Устройство для определения коэффициента диффузии паров жидкости в газе Советский патент 1992 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к исследованию диффузии паров жидкостей в газах и может найти применение в химической и металлургической промышленности.

Известно устройство для определения коэффициента диффузии паров жидкости в газе, имеющее камеру для газа, приборы для контроля параметров газа, элемент для размещения жидкости, соединенный с измерителем массы.

Это устройство обеспечивает высокую точность измерений, но может быть использовано в сравнительно узком температурном диапазоне (до 100°С).

Наиболее близким является устройство для определения коэффициента диффузии паров жидкости в газе, имеющее камеру для газа, снабженную смотровыми окнами, и приборы контроля параметров газа, элемент для размещения образца в виде кольцевого держателя, совмещенный с измерителем температуры, и оптический измеритель геометрических размеров капли жидкости.

Это устройство позволяет несколько увеличить температурный диапазон (до 200 - 300°С), так как малые размеры держателя существенно облегчают термостатирова- ние. Но для веществ, плавящихся при высоких температурах (больше 100°С) трудноразрешимой становится задача формирования капли на кольцевом держателе. По мере увеличения температуры снижается поверхностное натяжение жидкостей и форма капли все более отклоняется от сферической, заложенной в основу расчетной модели. Это приводит к значительному снижению точности измерений и не позволяет

00

о

4 О

проводить исследования при высоких температурах (до 2000°С).

Цель изобретения - расширение температурного диапазона устройства и повышение точности измерения коэффициента диффузий,

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для определения коэффициента диффузии паров жидкости в газе, содержащем камеру для газа, снабженную смотровыми окнами и приборами контроля параметров газа, элемент для размещения образца и оптический измеритель геометрических размеров капли жидкости, в камеру устанавливают измеритель массы, соединяемый механически с элементом для размещения образца, выполненным в виде диска, в центре которого находится коническое углубление с остроугольным буртиком и следующими геометрическими соотношениями:

RD 3R; 1 ,OR Н S 0.2R; НБ 0,3R, где RD - радиус диска;

R - радиус углубления;

Н - глубина углубления;

НБ - высота буртика.

Выполнение элемента для размещения образца 8 виде диска с углублением позволяет перейти от висящей капли к капле, лежащей на подложке. 8 этом случае меняется теоретическая модель процесса испарения: вместо сферической капли рассматривается испарение с поверхности эллипсоида в полупространство. Размеры изотермической зоны при этом уменьшаются в два раза, а эллипсоидная форма поверхности сохраняется в широком температурном интервале. Это позволяет легко термостатировать элементы и проводить измерения с высокой точностью в температурном диапазоне 100- 2000°С.

Расчет коэффициента диффузии проводится по формуле I

D

2JrR(Ci -Co)

а arctg ( n а - 3) - 1 Vo2/(na-3)-1

где I - интегральный массовый поток с поверхности жидкости;

R - радиус углубления в диске;

Сг - равновесная концентрация пара в газе;

Со - исходная концентрация пара в газе;

а R/h - безразмерный параметр;

h - высота капли над буртиком;

5

0

5

0

5

0

5

0

5

6 ГПо с„ .

п ;г- - безразмерный параметр;

ягг/

р- плотность жидкости;

т0 т - V/9- масса выступающей части жидкости;

m - масса жидкости в ячейке;

V - объем углубления ячейки.

Формула используется в случае, если максимальный размер капли равен диаметру основания капли т.е. капля не имеет экватора.

Точность нахождения коэффициента диффузии определяется точностью измерения массы и геометрических параметров капли и соответствием условий эксперимента выбранной теоретической модели. Так как точность измерения геометрических величин, по сравнению с прототипом, сопоставима, то повышение точности измерения коэффициента диффузии при 100-2000°С происходит за счет соответствия условий эксперимента теоретической модели и использования измерителя массы. Предлагаемое устройство исключает недостаток, характерный для кольдевого держателя, - значительное отклонение формы капли от предполагаемой (эллипсоид вращения), на которой основаны расчетные формулы. Радиус углубления в центре диска должен лежать в диапазоне 1-5 мм. Ограничение радиуса углубления связано to снижением точности измерения коэффициента диффузии. Нижний предел ограничен точностью измерения высоты капли, так как при радиусе углубления менее 1 мм высота капли в большинстве случаев менее 1 мм и ошибка измерения высоты превышает 2% (абсолютная ошибка измерений принималась равной+.0,01 мм). Верхний предел получен следующим образом.

Уравнение, описывающее форму капли на подложке, преобразовывалось в функционал, который минимизировался методом спуска по координатам, численным решениям, полученным для краевых углов в интерп тс „

вале 0 - -п)найдены полуоси аппроксимирующего эллипсоида, проводился обратный пересчет всех точек профиля по уравнению эллипса. Проведенные расчеты показали, что при радиусе углубления менее 5 мм среднеквадратичное отклонение во всех случаях не более 2%, при большем радиусе среднеквадратичное отклонение превышает 2% и быстро растет с увеличением радиуса углубления.

Выполнение остроугольного буртика позволяет сформировать каплю с радиусом основания, равным радиусу углубления. Однако высота буртика ограничена условием соответствия теоретической модели (капли на подложке), при НБ 0,3 радиуса углубления среднеквадратичное отклонение концентрационных линий от эллипсоидной формы превышает 2%.

Экспериментально установлено, что выполнение глубины углубления менее 0,2 радиусов приводит к растеканию жидкости. Малая глубина используется только для жидкостей, имеющих угол смачивания, близкий к 90°, и большой коэффициент поверхностного натяжения, не позволяющий жидкости растекаться по поверхности диска. Увеличение глубины приводит к увеличению массы элемента и уменьшению угла вершины буртика.

Оптимальный диапазон угла буртика, при условии формирования максимально высокой капли, составляет 45-80°, т.е. глубина должна лежать в диапазоне 0,2-1,0 радиусов углубления.

Углубление выполняется глухим.

Минимальный размер диска обусловлен тем, что граничное условие в теоретической модели предполагает, на границе расчетной области равенство концентрации исходному значению. Проведенные на ЭВМ модельные расчеты показали, что уменьшение размеров расчетной области с 10 до 3 радиусов углубления приводит к увеличению расчетной величины потока на 2,5%. При дальнейшем уменьшении отклонение расчетных значений потока от экспериментальных резко возрастает. Экспериментально установлено, что при размерах диска меньше некоторого минимального значения возникает концентрационная конвекция, приводящая к увеличению погрешности установки. Измеритель массы необходим для расчета коэффициента диффузии по приведенной формуле, его точность выше, чем у измерителей геометрических размеров капли, и точность установки не снижается.

На фиг. 1 показан элемент для размещения образца, разрез; на фиг.2 - схема устройства.

Схема содержит исследуемую, жидкость 1, элемент 2 для размещения образца, газовую камеру 3, измеритель 4 массы, смотровое окно 5, позволяющее измерять геометрические параметры капли оптическим измерителем (не показан).

Кроме того, обозначены геометрические параметры (фиг. 1): R - радиус конического углубления, h - высота капли, НБ высота буртика, Н - глубина углубления, Ro - радиус диска.

Устройство работает следующим obpa- 5 зом.

В элемент для размещения образца с известными значениями R и V помещают исследуемую жидкость или навеску твердого вещества, соединяют его с измерителем

0 массы и устанавливают в газовую камеру, камеру наполняют требуемым, газом, создают заданные условия (температура и давление) и последовательно производят ряд одновременных измерений величин I, h и т,

5 по формуле находят соответствующий ряд значений коэффициентов диффузии паров жидкости в газе, которые затем усредняют. Использование предлагаемого устройства позволяет существенно расширить но0 менклатуру исследуемых ве.ществ, в частности, определять коэффициенты диффузии расплавов солей, металлов и металлургических шлаков. Устройство позволяет проводить эксперимент при температурах

5 реальных технологических процессов. Использование закрытых газовых камер дает возможность исследовать используемые в ряде химических и металлургических технологий токсичные вещества, а повышенная

0 точность измерений позволяет использовать полученные результаты для экологической экспертизы современных производств.

Формула изобретения

5 Устройство для определения коэффици- - ента диффузии паров жидкости в газе, содержащее камеру для газа, снабженную смотровыми окнами и приборами контроля параметров газа, элемент для размещения

0 образца и оптический измеритель геометрических размеров капли жидкости, отличающееся тем, что, с целью расширения температурного диапазона и повышения точности измерения коэффициента диффу5 зии, устройство снабжено измерителем массы, соединенным механически с элементом для размещения образца, выполненным в виде диска, в центре которого находится углубление с остроугольным бур0 тиком и следующими геометрическими соотношениями:

RD 3R; 1.0R Н 0,2 R; НБ 0.3R, где RD - радиус диска; R-радиус углубления;

5Н - глубина углубления;

НБ - высота буртика.

Изобретение относится к исследованию диффузии паров жидкостей в газах. Целью изобретения является расширение температурного диапазона устройства и повышение точности измерения коэффициента диффузии. Поставленная цель достигается тем, что в камере устанавливают измеритель массы, соединяемый механически с элементом для размещения образца, выполненным в виде диска. В центре диска находится углубление с остроугольным буртиком и следующими геометрическими соотношениями RD 3R, R Н 0,2 R, НБ 0,3 R, где RD - радиус диска, R - радиус углубления, Н - глубина углубления, НБ - высота буртика. 2 ил. 1 ё

Put. I