Способ определения термодинамических характеристик газообразных веществ при квазиизэнтропических условиях нагружения в мегабарной области давлений

Изобретение относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов в мегабарной области давлений. Способ, реализуемый в цилиндрическом устройстве, содержащем заряд взрывчатого вещества, охватывающий корпус с полостью для исследуемого газа, внутри которой коаксиально корпусу размещена дополнительная оболочка, а вдоль оси устройства расположен цилиндрический металлический стержень, включает квазиизэнтропическое нагружение газа, находящегося во внутренней коаксиальной полости устройства, фиксирование движения оболочки, сжимающей исследуемый газ, определение размеров оболочки и стержня в момент максимального сжатия газа. Особенностью способа является использование стержня из эталонного материала с известными ударной адиабатой и холодной кривой сжатия. На основании ударной адиабаты, холодной кривой сжатия стержня и измеренных в условиях одного эксперимента значений внутреннего радиуса оболочки и наружного радиуса стержня определяют среднее давление и среднюю плотность исследуемого газа. Технический результат - одновременное экспериментальное определение давлений и плотностей, реализующихся в устройствах квазиизэнтропического нагружения (сжатия). 4 ил.

 

Изобретение относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов в мегабарной области давлений.

Использование экспериментальной техники мощных ударных волн для изучения экстремальных состояний изотопов водорода, как одного из элементов энергетики будущего, является сегодня основным источником информации о поведении сильно сжатой плазмы в области высоких температур и давлений мегабарного уровня. Существенно большие давления, превышающие почти на порядок соответствующие значения однократного ударно-волнового сжатия при значительном снижении эффектов необратимого нагрева, реализуются при квазиизэнтропическом сжатии веществ последовательностью ударных волн.

Эти обстоятельства являются постоянно действующим стимулирующим фактором экспериментального изучения свойств неидеальной плазмы водорода, дейтерия и других газов, в частности их уравнений состояния, связывающих термодинамические параметры, например, давление, плотность и энергию E=E(ρ, P). Такие уравнения необходимы для создания расчетных моделей динамических процессов с интенсивным энерговыделением и инновационных технологий в интересах ядерной энергетики и астрофизики.

Известен способ измерения термодинамических величин в газе при давлениях мегабарного уровня в изначально твердом водороде и дейтерии при изэнтропическом сжатии с помощью давления сверхсильного магнитного поля (Г.В. Борисков, А.И. Быков, Н.И. Егоров и др. Экспериментальное определение нулевой изотермы изотопов водорода до давлений в несколько мегабар. В Сб. XI Научные Харитоновские чтения. Под ред. дтн А.Л.Михайлова. Саров. РФЯЦ-ВНИИЭФ. 2009, с.771-782). При проведении опыта в выбранные моменты времени производится рентгенографирование образцов из исследуемого и эталонного материала, сжимаемого изэнтропически оболочкой цилиндрической геометрии, а по начальным и конечным размерам поперечного сечения определяется плотность как исследуемого, так и эталонного образцов (давление в эталонном образце принимается равным давлению в контрастирующей оболочке из вольфрама). По плотности эталона с помощью его известной изэнтропы, с учетом расчетной поправки ε, определяют давление в исследуемом образце P( δ )=P ( δ ) эт ( 1+ε ).

Недостатком такого способа определения термодинамических величин в газе является расположение эталонного материала (алюминия) на стенке сжимающей оболочки и его конвертирование в контрастирующие оболочки из более плотного материала (сплав на основе вольфрама), что снижает точность определения сжатия, поскольку одна из границ будет всегда подвергаться гравитационной неустойчивости Рэлея-Тейлора. Кроме того, такой способ неприменим для устройств, работающих в условиях не изэнтропического, а часто встречающегося в практических приложениях квазиизэнтропического сжатия вещества, при котором давление в эталонном материале, расположенном в обжимающей оболочке, будет иметь ярко выраженное распределение по толщине.

Известен способ определения термодинамической характеристики – средней плотности газообразных веществ в условиях квазиизэнтропического нагружения давлением мегабарного уровня в цилиндрическом устройстве, содержащем заряд взрывчатого вещества, охватывающий корпус с полостью для исследуемого газа, внутри которой коаксиально корпусу размещена дополнительная оболочка, а вдоль оси устройства расположен цилиндрический металлический стержень, включающий квазиизэнтропическое нагружение газа, находящегося во внутренней коаксиальной полости устройства, фиксирование движения оболочки, сжимающей исследуемый газ, определение размеров оболочки и стержня в момент максимального сжатия газа, выбранный в качестве прототипа (А.О. Бликов, М.А. Мочалов, В.А. Огородников, В.А. Комраков. «Цилиндрическое устройство для сжатия газов до мегабарных давлений». Патент (RU)№2471545, МПКB01J3/08,G01N7/00, 9/00(2006/01), опубл. 10.01.2013, бюл.№1). Недостатком данного способа является отсутствие возможности одновременного определения давлений и плотностей в устройствах квазиизэнтропического нагружения.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в определении термодинамических характеристик исследуемых газообразных веществ в условиях их квазиизэнтропического сжатия.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в одновременном экспериментальном определении давлений и плотностей, реализующихся в устройствах квазиизэнтропического нагружения (сжатия).

Указанный технический результат достигается тем, что согласно заявляемому способу определения термодинамических характеристик газообразных веществ в условиях квазиизэнтропического нагружения давлением мегабарного уровня в цилиндрическом устройстве, содержащем заряд взрывчатого вещества, охватывающий корпус с полостью для исследуемого газа, внутри которой коаксиально корпусу размещена дополнительная оболочка, а вдоль оси устройства расположен цилиндрический металлический стержень, включающему квазиизэнтропическое нагружение газа, находящегося во внутренней коаксиальной полости устройства, фиксирование движения оболочки, сжимающей исследуемый газ, определение размеров оболочки и стержня в момент максимального сжатия газа, в отличие от прототипа используют стержень из эталонного материала с известными ударной адиабатой и холодной кривой сжатия, на основании ударной адиабаты, холодной кривой сжатия стержня и измеренных значений внутреннего радиуса оболочки и наружного радиуса стержня определяют среднее давление и среднюю плотность исследуемого газа.

Использование всей совокупности признаков заявляемого способа позволяет определить в одном эксперименте термодинамические характеристики (средняя плотность и среднее давление) исследуемых газообразных веществ в условиях их квазиизэнтропического сжатия.

Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 схематично изображено цилиндрическое устройство для квазиизэнтропического сжатия газа до мегабарных давлений. На фиг. 2 приведены ударная адиабата и холодная кривая сжатия эталонного материала, в данном случае – из стали и сплава вольфрама с никелем и железом ВНЖ-90. На фиг. 3 приведена одна из рентгенограмм опыта, полученная на момент максимального сжатия газа («остановки» оболочки), когда наступает равенство давления внутри сжатого газа на внутренней границе оболочки и на внешней границе стержня. На фиг. 4 приведены R(t) диаграммы движения внутренней границы оболочки из железа и наружной границы стержня из ВНЖ-90.

Заявляемый способ осуществляется в ходе работы цилиндрического устройства, содержащего заряд взрывчатого вещества (ВВ) 1, охватывающий корпус 2 с полостью 3 для исследуемого газа, внутри которой коаксиально корпусу 2 размещена дополнительная оболочка 4 и вдоль оси устройства расположен цилиндрический металлический стержень 8 с образованием двух коаксиальных полостей А и Б для исследуемого газа, следующим образом.

Для изменения степени сжатия газа часть ВВ может заменяться прокладкой из диэлектрика 5. Стальные фланцы 6 и гайки 7 используются для герметизации полостей А и Б с исследуемым газом.

После детонации заряда ВВ 1 возникает цилиндрическая ударная волна, которая, последовательно проходя по элементам устройства, транслируется в газ, находящийся в полости Б, сжимая и нагревая его. При схождении волны к оси устройства в полости Б формируется отраженная от металлического стержня 8 ударная волна, проходящая по уже сжатому нагретому газу. Этот процесс близок к изэнтропическому (является квазиизэнтропическим), т.к. после прохождения первой ударной волны дальнейшее сжатие газа в полости Б происходит практически без заметного набора энтропии газа. В ходе одного эксперимента с помощью жесткого рентгеновского излучения и многокадровой системы регистрации фиксируют движение оболочки 4, сжимающей исследуемый газ, и сжатие наружной границы стержня 8.

Из полученных экспериментально траекторий движения R(t) внутренней границы оболочки 4 определяют радиус внутренней границы оболочки 4 в момент максимального сжатия газа – ее «остановки» – R в к и наружный радиус стержня 8 из эталонного материала – R н к .

Средняя плотность газа определяется из выражения

ρ г к = ρ г 0 [ ( R в 0 ) 2 ( R н 0 ) 2 ] [ ( R в к ) 2 ( R н к ) 2 ] 1 ,

где ρ г 0 , R в 0 , R н 0 – начальная плотность газа, начальные радиусы внутренней границы оболочки 4 и наружной границы стержня 8 соответственно.

Средняя плотность стержня из эталонного материала определяется из выражения

ρ ст к = ρ ст 0 ( R н 0 ) 2 ( R н к ) 2 ,

где ρ ст 0 – начальная плотность стержня.

Второй термодинамический параметр – среднее давление в газе Pг – определяют по найденному значению ρ ст к при использовании известных ударной адиабаты и холодной кривой сжатия эталонного материала стержня и с учетом того, что на границе газ-стержень выполняется условие равенства давлений P ст к = P г , из выражения

Р г = P ст к =( P уд ( ρ ст к ) +P хол ( ρ ст к ))0,5

где P ст к – давление на наружной границе стержня в момент максимального сжатия газа, P уд ( ρ ст к ), P хол ( ρ ст к ) – значения давлений на ударной адиабате и холодной кривой сжатия эталонного материала стержня, соответствующие экспериментально определенному значению ρ ст к .

Погрешность регистрации положения границ оболочки и стержня, контактирующих с газом, а следовательно, и плотности газа и стержня из эталонного материала определяется качеством рентгеновского изображения, а именно влиянием рассеянного излучения, асимметрией сжатия и контрастом указанных границ, зависящим от разницы в коэффициентах поглощения рентгеновского излучения газом μ1 и материалом оболочки и стержня μ2:

( μ 1 μ 2 )~( ρ 1 Z 1 3 ρ 2 Z 2 3 ) λ 3 ,

где ρ 1 и ρ 2 , Z 1 и Z 2 – плотности и атомные номера газа и материала оболочки (стержня) соответственно, λ – длина волны излучения. Поэтому при исследовании сжимаемости, например, водорода, дейтерия или гелия оправдано применение в устройстве оболочек и стержня из ВНЖ-90 (ρ = 17,1 г/см3; Z≈70), меди (ρ = 8,93 г/см3; Z=29) или стали (ρ = 7,85 г/см3; Z=26).

Начальные параметры газа и фактические размеры устройства контролируются в каждом эксперименте.

Начальная (до сжатия) температура газа непрерывно измеряется термопарой, закрепленной на трубопроводе на входе в камеру высокого давления. Для контроля давления газа (до его сжатия) в объеме оболочки непрерывно в реальном времени используется тензометрический датчик давления. По измеренным перед опытом давлению и температуре определяется начальная плотность газа ρ0. Для теневой регистрации изображения внутренней границы оболочки и наружной границы стержня, по которым определяется размер полости со сжатым газом в момент максимального сжатия («остановки» оболочки), используются генераторы мощных импульсов тормозного излучения и системы регистрации, позволяющие получать рентгенограммы на подлетной и разлетной стадии движения оболочки. Погрешность определения средней плотности и среднего давления в квазиизэнтропически сжатом газе в области давлений до 500 ГПа составляет ±10% и ±15% соответственно.


Способ определения термодинамических характеристик газообразных веществ при квазиизэнтропических условиях нагружения в мегабарной области давлений, включающий квазиизэнтропическое нагружение газа, находящегося во внутренней коаксиальной полости цилиндрического устройства, содержащего заряд взрывчатого вещества, охватывающий корпус с полостью для исследуемого газа, внутри которой коаксиально корпусу размещена дополнительная оболочка, а вдоль оси устройства расположен цилиндрический металлический стержень, фиксирование движения оболочки, сжимающей исследуемый газ, определение размеров оболочки и стержня в момент максимального сжатия газа, отличающийся тем, что используют стержень из эталонного материала с известными ударной адиабатой и холодной кривой сжатия, на основании измеренных значений внутреннего радиуса оболочки и наружного радиуса стержня, ударной адиабаты, холодной кривой сжатия стержня определяют среднее давление и среднюю плотность исследуемого газа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к приборостроению. Плотномер для измерения плотности жидкой среды содержит корпус с измерительной полостью, поплавок со встроенным постоянным магнитом в данной полости, электрический датчик положения поплавка, соединенный с блоком вычисления плотности, электромагнит, соединенный с источником питания электромагнита.

Предложен способ определения качества топлива, используя двигательную систему 200, содержащую двигатель 208, сконфигурированный для потребления топлива, имеющий по меньшей мере два расходомера 214, 216.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения вибрации. Устройство содержит схему приемника, интерфейсную схему, схему возбуждения, в состав которой входят возбудитель без обратной связи, входные аналоговые фильтры, аналого-цифровой преобразователь, фазовый детектор, генератор сигнала возбуждения, выходные аналоговые фильтры, вибрирующий элемент, содержащий пьезоэлектрические кристаллические элементы.

Изобретение относится к технологии очистки внутренних поверхностей полых изделий, а именно очистки фильтровой части напорных закладных пьезометров от кольматанта.

Система предназначена для определения плотностей и пропорций фаз в потоке многофазной текучей среды (ПМТС), которая может включать в себя нефтяную фазу, водную фазу и газовую фазу из скважины.
Изобретение относится к ледоведению и ледотехнике и может быть использовано в ледовых исследованиях, в частности в районах добычи углеводородов на шельфе замерзающих морей.

Использование: для проверки вибрационного датчика. Сущность изобретения заключается в том, что измеряют множество температур с использованием температурного датчика и измеряют множество периодов времени датчика с использованием сборки датчика.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам для определения различных параметров жидкостей, в частности нефтепродуктов, хранимых или перевозимых в резервуарах, например железнодорожных цистернах, и может быть использовано в системах определения объема и массы жидкостей.

Использование: анатомические, физиологические и экологические исследования при определении объемов трахейной системы насекомых и других внутриполостных газовых объемов беспозвоночных животных, а также измерительная техника при определении объемов газа в упругих телах.

Использование: для измерения плотности твердых тел. Сущность изобретения заключается в том, что мобильный рентгеновский плотномер включает рентгеновский генератор с окном, формирующим широкополосный панорамный пучок излучения, два энергодисперсионных детектора, регистрирующих излучение, обратно рассеянное от анализируемого объекта, два датчика расстояния для учета влияния изменения геометрии в процессе измерения при движении, при этом между детекторами и окном рентгеновского генератора установлена мишень из материала, испускающего характеристическое рентгеновское излучение с энергией в диапазоне от 15 до 35 кэВ, выполненная в виде удлиненной прямоугольной пластины, изогнутой по поперечной оси симметрии и обращенной выпуклой поверхностью в сторону окна рентгеновского генератора и узкими сторонами к детекторам, а каждый детектор снабжен дополнительным коллиматором, пропускающим пучок характеристического рентгеновского излучения мишени в детектор.

Изобретение относится к способам контроля процесса осушки природного и попутного газа и может быть использовано в нефтегазовой промышленности, где в производственном процессе для осушки газа применяется моно-, ди-, триэтиленгликоль (далее - абсорбент).

Изобретение относится к способам определения термобарических параметров (температуры и давления) образования гидратов в многокомпонентной смеси типа нефтяных или природных газов.

Изобретение относится к каротажу бурового флюида или газовому каротажу в процессе бурения и, более конкретно, к способу и системе для получения характеристик пластовых флюидов в реальном времени.

Изобретение относится к способам определения газоносности угольных пластов с целью определения коммерческого потенциала угольных месторождений для организации добычи метана из угольных пластов, а также для расчетов ожидаемой газообильности горных выработок угольных шахт.

Изобретение относится к области исследований газоконденсатных эксплуатационных скважин и может быть использовано при определении содержания углеводородов (далее - УВ) С5+в в пластовом газе непосредственно при проведении исследовательских работ газоконденсатных эксплуатационных скважин.

Изобретение относится к химической промышленности и используется для исследования химического процесса получения синтетической нефти. Установка для исследования процесса получения синтетической нефти, включающая в себя реактор, загруженный катализатором, накопительную емкость, средства контроля температуры и давления, запорно-регулирующую арматуру, отличается тем, что она дополнительно содержит ресивер, конденсатор-сепаратор, регистрирующие индикаторные устройства для измерения расхода газообразных потоков и отходящего газа, индикаторное устройство для измерения уровня жидкости, при этом на линии подачи газообразных потоков установлены последовательно регистрирующее индикаторное устройство для измерения расхода газообразных потоков, ресивер, каталитический реактор, выход которого соединен с последовательно установленными конденсатором-сепаратором и накопительной емкостью, причем каталитический реактор выполнен с возможностью электроподогрева слоя катализатора и имеет систему внешнего водяного охлаждения, состоящую из последовательно установленных водяного холодильника, сборника парового конденсата, дозирующего насоса и водонагревателя, при этом средства контроля температуры выполнены в виде индикаторного регистрирующего регулирующего устройства, установленного в водонагревателе, первого индикаторного устройства для измерения температуры, установленного в каталитическом реакторе, второго индикаторного устройства для измерения температуры, установленного в водяном холодильнике, третьего индикаторного устройства для измерения температуры, установленного в конденсаторе-сепараторе, четвертого индикаторного устройства для измерения температуры, установленного в накопительной емкости, средства контроля давления выполнены в виде первого индикаторного устройства для измерения давления, установленного перед водяным холодильником, и второго индикаторного устройства для измерения давления, установленного в конденсаторе-сепараторе, запорно-регулирующая арматура выполнена в виде регулирующего клапана, установленного на трубопроводе подачи газообразных потоков и связанного с регистрирующим индикаторным устройством для измерения расхода газообразных потоков, первого регулирующего вентиля, установленного между первым индикаторным устройство для измерения давления и водяным холодильником, второго регулирующего вентиля, установленного на трубопроводе подачи оборотной воды в водяной холодильник, третьего регулирующего вентиля, установленного на трубопроводе отвода отходящего газа из конденсатора-сепаратора между конденсатором-сепаратором и регистрирующим индикаторным устройством для измерения расхода отходящего газа, четвертого регулирующего вентиля, установленного на трубопроводе подачи оборотной воды в конденсатор-сепаратор, пятого регулирующего вентиля, установленного на трубопроводе подачи синтетической нефти потребителю и связанного с индикаторным устройством для измерения уровня жидкости.

Предлагаемое изобретение относится к материаловедению изделий легкой и текстильной промышленности, а именно к методам исследования свойств материалов, и может быть использовано для определения их воздухопроницаемости при изменении режимов и параметров воздухообмена.

Изобретение относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов, например водорода, дейтерия, гелия и т.д., в мегабарной области давлений. Устройство содержит заряд взрывчатого вещества, охватывающий металлическую оболочку с полостью для напуска газа посредством трубопровода, проходящего через указанные заряд и оболочку.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к средствам наблюдения движущихся газовых потоков, содержащих мелкодисперсные частицы вещества, и может быть использовано при контроле параметров потоков газовых сред.

Изобретение относится к области методов и средств контроля за содержанием горючих или токсичных компонентов и может быть использовано для контроля и регулирования содержания газообразных токсичных или горючих веществ в стационарных или транспортируемых контейнерах.

Изобретение относится к области исследований физики высоких плотностей энергий и термоядерных реакций при реализации высокотемпературных состояний в сжатом газе.

Изобретение относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов в мегабарной области давлений. Способ, реализуемый в цилиндрическом устройстве, содержащем заряд взрывчатого вещества, охватывающий корпус с полостью для исследуемого газа, внутри которой коаксиально корпусу размещена дополнительная оболочка, а вдоль оси устройства расположен цилиндрический металлический стержень, включает квазиизэнтропическое нагружение газа, находящегося во внутренней коаксиальной полости устройства, фиксирование движения оболочки, сжимающей исследуемый газ, определение размеров оболочки и стержня в момент максимального сжатия газа. Особенностью способа является использование стержня из эталонного материала с известными ударной адиабатой и холодной кривой сжатия. На основании ударной адиабаты, холодной кривой сжатия стержня и измеренных в условиях одного эксперимента значений внутреннего радиуса оболочки и наружного радиуса стержня определяют среднее давление и среднюю плотность исследуемого газа. Технический результат - одновременное экспериментальное определение давлений и плотностей, реализующихся в устройствах квазиизэнтропического нагружения. 4 ил.

Наверх