Способ измерения теплопроводности жидкости Советский патент 1993 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к технической физике, а именно к измерению теплопроводности веществ и материалов.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности за счет устране- ния указанного недостатка и дополнительное повышение точности за счет оптимизации воспроизведения граничных условий на поверхности испытуемой пробы.

На фиг. 1 показана схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - графики, поясняющие его работу.

Устройство включает в себя плоский проточный канал 1, образованный термо- статирующей поверхностью 2 и плоским известным термосопротивлением 3, источник теплоты 4, второе плоское известное термосопротивление 5, вторую термостатирующую поверхность 6 и измерители температуры 7-13, например термопары.

На фиг. 1 ось хявляется продольной пространственной координатой канала, лежит на термостатирующей поверхности 2 и направлена в сторону движения жидкости, а ось у является поперечной пространственной координатой канала. На графиках, при- веденных на фиг.2, использованы следующие обозначения: Ти(х) -температура источника теплоты 4; Тп(х) - температура поверхности слоя исследуемой жидкости, противолежащей термостатируемой поверхности 2; АТ2, A Ti, A Tx - перепады температуры соответственно на тепловом сопротивлении 5 толщиной 12, на тепловом сопротивлении 3 толщиной И и на слое 1 исследуемой жидкости толщиной h; Ri - значение теплового сопротивления 3; R2 - значение теплового сопротивления 5; Ry h/ Ay - значение теплового сопротивления слоя 1 исследуемой жидкости, теплопроводность которой вдоль оси у равна Ау; xi - граница измерительного участка плоского канала, представляющая собой наименьшее значение продольной координаты х, начиная с которого перепады температур АТ2, ATi, АТХ перестают зависеть от значения х и становятся практически постоянными AT2 const, A Ti const,A Tx const.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующим теоретическим обоснованием.

Перемещение исследуемой пробы в плоском проточном канале 1 относительно источника теплоты 4 и ее стока (термостатирующей поверхности 2) приводит к тому, что температура Тп(х) поверхности пробы со стороны подвода теплового потока повышается в направлении движения. Это обусловлено накоплением тепловой энергии в элементарном объеме жидкости по мере продвижения ее вдоль источника теплоты 4. Одновременно, однако, увеличивается доля теплоты, стекающей через второе тепловое I сопротивление 5 к второй термостатирующей поверхности 6. Координата xi сечения канала, начиная с которого устанавливаются постоянные значения температур Тп(х) - -То АТХ const и Ти(х) - То А Та const, является границей измерительного участка канала. От этого сечения xi и далее по движению жидкости происходит стабилизация температур Тп(х), Ти(х), т.е. изменения температуры Тг-(х) нагреваемой поверхности слоя исследуемой жидкости и температуры Ти(х) источника теплоты становятся пренебрежимо малыми.

Таким образом, на измерительном уча стке канала при х xi процесс теплопере носа не зависит от продольной координать х и от времени t.

Введем обозначения: Q Вт/м2 - удель

ная мощность источника теплоты 4; qi, q; Вт/м - плотности тепловых потоков, про ходящих соответственно через тепловые сопротивления 3 и 5.

При стационарном тепловом режиме на измерительном участке канала при х xi выполняется условие теплового баланса Q qi+q2.

Если в ходе эксперимента измерено значение перепада температур АТ2 между источником теплоты 4 и термостатирующей поверхностью 6, то

Q2

а-Ч2 о-дт

R2

R2

Температурное поле Т(у) ламинарного потока исследуемой жидкости на измерительном участке канала 1 описывается кра- 25 ев0й задачей

30

0

где W(y) Вт/м - функция, описывающая выделение теплоты внутри ламинарного потока исследуемой жидкости, например, за счет вязкого трения. Отметим, что численные значения функции W(y) должны быть заранее определены на основании реологического уравнения состояния жидкости. Остальные обозначения были определены

выше.

Если теплопроводность Ау исследуемой жидкости является функцией Ау Ау (у), то в . результате решения краевой задачи (1)(3) получается интегральное уравнение

Ris

AT2(1+)-Q-Ri(Q- (y),

R2

)dy(4)

с использованием которого может быть найдена искомая функция Ау Ау(у). Если по условиям проведения эксперимента искомую теплопроводность Ау(у) жидкости можно считать постоянной Ау (у) Ау const, то интегральное уравнение (4) превращается в формулу

Гп-АТ2.

- VURo )

Ay.

R2

(y)

AT2(1+)-q-Ri

Из приведенного выше обоснования сущности способа видно, что предлагаемый способ обеспечивает устранение недостатков, присущих прототипу, а именно повышает точность за счет учета изменения теплопроводности жидкости под влиянием обратимых деформаций, возникающих при ее течении.

При размещении источника теплоты 4 и измерителей температуры 7...11 непосредственно на поверхности слоя 1 исследуемой жидкости возникают погрешности вследствие необходимости введения дополнительного защитного слоя для предохранения этих элементов 4,7,...11 от истирания пробой. Кроме того, источником погрешности может служить дискретность источника теплоты 4, застилающего поверхность нагревательными элементами (проволока, фольга, полоски жести), разделенными электроизолирующими промежутками. Поэтому, для повышения точности за счет оптимизации воспроизведения граничных условий на поверхности пробы со стороны подвода тепло- вого потока, предлагается отделить источник теплоты 4 от слоя исследуемой жидкости плоским известным тепловым сопротивлением 3. Это тепловое сопротивление 2 уменьшит величину температурных неоднородностей на поверхности пробы по сравнению с неоднородностями в плоскости подвода теплоты. При известных тепловых сопротивлениях 3 и 5, окружающих источник теплоты 4, существует однозначная связь между температурой Ти(х) источника теплоты 4 и температурой Тп(х) поверхности слоя испытуемой жидкости. Таким образом, дополнительное повышение точности достигается за счет оптимизации воспроизведения граничныхусловий на поверхности испытуемой пробы с использованием тепловых сопротивлений 3, 5.

Способ реализуется следующим образом.

Исходя из планируемого расхода испытуемой жидкости и длительности испытания выбирают исходное количество материала пробы и термостатируют ее при заданной минимальной температуре То испытания (имеется ввиду, что на слое исследуемой пробы жидкости реализуется перепад температур между минимальной и максимальной температурами испытаний). Поверхности 2 и 6 термостатируют при той

же минимальной температуре То. Возможно, однако, для поверхности 6 установление иной, более высокой температуры. Исходя из планируемой максимальной темпера5 туры выбирается значение удельной мощности источника теплоты 4.

После завершения термостабилизации пробы и поверхностей 2, 6 при заданной минимальной температуре То пропускают

10 испытуемую пробу с постоянным расходом через плоский проточный канал 1, за счет которого формируют плоский слой испытуемой жидкости. Одновременно к источнику теплоты 5 непрерывно подводят постоян15 ную удельную мощность Q. При этом тепловой поток qi к исследуемой жидкости подводят от источника теплоты 4 через плоское известное тепловое сопротивление 3, причем источник теплоты 4 теплоизолиру20 юте внешней поотношению к каналу стороны вторым плоским известным тепловым сопротивлением 5, внешнюю поверхность которого поддерживают при заданной температуре с использованием термостатирую25 щей поверхности 6. После достижения стационарного (установившегося) теплового режима работы (что контролируют по посто- янству показаний измерителей температуры 7... 13), регистрируют изменение

30 температуры Ти(х) поверхности слоя жидко- ти, противолежащей термостатируемой поверхности 2, в направлении движения жидкости. При этом, об изменении температуры Тп(х) поверхности слоя жидкости судят

35 по температуре Ти(х) источника теплоты 4, регистрируемой измерителями температуры 7...11. По показаниям измерителей температуры 7...11 определяют границу xi измерительного участка плоского канала,

40 на котором изменения температуры становятся пренебрежимо малыми. На практике изменение температуры можно считать пренебрежимо малым, если показания двух соседних измерителей температуры, например измерителей 10 и 11, отличаются

45 менее чемЬна один процент. В случае, пред- ставленн м на графиках фиг,2, видно, что граница xi измерительного участка плоского канала проходит между измерителями температуры 9 и 10. Поэтому, для обработки

50 экспериментальных данных могут быть использованы значения перепада температуры АТ2 Ти(х) - То, определенные по разности показаний измерителей температуры 10, 12 или 11, 12.

55Поспе определения положения границы

xi измерительного участка плоского канала, на котором изменение температуры вдоль продольной координаты становится пренебрежимо малым, перепад температуры АТ2 Ти(х) - То измеряют на основании измерения температуры То термостатируе- мой поверхности 6 по показаниям измерителя 12 и на основании измерения температуры Ти(х) источника теплоты 4 измерителем 11. Одновременно с измерением перепада температур измеряют значение удельной мощности Q источника теплоты 4 и расход q исследуемой жидкости через плоский канал 1. Искомую величину теплопроводности Яу исследуемой жидкости определяют путем решения интегрального уравнения (4) или по формуле (5) с учетом экспериментально измеренных значений физических величин АТ2, Ri, R2, Q,h, W(y), причем непосредственно в ходе эксперимента измеряют значения АТ2, Q и расход q исследуемой жидкости через плоский канал. Значения термосопротивлений Ri, R2, толщина h и функция внутренних источников тепла W(y) должны быть определены заранее при подготовке к эксперименту.

Сравним прототип с предлагаемым способом.

Выше было показано, что в случае прототипа невозможно учесть изменение искомой теплопроводности исследуемой жидкости под влиянием обратимых деформаций, возникающих в жидкости при ее течении. Предлагаемый способ позволяет осуществлять экспериментальное измерение теплопроводности жидкости непосредственно в процессе ее течения, что позволить экспериментально измерить зависимость теплопроводности жидкости от скорости сдвига и, связанных с ней, обратимых деформаций. Кроме того, дополнительное повышение точности измерения теплопроводности жидкости обеспечивается за счет оптимизации воспроизведения граничных условий на поверхности испытуемой пробы с использованием плоских известных тепловых сопротивлений и за счет измерения перепада температур на основании измерения температуры термостатиру- емой поверхности испытуемой жидкости и измерения температуры источника теплоты. Формула изобретения

1. Способ измерения теплопроводности

жидкости, состоящий в том, что придают испытуемой пробе форму плоского слоя, термостатируютодну из поверхностей слоя, создают перепад температур за счет подвода к поверхности, противоположной термо- статируемой, теплового потока, равномерно распределенного по поверхности и неизменного во времени, регистрируют установившийся во времени перепад температур,

толщину слоя и плотность теплового потока, на основании чего рассчитывают искомую величину, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет возможности учета изменения искомой величины

под влиянием обратимых деформаций, возникающих при течении жидкости, плоский слой формируют в проточном канале, пропускают через него пробу с постоянным расходом, регистрируют изменение

температуры поверхности слоя, противолежащей термостатируемой, в направлении движения жидкости и измерения проводят на участке канала, на котором это изменение становится пренебрежимо малым.

2. Способ по п.1,отличающийся тем. что, с целью повышения точности за счет оптимизации воспроизведения граничных условий на поверхности испытуемой пробы, тепловой поток к исследуемой жидкости подводят от источника теплоты через плоское известное тепловое сопротивление, источник теплоты теплоизолируют с внешней по отношению к каналу стороны вторым плоским известным тепловым сопротивлением, термостатируют внешнюю поверхность второго теплового сопротивления, измеряют температуры источника теплоты и термостатируемой поверхности и по результатам измерений определяют перепад температур.

I

/А//Л

i.

&

I-, - -фъ .

//y ///////7 ///////////} ////// //////V/f///////.

/Г,

&

////// /////

/Г,

Сущность изобретения: придают пробе форму плоского слоя, плоский слой формируют за счет проточного канала, пропускают через него испытуемую пробу с постоянным расходом, термостатируют одну из поверхностей слоя; создают перепад температур между поверхностями слоя за счет подвода к поверхности, противоположной термоста- тируемой, теплового потока, равномерно распределенного по поверхности и неизменного во времени; регистрируют толщину слоя и плотность теплового потока; регистрируют изменение температуры поверхностислоя,противолежащей термостатируемой, в направлении движения жидкости и измерение установившегося во времени перепада температур на слое проводят на участке канала, на котором эти изменения становятся пренебрежимо малыми. Кроме того, тепловой поток к исследуемой жидкости подводят от источника теплоты через плоское известное тепловое сопротивление, источник теплоты теплоизолируют с внешней по отношению к каналу стороны вторым плоским известным тепловым сопротивлением и термостатируют внешнюю поверхность второго теплового сопротивления, а перепад температур измеряют на основании измерения температуры термостатируемой поверхности испытуемой жидкости и температуры источника теплоты. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. со с со

ЖГ/А/ДУ&Л

/X/////ty//ty// ///J //W///A{//

VJ A

u u. k W. k

v

/Ж

4

///I/X/K/////// 7/

/7

«8.t

/«rf

i {дмврц/яе/п&&и УУДС/УЖ

.2