СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ФАЗ ТРЕХФАЗНОЙ ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2002 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к технической физике, в частности к способам определения концентрации фаз в многофазных средах.

Известен способ определения степени сухости водяного пара, включающий осушение и перегрев пара при постоянном удельном объеме, непрерывное измерение давления и регистрацию начального давления пара, регистрацию давления, соответствующего моменту перехода пара из сухого насыщенного состояния в перегретый и определения степени сухости пара по отношению начального давления к давлению, соответствующему моменту фазового перехода пара (авт. свид. СССР 1626141, МКИ 5 G 01 N 25/56, опубл. 07.02.91. БИ 5).

Недостатком данного способа, является ограниченная область применения, так как способ непригоден, если анализируемая среда содержит более двух фаз.

Известен способ измерения локальной степени влажности водяного пара при постоянном давлении, основанный на использовании закономерности резкого изменения температуры пара от давления при изменении его агрегатного состояния в процессе осушения и перегрева (Федоров В. И. Термодинамический способ измерения локальной степени влажности водяного пара // Теплоэнергетика, 1991, 1. С. 33-34).

Данный способ не позволяет определять содержание фаз в трехфазной среде.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу (прототипом) является способ измерения качественных характеристик пара (степени сухости), заключающийся в отборе пробы, нагревании при постоянном объеме до получения перегретого пара или жидкости, охлаждении и регистрации температуры и давления пара во время охлаждения, определении удельного объема пара и расчете степени сухости (патент США 4295368, МКИ, 3 G 01 К 17/00, опубл. 20.10.81 т. 1011, 3).

Указанный способ также непригоден для трехфазных сред.

Заявляемое изобретение направлено на расширение области применения и решает задачу определения содержания твердой, жидкой и газообразной фаз в однокомпонентной среде, например в шугообразном веществе.

Для решения данной задачи в способе определения содержания фаз трехфазной однокомпонентной среды, включающем отбор пробы, уменьшение числа фаз и перевод в однофазное состояние путем нагрева при постоянном объеме, непрерывное измерение давления и температуры, измеряют количество тепла, затраченное на перевод трехфазной среды в двухфазную, определяют энтропию трехфазной среды, удельный объем по температуре, соответствующей моменту перехода в однофазное состояние, и по этим данным рассчитывают содержание фаз.

На фиг. 1 представлена диаграмма энтропия - удельный объем (s-v) нормального вещества. На фиг. 2 показана схема устройства определения содержания фаз в трехфазной среде.

Трехфазные среды применяют, например, в качестве горючего ракетных двигателей (шугообразное горючее) и в системах охлаждения в качестве аккумуляторов холода. При использовании трехфазных сред необходимо знать количества твердой, жидкой и газообразной фаз в смеси. Эти данные позволяют определить плотность смеси, время хранения, рассчитать перекачивающие и регулирующие устройства.

Одновременное существование трех фаз однокомпонентной среды возможно лишь при вполне определенных давлении и температуре, соответствующих давлению и температуре тройной точки. Так как при равновесии давления и температуры всех трех фаз одинаковы, то в диаграмме давление-температура (p - Т) это состояние изображается точкой, а в диаграммах температура-энтропия (Т - s) и давление-удельный объем (p - v) - линией. В системе координат, в которой обе переменные различны для всех трех фаз, тройная точка изображается некоторой частью плоскости. Трехфазная шуга может существовать лишь внутри фундаментального треугольника SLV (фиг. 1), во всех точках которого давления и температуры одинаковы, различны только количества каждой фазы. Три угла треугольника соответствуют твердому состоянию, жидкому и парообразному (Шпильрайн Э. Э. и Кессельман П. М. Основы теории теплофизических свойств веществ. - М. : Энергия, 1977, с. 91).

При подводе тепла при постоянном объеме энтропия смеси увеличивается, а давление и температура не меняются до тех пор, пока в смеси присутствуют три фазы. Как только линия процесса пересечет границу фундаментального треугольника (т. 2), число сосуществующих фаз уменьшится по крайней мере на единицу. Давление и температура начнут увеличиваться в соответствии с уравнением кривой фазового равновесия.

В зависимости от начального положения точки 1 линия процесса изохорного подвода тепла может пересекать сторону LV (линии I и II на фиг. 1). При этом трехфазная система превратится в двухфазную систему жидкость-пар. При пересечении стороны SL (линия III на фиг. 1) трехфазная система превратится в двухфазную систему жидкость-твердое тело. Если линия процесса пройдет через точку L (линия IV на фиг. 1), исчезнут сразу две фазы - твердая и парообразная, и трехфазная система превратится в однофазную (жидкую).

Тип образовавшейся системы определяют по известным для данного вещества уравнениям кривых фазового равновесия жидкость-пар и твердое тело-жидкость.

Дальнейший изохорный подвод тепла приводит к переходу двухфазной системы в однофазную (т. 3. фиг. 1). Здесь возможны два случая: 1) однофазная система представляет собой пар (линия I); 2) однофазная система представляет собой жидкость (линии II и III). Фазовое состояние однофазной системы определяют по характеру изменения давления от температуры вдоль изохоры из неравенства

где v''= const - изохора пара, v'= const - изохора жидкости, а производная dp/dT взята по кривой фазового равновесия жидкость-пар (Шпильрайн Э. Э. и Кессельман П. М. Основы теории теплофизических свойств веществ. - М. : Энергия, 1977, с. 79).

В момент перехода двухфазной системы в однофазную происходит резкое изменение величины производной давления от температуры. Удельный объем в этот момент равен удельному объему сухого насыщенного пара v'' или насыщенной жидкости v', или удельному объему жидкости на линии затвердевания v*, которые являются известными для данного вещества функциями температуры (или давления).

Свойства среды в состоянии, соответствующем точкам 1, 2, 3 на фиг. 1, рассчитывают по соотношениям:
точка 1: v₁= x₁v''₁+y₁v'₁+(1-x₁-y₁)v₁ ^T, s₁= x₁s''₁+y₁s'₁+(1-x₁-y₁)s₁ ^T; точка 2: v₂= (1-y₂)v''₂+y₂v'₂, или v₂= y₂v'₂+(1-y₂)v₂ ^T, или v₂= v'₂, s₂= s''₁+y₂(s'₁-s''₁), или s₂= s₁ ^T+y₂(s'₁-s₁ ^T), или s₂= s'₂;
точка 3: v₃= v''₃, или v₃= v'₃, или v₃= v*₃. Так как процесс изохорный v₃= v₂= v₁. Кроме того, s₁ = s₂- Δq/T_тт Δq = ΔQ/m, m= V/v₁, где V - известный объем пробы, ΔQ - количество тепла, подведенное к пробе в процессе перехода из трехфазного состояния в двухфазное, Т_TT - температура тройной точки, m - масса пробы, х и y - относительное содержание пара и жидкости в шуге, соответственно. Удельные объемы и энтропия фаз при температуре тройной точки (v''₁, s''₁; v'₁, s'₁; v₁ ^T, s₁ ^T) являются известными величинами, поэтому система уравнений для точек 1, 2, 3 позволяет однозначно определить содержание фаз трехфазной среды.

Устройство, реализующее способ (фиг. 2), включает: камеру постоянного объема 1, нагреватель 2, источник тепловой энергии 3, регулятор мощности 4, измеритель количества подведенного тепла 5, датчик давления с регистрирующим прибором 6, датчик температуры с регистрирующим прибором 7, дифференцирующий блок 8, запоминающее устройство 9.

Устройство работает следующим образом. Отбирают пробу трехфазной среды в камеру постоянного объема 1. С помощью нагревателя 2 с источником тепловой энергии 3 и регулятором мощности 4 осуществляют подогрев пробы при непрерывном измерении и регистрации давления датчиком 6 и температуры датчиком 7. В тот момент, когда давление и температура начнут изменяться, измеряют измерителем 5 и запоминают с помощью запоминающего устройства 9 количество тепла, затраченное на выход из трехфазной области. С помощью дифференцирующего блока 8 определяют значение производной dp/dT и тип двухфазной системы. Как только значение производной резко изменится, что свидетельствует о выходе в однофазную область, запоминают температуру Т₃, по которой находят удельный объем пробы. Соотношение фаз рассчитывают по измеренным значениям V, ΔQ и T₃ по уравнениям для точек 1, 2, 3.

Для оценки точности способа был выполнен расчет погрешности определения содержания жидкости в трехфазном диоксиде углерода СО₂ при объеме камеры постоянного объема V= 10^-3 м³, абсолютной погрешности измерения объема 10^-6 м³, абсолютной погрешности измерения температуры 0,1 К, абсолютной погрешности измерения количества тепла 10^-3 Дж и содержании жидкости в трехфазной смеси y= 0,5. Относительная погрешность определения содержания жидкости составила 0,92% при переходе трехфазной системы в двухфазную систему твердое тело-жидкость и 0,99% при переходе в двухфазную систему жидкость-пар. При этом масса пробы составила соответственно 1,182 кг и 1,0273 кг, количества тепла, необходимые для перевода в двухфазное состояние, 1,145•10⁵ Дж и 1,01•10⁵ Дж.

Изобретение относится к технической физике. Сущность способа заключается в следующем: число фаз трехфазной среды последовательно уменьшают путем нагрева при постоянном объеме. Одновременно измеряют и регистрируют давление и температуру. Переход трехфазной среды в двухфазную определяют по началу роста давления и температуры. В этот момент измеряют количество тепла, затраченное на перевод трехфазной среды в двухфазную. Переход двухфазной среды в однофазную определяют по изменению характера зависимости давления от температуры. Содержание фаз находят по удельному объему, энтропии и известным свойствам фаз с помощью соотношений аддитивности. Технический результат - расширение области применения. 2 ил.

Способ определения содержания фаз трехфазной однокомпонентной среды, включающий отбор пробы, уменьшение числа фаз и перевод в однофазное состояние путем нагрева при постоянном объеме, непрерывное измерение давления и температуры, отличающийся тем, что измеряют количество тепла, затраченное на перевод трехфазной среды в двухфазную, определяют значение производной dp/dT и тип двухфазной системы, по температуре, соответствующей моменту перехода в однофазное состояние, определяют удельный объем, определяют энтропию трехфазной среды и по этим данным с привлечением системы уравнений, характеризующих свойства трехфазной однокомпонентной среды, рассчитывают содержание фаз.