УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННЫХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ПОРИСТЫХ ТЕЛ Российский патент 2013 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к способам измерения теплофизических свойств веществ при температурах до 500 K и давлениях до 100 МПа, и может быть использовано в геофизике для оценки глубинных тепловых полей, процессов мембранного разделения в химической промышленности и других отраслях.

Аналог предлагаемого устройства представлен в работе Курбанова А.А. Теплопроводность газо- водо- и нефтенасыщенных горных пород в условиях моделирующих глубинные залегания пластов // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. С.107-112. Устройство реализует стационарный метод плоского слоя. Давление до 150 МПа на исследуемый образец создается в термостатированном автоклаве, заполненном передающей давление жидкостью. При этом в автоклав помещается также электрический нагреватель, создающий тепловой поток, холодильник, термопары для измерения разности температур нагревателя и холодильника и абсолютной температуры опыта, система компенсации и измерения потерь тепла нагревателя. Это требует использования сложных устройств герметизации входящих в автоклав измерительных коммуникаций, приводит к возникновению дополнительных погрешностей из-за неконтролируемого теплопереноса через коммуникации и механического воздействия давления на материал термоэлектродов.

Прототип предлагаемого устройства описан в работе Эмирова С.Н. Экспериментальное исследование теплопроводности полупроводников и горных пород при высоких давлениях и температурах: дис. … докт. техн. наук. - Махачкала, 1997. - 306 с. Отличается от аналога тем, что давление до 350 МПа на образец создается газом (аргоном). В прототипе использована более совершенная методика учета погрешностей измерения теплопроводности, но основные недостатки аналога сохранились. Кроме того прототип требует использования сложного компрессорного оборудования и взрывоопасен. И аналог и прототип устройства труднореализуемы из-за необходимости поддержания высокого давления в достаточно большом объеме.

Техническая задача изобретения - измерение теплопроводности флюидонасыщенных пористых тел при температурах от 200 до 500 K и давлении до 100 МПа с погрешностью не хуже 3%.

Для решения технической задачи изобретения предлагается сделать нагреватель 2 и холодильник 3 конструктивными силовыми элементами измерительной ячейки устройства (фиг.1), реализующего стационарный метод плоского слоя. При этом давление создается только в объеме цилиндрического образца 1, а измерительные термопары 6 и 7 и электрический нагреватель 5 оказываются разгружены от давления, что значительно упрощает аппаратурное оформление опыта и повышает его точность за счет снижения неконтролируемых переносов тепла и исключения влияния давления на термоЭДС измерительных термопар.

Технический результат изобретения - повышение точности определения теплопроводности флюидонасыщенного под давлением пористого образца.

Для осуществления изобретения предлагается устройство (фиг.1) состоящее из цилиндрической обечайки 4, изготовленной из нержавеющей хромоникелевой стали со сравнительно низкой теплопроводностью. Днища 2 и 3 изготавливаются из прокатной меди с высокой теплопроводностью и являются одновременно нагревателем и холодильником образца 1. При диаметре образца d=30 мм и его длине l=20 мм толщина стенок обечайки и днищ должна быть не менее 10 мм. В одно из днищ в радиальное сквозное отверстие помещается электрический нагреватель 5. Для измерения температуры днища 2 (нагревателя) и днища 3 (холодильника) используются термопары 7 и 6, помещенные в радиальные глухие отверстия. В обечайку 4 вварена трубка 9 через которую образец 1 вакуумируется, а затем насыщается исследуемым флюидом под давлением.

Устройство работает следующим образом. Между днищем и обечайками помещаются прокладки 8 из пластичного материала (отожженная медь, фторопласт и т.д.), что обеспечивает надежный тепловой контакт нагревателя 2, холодильника 3 с образцом 1. Конструкция стягивается шпильками 10 и помещается в термостат. Теплота Q, выделяемая электрическим нагревателем 5 создает тепловые потоки:

Q=UI=Q₁+Q₂+Q_пот1+Q_пот2+Q_пот3

где

U - напряжение;

J - сила тока;

Q₁ - тепловой поток через образец 1;

Q₂ - тепловой поток через обечайку 4;

Q_пот1 - осевой поток неконтролируемых потерь тепла от нагревателя;

Q_пот2 - радиальный поток неконтролируемых потерь тепла от нагревателя;

Q_пот3 - радиальный поток неконтролируемых потерь тепла от обечайки.

Для учета тепловых потоков Q₂, Q_пот1, Q_пот2 и Q_пот3 предварительно выполняют тарировку устройства без образца 1 при температуре от 200 до 500 K и фиксированной разности температур нагревателя и холодильника T₁-T₂. При этом полость для образца 1 вакуумируется через трубку 9, а ее внутренние поверхности предварительно полируются. Таким образом, тепло в полости 1 не передается ни теплопроводностью, ни конвекцией, ни излучением т.е. Q₁=0 и характер зависимости Q₀=F(T) определяется только изменением теплопроводностей материала обечайки 4 и теплоизолирующего материала вокруг устройства в рабочем температурном интервале от 200 до 500 K.

Температура опыта:

$$Т={Т}_{терм.}+\frac{{Т}_1-{Т}_2}{2}$$

где

Q₀=U₀I₀=Q₂+Q_пот1+Q_пот2+Q_пот3 - количество тепла, необходимого в опыте без образца для поддержания фиксированной разности T₁-T₂ для текущей T;

Т_терм. - температура в термостате;

T₁ - температура нагревателя, измеренная термопарой 7;

T₂ - температура холодильника, измеренная термопарой 6.

После определения зависимости Q₀=F(T) в устройство помещается образец 1 через который устанавливается тепловой поток Q₁. Это приводит к охлаждению нагревателя 2 и нагреву холодильника 3. Следовательно, для поддержания фиксированной разности T₁-Т₂ к электрическому нагревателю 5 необходимо подвести дополнительно:

Q₁=Q-Q₀=UI-U₀I₀

Тогда для текущей T и порового давления P получаем рабочую формулу:

$$\lambda =\frac{\left(UI-U_0{I}_0\right)l}{\left(T_1-T_2\right)S}$$

где

l - длина образца 1, м;

S - площадь поперечного сечения образца, м²;

λ - теплопроводность образца, Вт/м·К.

Фиг.1: Принципиальная схема устройства.

1 - образец; 2 - днище (нагреватель); 3 - днище (холодильник); 4 - цилиндрическая обечайка; 5 - электрический нагреватель; 6 - термопара холодильника; 7 - термбпара нагревателя; 8 - прокладки из пластичного материала; 9 - трубка для вакуумирования и создания порового давления в образце; 10 - шпильки.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в промысловой геофизике для оценки глубинных тепловых полей, процессов мембранного разделения в химической промышленности и других отраслях. Заявлено устройство для измерения теплопроводности флюидонасыщенных пористых тел при поровом давлении до 100 МПа и температурах 200÷500 К, реализующее стационарный способ плоского слоя, в котором нагреватель и холодильник являются конструктивными силовыми элементами измерительного автоклава. Образец помещается между нагревателем и холодильником с использованием прокладок из пластичного материала для обеспечения теплового контакта между ними. Устройство также содержит трубку для вакуумирования полости с образцом. Стенки полости, содержащей образец, выполнены предварительно отполированными. Технический результат: повышение точности измерения теплопроводности флюидонасыщенных пористых тел. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения теплопроводности флюидонасыщенных пористых тел при поровом давлении до 100 МПа и температурах 200÷500 К, реализующее стационарный способ плоского слоя, в котором нагреватель и холодильник являются конструктивными силовыми элементами измерительного автоклава, отличающееся тем, что образец помещается между нагревателем и холодильником с использованием прокладок из пластичного материала для обеспечения теплового контакта между ними.

2. Устройство для измерения теплопроводности по п.1, отличающееся наличием трубки для вакуумирования полости с образцом.

3. Устройство для измерения теплопроводности по п.1, отличающееся тем, что стенки полости, содержащей образец, выполнены предварительно отполированными.