Способ определения теплофизических параметров Советский патент 1980 года по МПК G01N13/00 

Изобретение относится к измерител ной технике, используемой в молекулярной физике и теплофизике, и предназначено для определения коэффициен термодиффузии газовых смесей при высоких температурах. Известны экспериментальные способ определения термодиффузионного разде ления газовых смесей, эак.гаочакяциеся измерении разности концентрации, воз никшей в газовой смеси при наличии в ней температурного градиента. Осно ными из них являются способ 2-х балонного аппарата, качающегося разделителя и термодиффузионной колонки. Полученные экспериментальные значения термодиффузионного разделения используют для расчета коэффициента термодиффузии по формуле D; . Р « - коэффициент взаимной ди )фузии газовых смесей; - термодиффузионная посте янная; v ) концентрации компоненто газовых смесей 1. Все эти способы относятся к стаци онарным, так как измерение разделения газовых смесей осуществляется при установившемся температурном градиенте, который создается либо непосредственно нагревом стенок сосуда, содержащего газовую смесь, либо нагретой проволокой. Отсюда следует ограниченность температурного диапазона известных способов определения коэффициента термодиффузии, так как нагревание смеси свыше 20000 К в известных способах определения термодиффузион.ного разделения не является возможным. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является Способ определения коэффициента теплопроводности газовых смесей при высоких температурах (1000 - 6000 К) с помощью ударной трубы 2. По этому способу в исследуемой газовой смеси, находящейся в камере низкого давления ударной трубы, создают ударную волну, распространяющуюся вдоль трубы и отражающуюся от торцовой стенки камеры, измеряют поле скоростей и поле температур, затем нд основе полученных результатов определяют коэффициент теплопр(1Тводности газовой смеси по формуле . -) х/ PVU Р где Т, Т,- температура торцовой стенки камеры низкого давления в начальный момент времени до прохождени ударной волны, и после отражения уда ной волны соответственно; Т,- темпе ратура исследуемого газа в средней ; части (в пространстве) камеры низког давления за отраженной ударной волной; р - плотность газа при температ ре Т, рассчитьтаемая по уровню состояния; Ср - удельная теплоемкость газовой смеси при постоянном давлени и температуре Л ,Р Cpvi/ - тепл проводность, плотность, теплоемкость материала торцовой стенки ударной трубы при температуре Т,,;. По этому способу воздействие удар ной волны на исследуемую смесь газов нагревает ее скачком в течение корот кого времени так, что температура стенок ударной трубы повышается незначительно (при Т 6000 К максимал ное изменение температуры стенок ударной трубы достигает г- 37) , что позволяет расширить температурный ди апазон исследования свойств газовых смесей. Однако по известног1у способу возможно определить лишь коэффициент теп лопроводности газов и газовых смесей Следует при этом заметить, что если в ударной трубе исследуется газовая смесь, то наряду с передачей тепла теплопроводностью под действием градиента температуры возникает также перенос массы вследствие эффекта тер мической диффузии и тем больше, чем вьиие температура. Цель изобретения - расширение функ циональных возможностей способа. Указанная цель достигается тем, чем дополнительно измеряют концентрацию газовой смеси за отраженной ударной волной в двух точках: у торцовой стенки в камере низкого давления ударной трубы и в средней ее части, и определяет коэффициент термодиффузии по формуле У i 7° V -1 г. .,-рсгде Х- коэффициент теплопроводности газовой смеси; р - плотность исследу емой газовой смеси в камере низкого давления при Ср - теплоемкость исследуемой газовой смеси; кон центрация первой компоненты газовой смеси у торцовой стенки за отраженно ударной волной; 1 - концентрация первой компоненты газовой смеси в средней части камеры низкого давлени за отраженной ударной волной; Т температура торцовой стенки низкого давления после отражения ударной волны; T,(j - температура газовой смеси в средней части камеры низкого давления за отраженной ударной волной, (х - х - величина разделения газовой смеси) , Предлагаемый способ кроме коэффициента теплопроводности позволяет определить коэффициент термодиффузии что расширяет возможности теплофизического эксперимента. На фиг. 1 представлена схема расположения датчиков в ударной трубе; на фиг. 2 - направление луча света, преломляемой трехгранной призмой. Рассмотрим устройство для определения коэффициента термодиффузии, реализующее предлагаемый способ в случае, когда в качестве датчиков концентрации газовой смеси используется трехгранная стеклянная призма с источником светового луча и фотоприемником. Устройство содержит ударную трубу 1 (фиг. 1), разделенную мембраной 2 на две камеры: камеру 3 высокого давления и камеру 4 низкого давления. В камере.- 4 низкого давления установлены датчики 5 поля температур и поля скоростей, соединенные с регистрирующим блоком, а также две трехгранные стеклянные призмы 7 и 8, причем призма 7 (фиг. 1 и 2) установлена в средней части камеры 4 низкого давления, а призма 8 - вблизи торцовой стенки 9 камеры 4 низкого давления. В этой же камере 4 установлены источники света 10 и 11 и фотоприемники 12 и 13, соединенные с регистрирующими блоками 14 и 15. Устройство, реализующее способ определения коэффициента термодиффузии при высоких температурах, работает . следующим образом. В стационарном состоянии исследуемая смесь газов в камере 4 низкого давления имеет некоторый,постоянный коэффициент преломления, отличающийся от коэффициента преломления стеклянной . Поэтому луч 16 света (фиг. 1 и 2), выходящий из источника 10 и падающий на поверхность призмы 7, преломляется и попгщает на фотоприемник 12 по пути, обозначенном сплосЬной линией. Аналогично ведет себя луч света, проходящий и через призму 8. С разрывом мембраны 2 (фиг. 1 в камере 4 низкого давления создается волна, которая распространяется вдоль ударной трубы 1, что фиксируется датчиком 5 поля скоростей, достигает торцовой стенки 9 и отражается. Воздействие ударной волны на исследуемую смесь газов нагревает ее скачком в течение короткого времени, что регистрируется блоком 6. Одновременно вблизи торцовой стенки 9 после отражения ударной волны создается значительный градиент температуры. Последний вызывает разделение газовой смеси в камере 4,вследствие чего изменяется концентрация смеси газов, приводящая к изменению коэффициента преломления газовой смеси. При этом угол преломления светового луча 16 (фиг. 2) призмой 7 изменяется и луч достигает фстоприемника 12 по одному из путей, обозначенных пунктиром. Фотоприемник 12, чувствительный к изменению положения светового луча вьдает сигнал на регистрирующий блок 14 (фиг. 1) . Аналогичный процесс происходит и с гучем света, проходящим через призму 8 . Таким образом, регистрирующие блоки 14 и 15 зарегистрируют величину изменения концентрации газовгй смеси блок 14 в средней части камеры 4, блок 15 вблизи торцовой стенки 9. Ра ница этих концентраций дает нам вели чину разделения газовой смеси при высокой температуре, т.е. х - ху которое используется для определения коэффициента термодиффузии по формуле (2) . В качестве датчика концентрации газовой смеси может,быть применен монохроматический луч лазера, включенного по схеме интерферометра. В этом случае в средней части камеры низкого давления и у торцовой стенки в противоположных сторонах боковой поверхности проделываются окна для прохождения светового луча. В качест ве регистрирующего блока может быть .использована скоростная кинокамера. Предлагаег-ий способ позволяет про проводить определение коэффициента термодиффузии при более высоких темп ратурах (1000 - 6000 К) по сравнению с известными способами и расширитьвозможности теплофизического экспери мента в сравнении с известным, а так же не требует специальной термод1 ффу зионной аппаратуры.

Ж

e

ж Формула изобретения Способ определения теплоЛизических параметров, включающий создание ударной волны в камере низкого давления ударной трубы, измерение поля скоростей, поля температур и определение коэффициента теплопроводности, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа, дополнительно изеряют концентрацию газовой смеси за отраженной ударной волной в двух точках: у торцовой стенки в камере низкого давления ударной трубы и в средней ее части, и определяют коэффициент термодиффузии по формт,ле -.TC.O v ч .)-fc, где X- коэффициент теплопроводности газовой смеси; f - плотность исследуемой газовой смеси в камере низкого давления; С - теплоемкость исследуемой газовой смеси; концентрация первой компоненты газовой смеси у торцовой стенки за отраженной ударной волной; 3j концентрация первой компоненты газовой смеси в средней части камеры низкого давления за отраженной ударной волной; Т - температура торцовой стенки камеры низкого давления после отражения ударжой волны; температура газовой смеси в средней части камеры низкого давления за отраженной ударной волной. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Грю К.Э., Иббс Г.Л. Термическая диффузия в газах . ГИТТЛ, М., 1956,с. 57. 2.Cofctins b.J. , Grcif R., Bryson .A.E. -J, Heat Mass. Transfer 8.,1209, 1965 Сррототип) .