Устройство для определения теплопроводности жидкостей и газов
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.Союз Советских
Социалистических
Республик ( G 01 N 25/18 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий Опубликовано 07.03.82. Бюллетень № 9 Дата опубликования описанная 07 03 82 (53) УДК 53б..б (088. 8) (72) Авторы изобретения Т. Г. Грищенко, Л. В. Декуша, О. A Геращенко и В.И.Шаповалов Институт технической теплофнзики АН Укр (7f ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ Изобретение относится.к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения теплопроводности жидкостей или газов. Известно устройство для определения теплопроводности жидкостей нли газов, содержащее два коаксиально расположенных медных цилиндра, причем внутренний цилиндр снабжен. нагрева- тр телем, смонтированным по его оси, и отделен от наружного зазором в 0,3мв в который помещают .исследуемое вещество. Для измерения перепада тем.ператур на слое исследуемого вещества использованы три дифференциальные термопары, включенных последовательно по электрическому сигналу, горячие спаи которых расположены 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 постоянной мощности нагревателя разность 2з температур, измеряемая дифференциальными термопарами, однозначно связана с теплопроводностью исследуемого вещества ) = f(ь t) прн постоянной мощности, подводимой к калоримет- ЗО рическому телу. Вид этой зависимости определяют градуировкой устройства .по жидкостям с известными коэффициентами теплопроводности fl). Недостатками устройства являются необходимость в измерении очень малых термоэдс термопар (5 — 10 мкВ), а также требование высокой точности определения и поддержания мощности нагревателя и температуры проведения экспериментов. Известно также устройство для определения теплопроводности, содержащее два идентичных измеритель-. ных блока, каждый из которых оснащен термостатирующей 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 нз которых подключен к своей термостатируемой камере, причем температуры термостатнрования камер не равны между собой. Исследуемое вещество помещают в пластиковый пакет и зажимают между двумя измерительными блоками так, чтобы стенки 911274 пакета по всей поверхности контактировали с тепломерами (2). Недостатками эТого устройства является необходимость в измерении малых разностей температур, а также неопределенность и нестабильность 5 термического сопротивления контакта пластикового пакета с поверхностью 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. 15 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 по! верхностью 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 теп- 35 лопроводности.исследуемой среды устройство погружают непосредственно в эту среду, включают электронагрева тель и после наступления стационарного теплового режима регистрируют 40 термоэдс тепломеров, а коэффициент теплопроводности рассчитывают по выведенным формулам.. Эта конструкция исключает необ- 45 ходимость 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,что 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- 6 коза, 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 темпе! ратуры,. 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 уст-, ройства; 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 иэ высокотеплопроводного материала (серебра, меди, алюминия), установленняй 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 60 мым веществом устройство снабжено дренажными каналами 12, а для удале ния избытка жидкости из охранных полостей — каналами 13. Устройство работает следующим образом. 5 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 уетанавливают нагреватель 4 и 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 холодильни.ка 3 обеспечивают необходимый температурный перепад, выбранный исходя из условия GrP+ < 1000, который контролируют тепломером 2. После наступления стационарного теплового режима измеряют термоэдс тепломеров 1 и 2 и термопары. При необходимости исследования температурной зависимости коэффициента теплонроводности испытуемого вещества по окончании замеров изменяют температурный уровень термостатирования 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, 40 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 45 подают в полость исследуемый газ. Операцию откачка- наполнение повторяют 3 - 4 раза, после чего при перекрытом канале 12 заполняют рабочуй ячейку исследуемым газом, кон-,© тролируя его давление по вакуумметру. Измерения проводят по методике для жидкости Коэффициент теплопроводности pacc TbIBam ao @oPxysre: . 55 Л„ Г e+K ÃÄ. F - 1 Ф2К g(Fg Fy.) (F F2)J (1) полученной из решения следующей сис-. темы уравнений: qg F4 4. + Ч (F4 2) Лт Ч ) г (2) 1. q = е„-К„, 1=1,2, h = h где F u F — площади тепломеров 1 и 2; q,q и q — плотности теплового потока, проходящего через тепломеры и исследуемое вещество; и 1 в коэффициенты теплопрот водности тепломера 2 и исследуемого вешаства1 h = h — толщина исследуемого слоя вещества или величина зазора между по верхностями нагревателя 4 и пластины 5; К и X — рабочие коэффициенты тепломеров 1 и 2; е1 и е - термоэдс тепломеров 1 и 2. Из анализа формулы (1) следует, что величина отношения сигналов е„ /е, соответствующая определенному значе- нию коэффициента теплопроводности вещества,.зависит от значения величины Л1; К< и К, Е) и Р2. График зависимости Л/p = й(q
% 4. При конструировании устройств необходимо учитывать это, но соблюдать условие, чтобы ширина стенок тепломера 2 была не меньше 10hT. Так как величины К и К2, F< и F, g и h являются постоянным для каждого конкретного устройства, то формула (1) может быть записана в виде: = Л Е„/е2- В, (3) где A и  — константы каждого конкретного устройства, определяющиеся путем градуировки по эталонным ве" шествам. При исследовании температурной за. висимости коэффициента теплопроводности вещества необходимо учитывать изменение коэффициента теплопроводности тепломера 2 с изменением его температуры: ) (Л " — В) (1 - C(t. — o)1, (4) где С - коэффициент, учитывающий зависимость теплопроводности тепломера 2 от температуры, полученный экспе" риментально при опытах с эталонными материалами; температура при которой опо ределяются конс ;анты(обычно комнатная или 0 C);. температура тепломера 2, измеренная датчиком 6 тем" пературы. Устройство обладает более высокой точностью за счет расположения теп" ломеров, при котором тепломер 2 и исследуемое вещество расположены между параллельными изотермическими 911274 формула изобретения Устройство для определения теп. лопроводности жидкостей и газов, ;содержащее нагреватель и холодиль-. ник, между которыми в контакте расположены тепломеры, выполненные в 25 поверхностями, что обеспечивает од.номерность температурного поля слоя исследуемого вещества, Применение высокочувствительных тепломеров позволяет отказаться от измерения ма лых разностей температур и проводить 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 Ъ и про- 15 водить исследования в течение 10— 15 мин. Объемный нагреватель позволяет упростить уход эа устройством„ :,облегчить доступ к рабочей ячейке и повысить точность результатов за счет исключения попадания посторон-, них примесей в исследуемое вещество. виде плоских пластин, и ячейка для исследуемого вещества, а также измерительную схему, о т л и ч а ющ е е с я тем, что,,с целью повыщения точности определения, тепломер, контактирующий с нагревателем, выполнен со сквозным центральным отверстием, снабжен датчиком температуры и смонтирован на пластине иэ высокотеплопроводного материала, контактирующей с холодильником, при этом нагреватель выполнен съемным, а ячейка для исследуемого вещества образована поверхностью нагревателя, поверхностью пластины и внутренней боковой поверхностью тепломера, расположенного между нагревателем и пластиной, снабжена сообщенным с ней сосудом с капилляром. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Амирханов Х.И., Адамов А.Г. и др. Теплолроводность углекислоты вдоль пограничной кривой, включая область критического состояния.— Тепло- и массоперенос-1, Минск, т. 1 с. 105 — 108. 2. Авторское свидетельство СССР 9 347643, кл. G 01 N 25/18, 1970. 3. Авторское свидетельство СССР 9 262439р кл. G 01 N 25/18, 1963 (прототип). 911274 4г 44 Ф 4< АФг ФЬ.Р Составитель Л. Свешникова Редактор O.Þðêîâåöêàÿ Техред М.Телер Еорректор А.Двятко ° ««Ю Заказ 1109/28 Тираж 883 Нодлисное 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
