СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Советский патент 1971 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к области электрического моделирования процессов влагопереноса (увлал нения и сушки) капиллярно-пористых материалов и конструкций и может быть использовано для измерения влагосодержания этих материалов на специально созданных моделях (в электрическом подобии).

Известны способы электрического моделирования различных теплофизических состояНИИ, например установления тепловых полей в конструкциях, путем создания условий подобия электрического и моделируемого процессов. На этом принципе построены различные электрические интеграторы и электрические сеточные модели.

Однако известные способы не позволяют моделировать влажностное состояние капиллярно-пористых материалов, так как в них не найдены аналогии электрических процессов и процессов миграции влаги.

В предлагаемом способе указанный недостаток устранен тем, что, с целью получения электрических аналогий процессов увлажнения-сушки материалов и процессов зарядаразряда конденсаторов, геометрическую емкость электродов конденсатора устанавливают пропорционально структурной емкости материала, диэлектрическую проницаемость диэлектрика конденсатора устанавливают

пропорционально увлажняемости материала в реальных условиях, и, прикладывая к электродам конденсатора напряжения, пропорциональные различным значениям потенциала массонереноса в реальных условиях, определяют заряд конденсатора, являющийся в электрическом подобии мерой влажности в моделируемых условиях.

Предпосылкой для создания электрической модели исследуемого капиллярно-пористого тела может служить установление аналогий между процессами увлажнения и какими-либо электрическими процессами.

С этой точки зрения значение имеет теоретическое представление влажностного состояния капиллярно ористых тел путем анализа распределения молекул воды (сорбата) в поле исследуемого тела (сорбента).

Согласно этой теории энергетический уровень молекул воды в ноле сорбционных сил капиллярно-пористых материалов, а также их сорбционная активность и удельное влагосодержание характеризуются емкостью поля сорбционных сил

b SK-fm,(1)

где S - структурная емкость капиллярнопористого тела, К - коэффициент, характеризующий изменение взаимодействия между молекулами сорбента, а также взаимодействие последних между собой, т. е. изменение емкости поля сорбционных сил с изменением уровня энергии распределения (давления паров воды). Бели сравнить формулу (1) с известной формулой емкости электрического конденсатора С, в поле которого помещен материал с диэлектрической проницаемостью е, С 6 Со,(2) где Со - геометрическая емкость конденсатора (в вакууме), но нетрудно заметить аналогию, показывающую соответствие следующих величин: , . Т. е. в соверщенно различных процессах увлажнения и заряда конденсатора емкость поля сорбционных СИЛ b конкретного материала со структурной (геометрической) емкостью S и свойствами, характеризуемыми коэффициентом , аналогична электрической емкости конденсатора С с геометрической емкостью С и конкретным диэлектриком, характеризуемым е. Таким образом, капиллярно-пористый материал может быть промоделирован конденсатором, причем увлажняемости материала будет .соответствовать поляризуемость диэлектрика е этого конденсатора. Продолжая дальнейщее установление аналогий путем сравнения физического смысла величин двух рассматриваемых процессов, можно установить, что влагосодержанию материала W будет соответствовать заряд q конденсатора, а потенциалу массопереноса 0 ,(3) где R - универсальная газовая постоянная, Т--температура °К, будет соответствовать напряжение U на электродах конденсаторов. Действительно, повыщение напряжения U на электродах конденсатора ведет к увеличению накопленного в нем заряда q, аналогично тому, как повыщение потенциала массопереноса в ведет к увеличению влагосодержания W тела. При параллельном электрическом соединении двух конденсаторов с емкостями Ci и Cz, -имеющих разный заряд qi и 2 и различные напряжения U и t/a, происходит перенос электричества до выравнивания напряжения на их электродах U - U, и и перераспределение зарядов до значений qi и q2 пропорционально емкостям. Заряд конденсатора связан с его емкостью и напряжением соотнощением q CU.(4) Для двух рассматриваемых конденсаторов, включенных параллельно, их заряды соответственно равны ; с,и,(5) q, С,и.(5) Аналогично этому на границе двух тел с различным потенциалом массопереноса 01 и 62, имеющих различное влагосодержание Wi и Wg,. происходит перенос массы до выравнивания потенциала массопереноса ej 62 6 и перераспределение влагосодержаний до значений W и W пропорционально емкостям полей сорбционных сил этих тел bi и 62, т. е. подобие рассматриваемых процессов позволяет записать w; biQ, W 626. Приведенные выше сопоставления позволяют сделать вывод о том, что процессы увлажнения и сущки, в особенности многослойных сооружений и конструкций, могут быть промоделированы соответствующими электрическими цепями, набранными из конденсаторов регулируемой емкости. При этом емкость конденсаторов должна меняться двояким путем- изменением его геометрических размеров (Сг) и изменением диэлектрической проницаемости диэлектрика (С. ), т. е. C f (Сг, Се ). Такие конденсаторы дадут возможность создавать электрические модели различных материалов (устанавливая С пропорционально S) при различных окружающих условиях (задавая ei пропорциональное /(f™ ). Значения 5 и f для многих капиллярно-пористых материалов уже получены экспериментальным путем. По аналогии с известными гидроинтеграторами и электроинтеграторами полученную электрическую модель можно назвать «С-интегратором. Задание граничных влажностных режимов должно производиться путем подачи соответствующего напряжения на конденсаторы, обеспечивающие их заряд, величина которого должна быть пропорциональна задаваемому в данном слое влагосодерлсанию (с любым характером изменения). Последующее измерение зарядов всех конденсаторов после их перераспределения представит в электрическом подобии конечный результат установивщихся влагосодержаний всех слоев (после окончания процессов массопереноса}.

Можно также измерять напряжения на конденсаторах и, зная их емкость, вычислять заряд по формуле (5).

Предлагаемый способ дает возможность за короткий промежуток времени представить в электрическом подобии самые сложные процессы увлажнения и сушки.

Предмет изобретения

Способ электрического моделирования влажностного состояния капиллярно-пористых материалов и конструкций путем создания условий подобия электрического и моделируемого процессов, отличающийся тем, что, с целью получения электрических аналогий процессов увлажнения-сушки материалов и процессов заряда-разряда конденсатора, геометрическую емкость электродов конденсатора устанавливают пропорционально

структурной емкости материала, диэлектрическую проницаемость диэлектрика конденсатора устанавливают пропорционально увлажняемости материала в реальных условиях, и, прикладывая к электродам конденсатора напряжения, пропорциональные различным значениям потенциала массопереноса в реальных условиях, определяют заряд конденсатора, являющийся в электрическом подобии мерой влажности материала в моделируемых условиях.