Способ определения температуропроводности жидкости Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области измерения теплофизических свойств жидкостей, может быть использовано для контроля технологических процессов в химической, пищевой,микробиологической, сельскохозяйственной и других отраслях народного хозяйства и является усовершенствованием способа по авт. св. № 1223110.

Наиболее близким к изобретению является способ, заключающийся в том, что ламинарный поток жидкости пропускают последовательно через изотермический и теплообменный .участки трубки, стенку трубки на изотермическом участке поддерживают при температуре, равной температуре жидкости на входе в трубку, стенку трубки на теплообменном участке поддерживают при постоянной температуре, отли- чающейся от температуры жидкости на входе в трубку, измеряют температуры жидкости на входе и на выходе трубки, измеряют температуру стенки трубки на теплообменном участке, регулированием расхода жидкости через трубку поддерживают в диапазоне 0,15-0,54 заданное постоянное значение отношения разности между температурой жидкости на выходе трубки и температурой стенки трубки на теплообменном участке к разности между температурой жидкости на входе в трубку и температурой стенки трубки на теплообменном участке, измеряют расход жидкости, и значение коэффициента температуропроводности определяют по формуле

«-zS-fttJ,/

/irer

где а - коэффициент температурой ровод- м2

НОСТИ ЖИДКОСТИ, С

s

1т- длина теплообменного участка трубки, м;

з

g - расход жидкости через трубку,

м

(Л

С

о ел

hO

t -I -- t

03 - поддерживаемое в эксIH - Хс

хперименте заданное значение отношения

разности между температурой tK жидкости на выходе трубки и температурой tc стенки трубки на теплообменном участке к разноти между температурой t «жидкости на вхое в трубку и температурой tc стенки трубки на теплообменном участке;

f( вз) - известная математическая функция.

Недостатком способа является невозможность непосредственного определения комплексного теплофизического параметра 4 жидкости.

Однако измерение комплексного тепло- физического параметра //а представляет значительный интерес, так как именно этот параметр является определяющим при изучении, проектировании и осуществлении процессов переноса тепла в ламинарных потоках жидкостей при напорном течении в трубах, например, в случае, когда известен перепад давления АР на участке трубы длиной L, а величину расхода g жидкости через трубу определить не представляется возможным.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения температуропроводности в комплексе с динамической вязкостью;

Указанная цель достигается тем, что измеряют перепад давления жидкости на фиксированном отрезке трубки и искомый комплексный теплофизический параметр жидкости определяют по формуле

„-j -iPtte -.

где R - внутренний радиус трубки, м;

А Р. - перепад давления жидкости на фиксированном отрезке трубки длиной L,

- . .-...

: ,.-. -; .

Уравнение энергии Для ламинарного потока жидкости при течении в трубке при определенных предположениях записывается в виде.

.ajtrvO Qjr Эг ЭТ( Эх . 7 З.г L 9г J

(х 0; 0 r R),

где Т- температура потока жидкости в точке с радиальной координатой г и продольной координатой х;

со 2 - профиль скорости течения жидкости. С учетом того, что профиль скорости течения жидкости при небольших изменениях температуры описывается формулой ,2

СО,

,, « bP|VК 1 -TiCTL- Ul J

краевая задача о расчете температурного поля ламинарного потока жидкости записывается в виде

5 pVr, i эт(о)

41

г../тат(г.г г эт ЭТ(

iueTf lp irr J

(1)

(х 0; 0 г R),

Т( г, о) - Тн - const; 3T(r°lX)0: j2)

T(R, х) Тс const. Видно, что в данном Случае комплексный теплофизический параметр/га является

основным параметром, определяющим процессы переноса тепла в ламинарном потоке жидкости при вынужденном течении под действием перепада давления АР, приложенного к отрезку трубы длиной L

Введем безразмерную радиальную координату г

1 безразмерную продольную координату

- , ; iftsry

безразмерную температуру , .

, .9 с.

н с

Тогда краевая задача (1), (2) преобразуется к виду

эе(,хп. о)

(У-Ж ИГ еСлхЛ ( Эх. г Зг. J (х 0,0 г 1);

и,Э.«о;в(;1Г).:.М

Решение краевой задачи (3), (4) хорошо изучено и имеет вид

в.(Е Ал(«Ч.,

п

где Cn, An, Ч п(г) - известные числа и функции.

Среднеинтегральное значение температуры, жидкости применительно к краевой

задаче (3), (4) и ее решению (5) записывается

ввиде 9(хЬ4}0((Х);г(

со °

-SS||-exp 6jxJ(x),(6)

. | Оу.

где Вп - известные числа.

Из выражения (6) легко получить зависи- мость

х-Ц в).(7)

где f( в) - функция, обратная к р (х).

Подставим в формулу (7) заданное постоянное значение-среднемассовой безразмерной температуры (отношения разности температур)

л tic - tc .

% t t ;.

н ic

поддерживаемое в ходе эксперимента, где IK - среднемассовая размерная температура жидкости на выходе трубки (на расстоянии х 1т от начала теплообменного участка трубки). Тогда формула (7) позволяет -вычислять значение безразмерной продольной координаты LO, v

rr JKaCy

: Jltr- : (Ы

if. ...

№ выражения (8) следует расчетная зависимость, положенная в основу предлага- емого способа

(U° 4u;iPЈ(0 ф)

Постановка краевой задачи-(3)1 (4) и ее решения (5)-(7) по форме совпадают с .математической постановкой задачи и ее решениями, положенными в рснову изобретения по (1). Поэтому приведенное в описании (1) обоснование оптимальных режимных rtapa- метров, предусматривающих измерения при отношении разностей температур

в, t|C tc % tH-tc

из диапазона 0,15-0,54, справедливо также для краевой задачи (3), (4) и ее решений (5)-(8), положенных в основу данного способа. .- .-.

На чертеже приведена схема установки для реализации предлагаемого способа измерения комплексного теплофизического параметра жидкости.

Установка включает в себя насос 1, измерительную трубку 2 с установленными на ней водяными рубашками 3, 4 и измерителями 5-7 среднемассовой температуры жидкости. В измерителях 5-7 установлены термопары 8-13. В установку входят также регулятор 14, исполнительный механизм 15, автотрансформатор 16, двигатель 17, ис,- пользуемый в качестве привода насоса 1, а также дифференциальный манометр 18, подключенный к отрезку трубки длиной L.

Способ осуществляется следующим образом.

Исследуемую жидкость А прокачивают насосом 1 через измерительную трубку 2 последовательно через изотермический участок длиной иэ, образованный водяной рубашкой 3, а затем через теплообменный участок длиной (т. образованный водяной рубашкой 4.:

Температуру стенки трубки на изотермическом участке поддерживают равной

температуре 1н исследуемой жидкости А на входе в трубку (за счет прокачивания воды- теплоносителя В через водяную рубашку 3). Это позволяет получать установившийся ламинарный режим течения исследуемой жидкости с температурой т.н на входе в теплообменный участок;

Температуру tc стенки трубки на тепло- обменном участке поддерживают постоянной и отличающейся от температуры т,н исследуемой жидкости на входе в трубку (за счет прокачивания водыттеплоносителя С через водяную рубашку 4);

Термопарами 8-13, установленными в измерителях 5-7 среднемассовой температуры жидкости, измеряют температуры т.н. I исследуемой жидкости на входе и на:выходе трубки и температуру tc стенки трубки на теплообменном участке.

По сигналам термопар 8-13 определяют значение отношения разностей температур-1,

и - к с

Н tc

Если фактическое значение разностей температур

03

1к - tc

tH - tc .

отличается от заданного постоянного значения в3 - const из диапазона 0,15-0,54,.то с использованием системы автоматического регулирования, включающей в себя регулятор 14, исполнительный механизм 15, автотрансформатор 16, двигатель 17 и насос 1, измеряют расход исследуемой жидкости через измерительную трубку и за счет регулирования расхода поддерживают заданное постоянное значение отношения разностей температур

вз Const

tH - tc . -..;

из диапазона 0,15-0,54. Дифференциальным манометром 18 измеряют величину перепада давления АР жидкости на фиксированном отрезке трубки длиной L, после чего искомый комплексный теплофи- зический параметр fta жидкости вычисляют по формуле (9)..

Отметим, что приведенная на чертеже схема включения термопар 8-13 позволяет отношение разностей температур.

tK tc

1н - tc равное постоянному значению 03 0.5.

Предлагаемый способ позволяет измерять значения комплексного теплофизического параметра/са жидкости, необходимые для изучения, проектирования, расчета и осуществления процессов переноса тепла в ламинарных потоках при

вынужденном течении жидкостей в трубках под действием перепада давления ДР, приложенного к участку трубы длиной L,

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый способ позволяет осуществлять непосредственное определение комплексного теплофизического параметра //а жидкостей. Кроме того, использование несложной расчетной зависимости (9) позволяет применить для обработки экспери- ментальной информации простые вычислительные устройства и, тем самым, снизить себестоимость экспериментальной установки.

Формул а изобретения

Способ определения температуропроводности жидкости по авт. св. № 1223110, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет дополнительного определения температуропроводности в комплексе с динамической вязкостью, измеряют перепад давления жидкости на фиксированном отрезке и определяют искомый комплексный теплофизический параметр жидкости по формуле

I..

/ UETAPf(Q

где /га - комплексный теплофизический параметр, представляющий собой произведение коэффициента динамической вязкости /г на коэффициент температуропроводности а жидкости, КРМ/С ;

R - внутренний диаметр трубки, м;

IT - длина теплообменного участка трубки, м;

АР- перепад давления жидкости на фиксированном отрезке трубки длиной L, Н/м2;

93

tK -tc

- поддерживаемое в эксtH -tc

перименте заданное постоянное значение отношения разности между температурой tK жидкости на выходе трубки и температурой tc стенки трубки на теплообменном участке к разности между температурой tH жидкости на входе в трубку и температурой стенки трубки на теплообменном участке; f( 03) - известная математическая функция.

Изобретение относится к области измерения теплофизических свойств жидкостей и м.б. использовано для контроля технологических процессов в химической, пищевой, микробиологической, сельскохозяйственной и других отраслях. Цель - расширение функциональных возможностей. В способе определения теплопроводности жидкости по а.с. № 1223110 дополнительно измеряют перепад давления на фиксированном участке трубки и, используя измеренное значение, рассчитывают комплексный теплофизический параметр /иа.1 ил.