УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N25/20 

Изобретение относится к области технической физики и предназначено для измерения теплопроводности твердых тел, пористых материалов, насыщенных жидкими растворами расплавов жидких растворов органических веществ, жидких растворов солей, кислот и щелочей, несмешивающихся жидких растворов различных концентраций в интервале температур (- 100^oC) (500^oC) и различных давлений, включая окрестности фазовых переходов и критического состояния вещества.

Существующие стационарные методы измерения теплопроводности как метод нагретой нити в коаксиальных цилиндрах [1, 2] не дают возможности успешно работать в растворах электролитов при высоких параметрах состояния (С, Т, Р). Так, например, использование метода нагретой нити, в которой нить соприкасается с раствором электролита, приводит к неточности в определении коэффициента теплопроводности. В этом случае часть тока проходит через электролит, происходит поляризация электролита-раствора и электродов. Есть и другая сторона этого вопроса, заключающаяся в том, что не любой металл коррозионно стоек в растворах неорганических кислот, щелочей и солей. Попытки в определении теплопроводности методом нагретой нити для растворов электролитов, с учетом внесения поправок на электропроводность раствора в данном интервале концентраций, температур и давлений, не приводят к положительным результатам.

Применение метода коаксиальных цилиндров или растворов электролитов требует решения таких задач, как: борьба с коррозией, возникновением конвекции в растворе, эффектами Соре и Дюфора, возникающими в растворах при передаче количества теплоты.

Применение методов нагретой нити и коаксиальных цилиндров для исследования теплопроводности пористых материалов, насыщенных жидкими флюидами, и вообще твердых тел при высоких параметрах состояния, а также в непосредственной близости от фазовых переходов и критического состояния вещества вызывают затруднения. Безуспешно применение этих методов и для измерения теплопроводности несмешивающихся жидких растворов.

Прототипом предлагаемого решения является устройство для исследования коэффициента теплопроводности по методу плоского горизонтального слоя [3]
Это устройство включает измерительный блок и "холодильник", между которыми располагается слой исследуемого вещества.

Устройство изготовлено из меди и медно-никелевого сплава константана. В измерительном блоке за счет наличия охранной системы создается направленный поток тепла от нагревателя через слой исследуемого вещества, сверху вниз к "холодильнику".

Недостатком этого устройства является то, что оно не пригодно для исследования агрессивных жидкостей и растворов электролитов, т.к. при исследовании растворов электролитов при контакте измерительного блока с раствором возникает гальваническая ЭДС, намного превосходящая термоЭДС от дифференциальной термопары прибора, и прибор перестает выполнять свою функцию. А при исследовании агрессивных жидкостей возникает коррозия части прибора, что также делает его непригодным к эксплуатации. По этой же причине нельзя измерять теплопроводность жидких расплавов.

Аналогом предлагаемого устройства является [4] По нему невозможно измерять теплопроводность твердых тел и пористых материалов, насыщенных флюидами при высоких параметрах состояния, т.к. во-первых, нужно увеличить толщину образца из-за того, чтобы точно оценить разность температуры (ΔT) на образце в связи с высокой теплопроводностью образца.

Во-вторых, при повышении температуры выше 180^oC прокладки, ограничивающие образец и задающие зазор между горячей и "холодной" пластинами в ячейке, теряют свою форму и вытекают.

В третьих, из-за того, что прокладки имеют определенную, довольно большую ширину, изготовлены из другого материала, чем образец, и создают неизотермичность в горячей и "холодной" пластинах, что очень существенно при исследованиях теплопроводности в непосредственной близости от фазовых переходов и критического состояния вещества.

Невозможно применить это устройство и при исследовании теплопроводности несмешивающихся жидких растворов.

По сравнению с аналогом [4] предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами.

Предлагаемое устройство позволяет исследовать коэффициент теплопроводности: твердых тел, пористых материалов, насыщенных флюидом, расплавов, жидких растворов органических веществ, жидких растворов электролитов, несмешивающихся жидких растворов различных концентраций в интервале температур (- 100^o) (+ 500^oC) и различных давлений, включая окрестности фазовых переходов и критического состояния вещества (которые выдерживает автоклав, в который помещаются блок и ячейка в собранном и зажатом под прессом состоянии). Это достигается за счет высокой коррозионной стойкости конструкционных материалов нержавеющей стали 12Х18H10Т, титана ВТ 00. Установка также позволяет исследовать фазовые переходы в жидкостях и микропористых материалах в сильно неравновесных условиях, в том числе под воздействием внешних полей (магнитных).

Цель изобретения расширение функциональных возможностей метода плоского горизонтального слоя путем обеспечения возможности исследования коэффициента теплопроводности агрессивных и электропроводных жидких растворов, пористых насыщенных флюидом образцов, расплавов, несмешивающихся жидких растворов и т. д. в интервале температур (- 100) (+ 500^oC) и при различных давлениях, включая области в непосредственной близости от фазовых переходов и критического состояния вещества.

Сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Предлагается дополнить существующее устройство для измерения теплопроводности методом плоского горизонтального слоя специально изготовленной из коррозионностойких материалов (нержавеющая сталь 12Х18H10Т, титан) ячейкой.

Новыми признаками предлагаемого устройства являются изготовление измерительной ячейки из однородного материала, ее верхней пластины с толщиной, достаточной для обеспечения жесткости и подвода термопар, ее боковой стенкой предельно тонкой и фиксирующей зазор между измерительными пластинами, и нижней пластиной, имеющей щель вблизи боковой стенки, выходящую на рабочую поверхность, кольца-ободка, надеваемого на боковую сторону горячей пластины, и кольца, надеваемого на нижний торец измерительного блока.

Предлагаемое устройство для измерения теплопроводности содержит измерительный блок 3 /фиг. 1/ и измерительную ячейку /фиг. 2/ для измерения коэффициента теплопроводности методом плоского горизонтального слоя /фиг. 3/.

В медный блок 1 /фиг. 1/ вмонтирован рабочий нагреватель 2. Тепло, выделяемое этим нагревателем, входит в расчетную формулу определения теплопроводности. Низкая торцовая поверхность медного блока 1 является рабочей поверхностью, и тепло нагревателя 2 полностью проходит через нее.

Для ликвидации тепловых потерь через верхний торец и боковую поверхность на блок 1 надевается охранный стакан 3 из константана. Медный блок 1 имеет форму цилиндра с полостью для нагревателя 2. На охранный стакан 3 надевается медный блок 4 в форме стакана с находящимся в нем компенсационным нагревателем 5. Медные блоки 1 и 4 с расположенным между ними константановым стаканом 3 образуют дифференциальную термопару, которая регистрирует разность температур между внутренней и наружной поверхностями константана 3. В этом приборе за счет наличия охранной системы все тепло, выделяемое нагревателем 2, направляется вертикально вниз, через слой исследуемого вещества, находящегося в изготовленной из коррозионностойких материалов ячейке /фиг.2/, подсоединенной к сосуду с изменяющимся объемом.

Измерительная ячейка /фиг. 2/ состоит из двух металлических дисков, изготовленных из однородных металлов диаметром 0,042 м, снабженных термопарами Т₂ и ΔT.

Можно изготовить ячейку и других геометрических размеров.

Верхний диск 7 условно называется горячей пластинкой, а нижний 8 -"холодильником". "Холодильник" имеет форму, изображенную на фиг. 2. Горячая пластинка вытачивается на токарном станке в виде стакана из конструктивных материалов: нержавеющая сталь 12Х18H10Т или титан ВТ 00 металлов, имеющих низкую теплопроводность.

Боковая стенка 9 горячей пластинки измерительной ячейки /фиг. 2/ условно называется перемычкой, имеет толщину 0,00005 0,0001 м и высоту 0,005 0,01 м.

Чтобы свести, или почти исключить перетоки тепла с центра горячей пластины к перемычке 9, диаметр ободка боковой поверхности горячей пластины вытачивается на 0,0002 0,001 м больше, чем наружный диаметр перемычки, или же на горячую пластину 7 надевается кольцо-ободок 10 толщиной 0,0001 0,0005 м и высотой 0,002 0,003 м. Регулируя толщину кольца-ободка 10 горячей пластины 7 от 0,0001 до 0,0005 м, добиваемся того, чтобы плотности тепловых потоков, проходящие через одинаковые сечения в исследуемом образце, а также совместно через перемычку 9 и меняющую толщину от 0,0001 до 0,0005 м газовую прослойку под ободком 10 будут одинаковы.

В результате уменьшаются возмущения в эффективной рабочей поверхности горячей пластины и, тем самым, увеличивается точность определения коэффициента теплопроводности. Толщина горячей пластинки 7 0,002 0,003 м. В ней просверлено отверстие диаметром 0,0005 0,0006 м до центра, строго горизонтально к торцам пластинки, в которую помещают один спай дифференциальной термопары (ΔT). В "холодильнике" 8 также строго горизонтально к рабочему торцу просверлены два отверстия диаметрами 0,0005 0,0006 м, одно для дифференциальной термопары (ΔT), а другое для абсолютной термопары (Т₂).

Термопара (Т₂) показывает температуру "холодильника", а термопара (ΔT) перепад температуры в слое исследуемого вещества. Термопара (Т₂) градуируется по образцовому термометру сопротивления. Для исключения перетока тепла по термопарам термопары изготовлены из материалов с низкой теплопроводностью хромеля и копеля, диаметром 0,00015 м.

В "холодильнике" предусмотрены два канала 20, 21 диаметром 0,0005 0,001 м для заливки или выливания раствора или расплава.

Для устранения конвекции, возникающей в жидкостях при теплопередаче, особое внимание уделено созданию плоскопараллельности пластин и подготовке их поверхностей.

Зазор между горячей 7 и "холодной" 8 пластинами задается тремя медными проволочками для жидкостей толщиной от 0,0005 ± 0,000002 до 0,0015 ± 0,000002 м, которые через 120^o располагаются на поверхности "холодильника". Верхняя горячая пластинка 7 с перемычкой 9 надевается на "холодильник" 8, и перемычка 9 приваривается или припаивается по особой технологии к "холодильнику" 8. Затем медные проволочки вытравливаются раствором азотной кислоты с дальнейшим промыванием полости дистиллированной водой и обезвоживанием спиртом.

Фиксированный зазор между измерительными пластинами создается за счет высоты перемычки 9, соединяющей их.

В зазор, образуемый горячей 7 и "холодной" 8 пластинами и перемычкой 9 /фиг. 2/, вливается или помещается исследуемое вещество 11.

Исследуемые образцы могут иметь толщину 0,0005 0,003 м. При использовании как образцов твердых тел и пористых материалов они помещаются между горячей 7 и "холодной" 8 пластинами, после чего перемычка 9 горячей пластины 7 приваривается к "холодильнику" 8 с последующим насыщением пористого материала жидким раствором.

Пайка или сверка производится на достаточном удалении от твердого тела или пористого материала для того, чтобы их не расплавить и не испортить.

К "холодильнику" 8 при помощи гайки 15 и штуцера 16 подсоединены два капилляра 17 и 18, через которые по каналам 20, 21 можно заправить исследуемый объем жидким раствором или расплавом. Один капилляр, подсоединенный к "холодильнику", оканчивается вентилем 13, а другой 14 присоединяется к резервуару с изменяющимся объемом 12 и служит для заправки и разгрузки измерительной ячейки /фиг. 2/ исследуемым веществом, а также для передачи давления. Для сведения к минимуму перетоки тепла по перемычке 9, соединяющей измерительные пластины, толщина измерительного узла (и образца) меняется в пределах 0,0005 0,0016 м при исследовании теплопроводности жидкостей и 0,0005 0,003 м при исследовании твердых тел и пористых материалов.

Кроме того, для исключения перетока тепла с края "холодной" пластины 8 к ее середине в ней предусмотрен кольцевой паз 19 толщиной 0,0005 0,001 м и высотой 0,002 0,003 м, отстоящий от боковой поверхности "холодильника" 8 на расстоянии 0,0005 0,001 м.

Таким образом при измерении теплопроводности исследуемое вещество полностью герметизировано в зазоре между пластинами 7 и 8 и перемычкой 9. Это исключает контакт исследуемого вещества с термометрическими устройствами и нагревателями. Для предотвращения деформации измерительных пластин ячейка выполнена разгруженной от одностороннего давления. Герметизация исследуемого вещества в зазоре является и средством борьбы с конвекцией типа "печная труба".

Чтобы исключить аксиальные потери тепла с боковой поверхности горячей пластины 7 и перемычки 9 /фиг. 2/, на нижнюю часть блока для измерения теплопроводности /фиг. 1/ надевали кольцо 6 из нержавеющей стали 12Х18H10Т или титана ВТ 00. Между горячей пластиной 7 ячейки /фиг. 2/ и кольцом 6 /фиг. 1/ имеется щель толщиной 0,0003 0,0005 м. В кольце 6 /фиг. 1/ имеется прорезь для прохождения термопары, располагаемой в горячей пластине 7 /фиг. 2/.

Измерительная ячейка /фиг. 2/ размещается под измерительным блоком, зажимается под прессом приводится в плотный тепловой контакт с измерительной ячейкой и помещается в зажатом состоянии в автоклав. Для исключения электрического контакта между измерительным блоком и измерительной ячейкой помещается слой диэлектрика.

В собранном виде устройство для измерения теплопроводности показано на фиг. 3. Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Тепло, выделяемое рабочим нагревателем 2 в измерительном блоке для определения теплопроводности, последовательно проходит сверху вниз через ячейку /фиг. 2/, в сторону "холодильника". В результате на слое исследуемого образца возникает градиент температуры ΔT, которую оценивали при помощи дифференциальной хромель-копелевой термопары (ΔT), расположенной в отверстиях, просверленных строго горизонтально к рабочим поверхностям пластинок 7 и 8 ячейки.

Отверстия для термопар имели диаметр 0,0005 0,0006 м и располагались строго по изотермическим поверхностям.

Расстояние между горячей 7 и "холодной" 8 пластинами было задано точными концевыми мерами с погрешностью ± 0,000002 м и имело строго заданную толщину. Таким образом, зная геометрические размеры ячейки, мощность, выделяемую в измерительном приборе (W), перепад температуры в слое исследуемого образца (ΔT), коэффициент теплопроводности (λ) оценивали при помощи закона Фурье по следующей формуле, для стационарного метода плоского - горизонтального слоя:

где λ коэффициент теплопроводности [Вт/М•к]
W мощность внутреннего нагревателя, прошедшая через образец [Вт]
l толщина слоя образца [М]
S эффективная рабочая поверхность [м²]
DT перепад температуры на образце [К]
Предлагаемое нами устройство предназначено для исследования теплопроводности твердых тел, пористых материалов, насыщенных флюидами, жидких растворов, жидких растворов органических веществ, жидких растворов электролитов, несмешивающихся жидких растворов различных концентраций в интервале температур (-100) (+ 500)^oC и при различных давлениях, включая окрестности фазовых переходов и критического состояния вещества.

Ячейка /фиг. 2/ в заправленном состоянии располагается под измерительным блоком для определения теплопроводности /фиг. 1/ и зажимается под прессом. Собранная таким образом, она помещается внутри термостатируемого автоклава, в котором и создаем высокие давления.

Заправку измерительной ячейки производим до помещения ее внутрь автоклава. Для этого при помощи форвакуумного насоса создается глубокий вакуум внутри ячейки путем откачки по капиллярным трубкам 17, 18, при закрытом вентиле 14. При достижении вакуума заранее приготовленный жидкий раствор через открытый конец капилляра 17 поступает внутрь ячейки 11, вентиль 14 закрыт. Для разгрузки ячейки от использованного жидкого раствора необходимо открыть вентили на концах капилляров 13 и 14 и продуть очищенным инертным газом.

Затем ячейка тщательно промывается, просушивается и готова для следующей заправки. Разгружать измерительный узел ячейки от раствора можно и не разбирая автоклав, если к крышке автоклава приварены толстостенные капиллярные трубки, в которые можно пропустить капиллярные трубки 17, 18, и, выводя их за автоклав, расположить в узле для перезаправки.

Литература
1. Н.В.Цедерберг. Теплопроводность газов и жидкостей. М.-Л. 1963, с.408.

2. Н.Б.Варгафтик, Е.В.Смирнова. О зависимости теплопроводности водяного пара от температуры // ЖТФ, 1956, т.26, N 6, с.1251 1261.

3. Х. И. Амирханов, А.П.Адамов. Теплопроводность двуокиси углерода вдоль пограничной кривой и в области критического состояния.// Теплоэнергетика, 1963, N 7, с.77 82.

4. А.с. N 1617348, кл. G 01 N 25/18. Г.Г.Гусейнов, С.М.Расулов. Устройство для измерения теплопроводности жидкостей. Открытия. Изобретения. ВНИИПИ. М.1990, N 48, с.173.

Использование: в измерительной технике для определения теплопроводности. Сущность изобретения: устройство содержит измерительный блок, включающий нагреватель 2, и измерительную ячейку для исследуемого вещества, которая образована зазором между верхней пластиной-нагревателем 7, нижней пластиной-холодильником 8 и боковой стенкой 9 горячей пластины, имеющей толщину 0,5•10^-4 м - 1,0•10^-4 м. В пластинах размещены термопары, подключенные к измерительному блоку. В нижней пластине 8 выполнен кольцевой паз 19 и каналы 20, 21, соединенные с резервуаром с исследуемым веществом. Пластина-нагреватель 7 снаружи имеет кольцевой ободок 10. На нижнюю торцовую часть измерительного блока надето кольцо 6, выступающее в область измерительной ячейки. 3 ил.

Устройство для измерения теплопроводности, содержащее измерительный блок, включающий нагреватель, отличающееся тем, что содержит измерительную ячейку для исследуемого вещества, размещенную под измерительным блоком, при этом измерительная ячейка включает верхнюю пластину-нагреватель, нижнюю пластину-холодильник, установленные с зазором относительно друг друга, и боковую стенку, обеспечивающую фиксацию зазора между пластинами, верхняя и нижняя пластины имеют толщину, достаточную для обеспечения жесткости, при этом в пластинах размещены термопары, подключенные к блоку измерения, а боковая стенка ячейки выполнена толщиной 0,5 • 10^- 4 м 1 • 10^- 4 м, в нижней пластине вблизи боковой стенки выполнен кольцевой паз, выходящий в зазор между пластинами, измерительная ячейка снабжена кольцевым ободком на внешней боковой поверхности пластины-нагревателя, при этом измерительный блок дополнительно содержит в нижней торцевой части кольцо, выступающее в область измерительной ячейки, а внутренний диаметр кольца больше внешнего диаметра кольцевого ободка пластины-нагревателя, причем в пластине-холодильнике выполнены каналы, выходящие в зазор между пластинами и соединенные с резервуаром с исследуемым веществом.