Устройство для определения теплопроводности жидкостей или газов

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

О П И С А Н И Е (935480

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (51)М. Кл.

G 01 и 25/18 (22)Заявлено 12.06.80 (21) 2930111/18-25 с прнсоелинением заявки М (23) Приоритет

3Ъеударетееииый квинтет по делам изабретеиий и открытий

Опубликовано 15 ° 06 82 Бтоллетень рй 22

Дата опубликования описания 15 06.82 (53) УДК 536.629.7 (088. 8) Л .В .Декуша, Т . Г.Грищенко, О.А . Геращенко и В.И.федоров (72) Авторы изобретения

Институт технической теплофизики АН Украинской ССР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

ЖИДКОСТЕЙ ИЛИ ГАЗОВ т- Ьп ь1/q, - R„

Изобретение от носится к т еплофизическим измерениям и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности жидкости или газа в щироком диапазоне давлений и температур.

Известно устройство для определения теплопроводности, содержащее два идентичных измерительных блока, каждый из которых оснащен термостатируюто щей камерой, выполненной в виде плоского проточного теплообменника, на поверхности которой установлен тепло" мер с датчиками температуры поверхности образца, систему термостатироваIS ния и измерительную схему.

Система термостатирования устройства состоит из двух термостатов, каждый из которых подключен к своей термостатирующей камере, причем температуры термостатирования камер не равны между собой. Исследуемое вещество помещают в пластиковый пакет и сжимают между двумя измерительными

2 блоками так, чтобы стенки пакета по всей поверхности контактировали с тепломерами (1).

Коэффициент теплопроводности исследуемых веществ определяют по формуле: где h. — зазор между тепломерами;

h - толщина стенок пакета, — термическое сопротивление пакета, которое определяют экспериментально до прове" дения опытов с исследуемым веществом, дт. - разность температур, измеряемая датчиками температуры, смонтированными на поверхности тепломеров, - плотность теплового потока, измеряемая тепломерами.

Недостатками этого устройства являются низкая точность, связанная с

935480 необходимостью измерять малые перепады температур, а также нестабильностью и неопределенностью термического сопротивления контакта пластикового пакета с поверхностями тепломеров, на которых сментированы датчики .температуры, и необходимость проведения дополнительных опытов по определению термического сопротивления стенок пакета Rp, Кроме того, значи- fp тельное различие в электрических сопротивлениях и сигналах тепломеров и термопар приводит к необходимости применять разные вторичные приборы для измерения генерируемых ими ТЭДС.

Известно также устройство для измерения теплофизических характерис-. тик газовых и жидкостных прослоек, содержащее нагреватель и холодильник, между которыми расположены две теплопроводящие цепи, теплоизолированные друг от друга, Каждая теплопроводящая цепь содержит эталонную пластинку, контактирующую с исследуемым веществом через перегородку с вмонтированной термопарой, причем в одной из теплопроводящих цепей прослойка исследуемого вещества контактирует с нагревателем, а в другой - с холодильником, при этом температурный перепад между нагревателем и холодильником задается и стабилизируется на одном уровне для всех измерений (2).

Исходя из того, что плотности

35 теплового потока, проходящего через параллельные теплопроводящие цепи одинаковы, а температуры поверхностей холодильника и нагревателя стаби о лизированы и известны, величину коэффициента теплопроводности исследуемого вещества определяют по разности температур, измеренной термопарами, установленными в перегородках на поверхности эталонных пластин, исполь° $ зуем уравнение вида

Ф

81 К1

К1 е.!(, где Й и R - термические сопротивле1 3. ния тепломеров

Р и 6 - ТЭДС тепломеров, К„ и К - рабочие коэффициенты тепломеров, 55 толщина слоя исследуемой среды.

Недостатками этого устройства являются длительность выхода его на ре(о д м где ). и — коэффи циент- теплопроо р водности исследуемого вещества и эталонной пластины;

h u h — толщина слоя исследуо э емого вещества и эталонной пластины, разность температур, измеренная термопарами, и t„- температуры нагреватеМ ля и холодильника.

Жесткие требования к точности задания, стабилизации во времени и контролю разности температур между холодильником и нагревателем, необходимость в измерении,малых разностей температур, приводят к снижению точности определения коэффициента теплопроводности исследуемого вещества.

Известны устройства, работающие по принципу теплометрического моста, в которых устранена необходимость в измерении малых перепадов температур на тонком слое жидкости или газа, например в устройстве для измерения коэффициента теплопроводности жидкостей или газов, теплопроводность рассчитывают по показаниям двух тепломеров, образующих с ячейкой для исследуемого вещества теплометрическую мостовую схему. Это устройство содержит нагреватель и холодильник (охлаждаемую естественной конвекцией высокотеплопроводную пластину), между которыми установлены тепломеры с заданными термическими сопротивлениями, выполненными в виде пластин, ° и расположена ячейка для исследуемого вещества, образованная поверхностью одного иэ тепломеров и профилирован». ной пластиной из высокотеплод оводного материала, причем один из тепломеров установлен в контакте с нагревателем и холодильником, а другой с нагревателем и исследуемой сре" дои E 3) °

При определении коэффициента тепло-, проводности устройство погружают непосредственно в исследуемую среду, а искомую величину рассчитывают по формуле:

6 жидкостей

935480 жим из-эа отсутствия интенсивного теплоотвода со стороны холодильника, низкая точность обусловлена неоднородностью температурного поля в измерительной ячейке, способствующей воз- 5 никновению конвекции, и трудности, связанные с уходом за поверхностями измерительной ячейки.

Наиболее близким к! изобретению по технической сущности и достигае- 10 мому результату является устройство для измерения теплопроводности жидкости или газа, содержащее два коаксиально расположенных цилиндра, причем внутренний цилиндр снабжен нагре- 15 вателем,смонтрованным Ilo его оси, и отделен от наружного зазором для исследуемого вещества, датчики температуры, систему термостатирования и иэмерительно-регистрирующую схе- 2р му (4 1.

Недостатком устройства является невысокая надежность, обусловленная необходимостью измерения малых разностей температур. 25

Цель изобретения — повышение точ" ности измерения теплопроводности жидкости или газа.

Цель достигается тем, что в устройстве для определения теплопроводности зв жидкости или газа, содержащем два ко-. аксиально расположенных цилиндра, причем внутренний цилиндр снабжен нагревателем, смонтированным по его оси, и отделен от наружного зазором дпя исследуемого вещества, датчики температуры, систему термостатирования и измерительно-регистрирующую схему, внутренний цилиндр выполнен с уступом, на котором помещена цилинд-о рическая втулка из материала с малым коэффициентом теплопроводности, наружный диаметр которой равен наибольшему диаметру внутреннего цилиндра, окруженного теплометрической оболочкой, состоящей иэ цилиндрических тепломеров с одинаковыми геометрическими параметрами, причем один из тепломеров прикреплен к наружной поверхности внутреннего цилиндра, а второйк наружной поверхности цияиндрической втулки, а в зазор между коаксиальными цилиндрами введена съемная труДа с отверстиями, контактирующая с центрирующими сменными кольцами, 55 установленными на внешней поверхности теплометрической оболочки.

На чертеже схематически изображено устройство для определения теплопроводности или газов.

Устройство содержит коаксиально расположенные цилиндры 1 и 2, выполненные из высокотеплопроводного материала, причем на оси внутреннего цилиндра 1 установлен нагреватель 3, а сам цилиндр 1 выполнен профилированным и снабжен цилиндрической втулкой 4, выполненной из ниэкотеплопроводного материала, а наружный диаметр втулки 4 равен наибольшему диаметру цилиндра 1. Цилиндр 1 окружен по боковой поверхности теплометрической оболочкой, состоящей из цилиндрических тепломеров 5 и 6 с одинаковыми геометрическими размерами. Тепломер 5 закреплен на поверхности цилиндра 1 и контактирует непосредственно с металлом, а тепломер 6 уста.— новлен на наружной поверхности втулки 4. В зазор между коаксиальными цилиндрами 1 и 2 введена съемная труба 7 из высокотеплопроводного материала (серебра, мери), контактирующая с центрирующими сменными кольцами 8, установленными на внешней поверхности теплометрической оболочки и разделяющей зазор между теплометрической оболочкой и трубой 7 на две ячейки для исследуемого вещества. Компенсация температурного расширения исследуемого вещества, расположенного между тепломерами 5 и 6 и трубой 7, ограниченных сменными кольцами 8, обеспечивается радиальными отверстиями в трубе 7, расположенными по краям ячеек.. Использование набо--. ра съемных труб 7 различного внутреннего диаметра и сменных колец 8 с разным наружным диаметром позволяет легко регулировать толщину зазора в ячеиках и обеспечить корректность измерений при исследовании жидкостей и газов с любой вязкостью и температурным коэффициентом объемного расширения.

На поверхности тепломеров 6 смонтиро".. ван датчик температуры 9, используемый при определении температуры отнесения измеренного коэффициента теплопроводности. Нижние концы цилиндра 1 и трубы 7 зафиксированы фторопластовой втулкой 10. 8ерхний конец цилиндра 1 герметично закреплен в крышке 11, в которую вмонтированы штуцера 12, служащие для подключения манометра, компрессора или вакуумнасоса, баллона с газом, ввода пробы. Крышка 11 соединена через уплотнение с

9354

О1 4 4 где Ь з.,л, х

d u d (d u d

Уравнение (1) м к виду

55 х, еи(а а,) наружным цилиндром 2, на наружной поверхност4 которого в специальных пазах смонтирован нагреватель 13, служащий для установки и регулирования уровня температуры исследуемого вещества. Цилиндр 2 по наружной поверхности контактирует через цилиндрическую втулку 14 с термостатируемой камерой 15, окруженной изоляцией 16.

Устройство работает следующим образом.

Для определения теплопроводности жидкости в полость цилиндра 2 встав- ляют втулку 10 и трубу 7 и заполняют 15 полость исследуемым веществом. На наружной поверхности цилиндра с теп-. ломерами 5 и 6 устанавливают центрирующие кольца 8 и плавно опускают его в трубу 7, после чего нагружают щ крышку 11 с усилием P. Закончив сборку устройства, подключают тепломеры 5 и б и датчик температуры к измерительной схеме, а через термостатируемую камеру прокачивают теплоноситель (еоду, газ, жидкий азот) с заданной температурой. Нагревателем 3 устанавливают уровень теплового потока, а нагревателем 13 - уровень температуры, при которой проводится эксперимент. После, выхода устройства на стационарный тепловой режим измеряют сигналы тепломеров 5 и 6 и датчика температуры 9. Для измерения уровня температуры увеличивают или умень35 шают мощность, подводимую к нагревателю 13. Для определения теплопроводности газа устройство предварительно полностью собирают и герметизируют, после чего к штуцерам 12

40 подключают манометр (еакууметр), вакуумнасос и баллон с исследуемым газом . При перекрытом вентиле на баллоне с .газом.откачивают из устройства 1вакуумнасосом Находящийся

s нем газ, после чего, отключив еа45 куум насос, подают в полос т ь у ст ройства исследуемый газ. Операцию откачка-наполнение повторяют 3-4 раза, после чего устанавливают в полости устройства заданное давление. Измере- + ние проводят по описанное методике.

Значение коэффициента Теплопроеодности определяют по формуле Г „1.Е.СЬ а)> П ЫН/a)/

80 8 полученной иэ решения системы уравнений относительно коэффициента теплопроводности исследуемого вещества

e» — + — e» ) иГ d а4 1 т Ь т дЬ

Ь1 — 6и — + — 8>

Q Г 1 81 " d

2. )1д 8z Ат да

+ «-ф-) (2) О. разность температур между поверхностью цилиндра 3 и внутренней поверхностью трубы 7; тепловые потоки, прошедшие через тепломеры 5 и 6 и измеренные ими, коэффициенты теплопроводности тепломерое 5 и 6 и исследуемого вещества, внутренний и наружный диаметр втулки внутренний и наружный диаметр тепломеров 5 и 6; внутренний диаметр трубы 7;

ТЗДС, генерируемые тепломерами 5 и 6; рабочие коэффициенты тепломеров. ожет быть приведено = -е — -„-,- ) . (4 е" " где К„А и В - постоянные прибора, определяемые экспериментально по эталонным образцам.

8 предлагаемом устройстве благодаря заложенному в основу его конструкции принципа теплометрической мостовой схемы устраняется необходимость в измерении малых разностей температур, при этом относительная погрешность измерений снижается до 1,53.

Кроме того, воэможность регулировать зазор в ячейках с исследуемым веществом позволяет использовать устройство для исследований теплопроводности жид935480

10 костей и газов в широком диапазоне измерения вязкости и температурного коэффициента объемного расширения.

Так как все элементы устройства доступны для ухода за ними, то техника подготовки и проведения эксперимента, а также обслуживание устройства значительно упрощаются, что повышает надежность устройства для определения коэффициеНта теплопроводности жидкос- 1О ти или газа.

Формула изобретения

t5 устройство для определения теплопроводности жидкостей или газов, содержащее два коаксиально расположенных цилиндра, причем внутренний цилиндр снабжен нагревателем, смонтированным щ по его оси, и отделен от наружного зазором для исследуемого вещества, датчики температуры, систему термостатирования и измерительно-регистрирующую схему, о т л и ч а ю щ е- уц е с я тем, что, с целью повышения точности, внутренний цилиндр выполнен с уступом, на котором помещена цилиндрическая втулка из материала с малым коэффициентом теплопроводности, наружный диаметр которой равен наибольшему диаметру внутреннего цилиндра, окруженного теплометрической оболочкой, состоящей из цилиндрических тепломеров с одинаковыми геометрическими параметрами, причем один из тепломеров прикреплен к наружной поверхности внутреннего цилиндра, а второй — к наружной поверхности цилиндрической втулки,. а в зазор между коаксиальными цилиндрами введена съемная труба с отверстиями, контактирующая с центрирующими сменными кольцами, установленными на внешней поверхности теплометрической оболочки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельс о СССР

N 347643 кл. G O l и 25/18, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР,Рф428260, кл. G 01 И 25/18, 1971.

3 . Авторское свидетельство СССР

h" 2624336, кл. G 01 N 25/8, 1968.

4. Амирханов Х.И. и др. Теплопроводность углекислоты вдоль пограничной кривой, включая область крити-. ческого состояния. - В кн.: Теплои массоперенос, т. 1, "Наука и техника". Минск, 1962, с. 105-108 (прототип) .

Я 5480

Составитель В. Битюков

Редактор А.Гулько Техред 3. Фанта Корректор Г. Огар

Заказ 4146/28 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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