостью, нагревательный элемент 2, осуществляющий нагрев жидкости до кипения, кондуктометрический датчик электрической проводимости 3 либо емкостный датчик измерения диэлектрической проницаемости 4, либо излучатель и датчик ультразвуковых и высокочастотных колебаний 5, либо их возможные комбинации. Устройство содержит генератор электрических колебаний 6, усилитель-детектор 7, дифференцирующую цепь 8, компаратор 9 и устройство индикации и управления 10.

Работу устройства рассмотрим на примере использования для определения пузырькового кипения с помощью измерений колебательной составляющей такой физической величины, характеризующей свойство жидкости, как диэлектрическая проницаемость.

В сосуд заливают жидкость и включают нагревательный элемент 2. Одновременно включается генератор электрических колебаний 6, который питает установленные в емкости датчики измерения диэлектрической проницаемости 4, сигнал с которых, пропорциональный диэлектрической проницаемости жидкости, усиливается и детектируется усилителем-детектором 7. Далее сигнал через дифференцирующую цепь 8 поступает на компаратор 9. Так как при отсутствии пузырькового кипения в сигнале диэлектрической проницаемости уровень переменной составляющей ничтожен, а постоянная составляющая сигнала через дифференцирующую цепь 8 на компаратор 9 не поступает, то компаратор 9 находится в исходном состоянии. При возникновении пузырькового кипения возникают колебания диэлектрической проницаемости жидкости, появляется колебательная составляющая, что влечет за собой появление в постоянном сигнале переменного уровня сигнала после детектирования усилителем-детектором 7. Переменная составляющая сигнала, выделенная дифференцирующей цепью 8, поступает на вход компаратора 9, который при превышении задаваемого опорного напряжения срабатывает и выдает управляющее воздействие на устройство индикации и управления 10. Происходит индикация пузырькового кипения и нагревательный элемент отключается.

Таким образом, впервые установлена возможность определения пузырькового кипения по ранее не выявленному изменению физических величин, характеризующих свойства жидкости, например по электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, ультразвуковым или высокочастотным колебаниям. Это позволяет значительно расширить возможности определения пузырькового кипения применительно к различным по природе жидкостям, исключить влияние формы и размеров сосудов, температуры, давления, среды. Способ обладает повышенной помехозащищенностью, отличается стабильностью, позволяет упростить схемотехническое и аппаратурное оформление.

Формула изобретения

Способ определения пузырькового кипения путем контроля изменения физической величины, отражающей переход жидкости в газообразное состояние, отличающийся тем, что выбирают свойство жидкости, характеризуют это свойство физической величиной, измеряют эту физическую величину, преобразуют полученные значения в электрический сигнал и о начале пузырькового кипения судят по появлению в электрическом сигнале переменной составляющей, превышающей заданное значение.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4