Устройство для определения теплопроводности жидкостей и газов Советский патент 1982 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использованб для определения теплопроводности жидкостей или газов, Известно устройство для определения, теплопроводности жидкостей или газов, содержащее два коаксиально расположенных медных цилиндра, приче внутренний цилиндр снабжен- нагревателем, смонтированным по его оси, и отделен от наружного зазором в 0,3м в. который помещают .исследуемое , вещество. Дляизмерения перепада температур на слое исследуемого вещест ва использованы три дифференциальные термопары, включенных последовательно по электрическому сигналу, горячие спаи которых расположёны на наружной поверхности внутреннего цилиндра. Устройство в собранном виде устанавливают в строго определенном положении в термостате. Принцип работы основан на том, что при заданной температуре жидкости и постоянной мощности нагревателя разност температур, измеряемая дифференциальными термопарами, однозначно связана с теплопроводностью исследуемог вещества Х f( Д t) при постоянной мощности, подводимой к калоримет рическому телу. Вид этой зависимости определяют градуировкой устройства по жидкостям с известными коэффициентами теплопроводности {. Недостатками устройства являются необходимость в измерении малых термоэдс термопар (5 - 10 мкВ), а также требование высокой точности определения и поддержания мощности нагревателя и температуры проведения экспериментов. Известно также устройство для определения теплопроводности, содержащее два идентичных измеритель-ных блокаг каждый из которых оснащен термостатирукяцей камерой, выполненной в виде плоского проточного теплообменника, на поверхности которой установлен тепломер с датчиками температуры поверхности образца, систему термостатиррвания и измерительную схему. Система термостатирования состоит из двух термостатов , каждый из которых подключен к своей термостатируембй камере, причем температуры термостатирования камер не равны между собой. Исследуемое вещество помещают в пластиковый пакет и зажимают между двумя измерительными блоками так, чтобы стенки пакета по всей поверхности контакти ровали с тепломерами 2. Недостатками эгого, устройства является необходимость в измерении малых разностей температур, а также неопределенность и нестабильность термического сопротивления контакта пластикового пакета с поверхностью тепломеров и необходимость проведения дополнительных опытов дл определения термического сопротивле ния пакета.. Кроме того, значительное различи в сигналах тепломеров и термопар требует для их измерения применять разные вторичные приборы, Наиболее близк им к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения коэффициен та теплопроводности жидкостей или газов, содержащее нагреватель и холодил,ьник, в данном случае охлаждае мую естественной конвенцией высокотеплопроводную пластину, между кото рыми установлены тепломеры с заданными термическими сопротивлениями, выполненные в виде плоских пластин, и расположена ячейка для иссле дуемого вещества, образованная поверхностью одного из тепломеров и профилированной пластиной из высоко теплопроводного материала, причем один из тепломеров установлен в кон такте с нагревателем и холодильником, а другой - с нагревателем и исследуемой средой. Для определения коэффициента теп лопроводности исследуемой среды уст ройство погружают непосредственно в эту среду, включают электронагрева тель и после наступления стационарного теплового режима регистрируют термоэдс тепломеров, а коэффициент теплопроводности рассчитывают по выведенным формулам. Эта конструкция исключает необходимость измерения малых разностей температур, а.высокая чувствительность теМпломеров позволяет измерять термоэдс с малыми погрешно тями. Метод позволяет применить делитель напряжения, шкала которого проградуирована непосредственно единицах теплопроводности 3. Недостатком этого устройства является большая продолжительность: быхода на стационарный тепловой режим из-за того,что отвод тепла от охлаждаемой пластины,служащей холодильником, осуществляется естествен ной конвекцие.й. Неодномерность температурного по в ячейках с исследуемой средой ввид того, что температура двух перпенди кулярно расположенных поверхностей, ограничивающих объем ячейки, одинакова, создает предпосылки к возникновению конвективных токов, за счет чего резко снижается точность определения коэффициента теплопроводности. Кроме того, в устройстве сложно проводить очистку ячейки от исследуемой жидкости и уход за ее поверхностями. Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения теплопроводности жидкостей и газов, содержащем нагреватель и холодильник , между которыми расположены тепломеры, выполненные в виде плоских пластин и ячейка для исследуемого вещества, а также измерительную схему, тепломер, контактирующий с нагревателем,снабжен датчиком температуры, выполнен со сквозным центральным отверстием и смонтирован на пластине из высокотеплопроводного материала, укрепленной на тепломере, контактирующем с холодильником, при этом нагреватель выполнен съемным, а ячейка для исследуемого вещества образована поверхностью нагревателя, поверхностью пластины и внутренней боковой поверхностью тепломера, расположенного между ними, и снабжена сосудом с капилляром, , соединенным с ней. На фиг, -L представлена схема уст-, ройства; на фиг, 2 - график зависимости между отношением теплопро . водности (вещества и тепломера) и отношением измеряемых тепломерами плотностей теплового потока для разных значений отношений их площадей. Устройство для определения теплопроводности жидкости или газа (фиг. Г) содержит тепломеры 1 и 2, смонтированные между холодильником 3 и съемным нагревателем 4, в качестве холодильника 3 могут быть использованы проточный теплообменник или термоэлектрическая батарея, реализующая эффект Пельтье, Тепломер 2 выполнен со сквозным отверстием по . центру и смонтирован на пластине 5 из высокотеплопроводного материала (серебра, меди, алюминия), установлeннQй на поверхности тепломера 1. Для определения средней температуры исследуемого вещества в центре по толщине тепломера 2 вмонтирован датчик б температуры. Для компенсации температурного расширения исследуемого вещества ячейка 7, образован- ная поверхностью нагревателя. 4, боковой поверхностью тепломера 2 и поверхностью пластины 5, соединена капиллярной трубкой 8 с сосудом 9, Герметизация рабочей части устройства осуществляется уплотнительной прокладкой 10, имеется штуцер 11, Для заполнения рабочей ячейки -исследуемым веществом устройство снабжено дренажньоми каналами 12, а для удал ВИЯ избытка жидкости из охранных полостей - каналами 13. Устройство работает следующим образом. Для определения теплопроводност жидкостей (особенно вязких) при сн том нагревателе 4 в ячейку 7 заливают исследуемое вещество так,.что бы жидкость полностью заполняла объем ячейки и поступила в сосуд 9 после- чего устанавливают нагревателЬ 4 и прижимают его с усилием к поверхности тепломера 2. Избыток жидкости, попавшей в охранные поло ти, удаляется с помощью дреиажных к йалов 13. После сборки устройства с помощью нагревателя 4 и холодильн ка 3 обеспечивают необходимый темпе ратурный перепад, выбранный исходя из условия GrP 1000, который ко ролируют тепломером 2. После наступ ления стационарного теплового режима измеряют термрэдс тепломеров и 2 и термопары. При;необходимости Исследования температурной зависимости коэффициента теплопроводности испытуемого вещества по окончании замеров изменяют температурный уро вень термостатированйя холодильника 3. Температурное расширение вещества устраняется прк этом благодаря наличию капилляра 8 и сосуда 9 . Для определения теплопроводности газов устройство предварительно собирают и испытывают на герметичность по уплотнительной прокладке 10. После чего к каналу штуцера 11 подключают вакуумметр (не показан) , к каналу 12 - вакуум-насос, а к каналу 13 - баллон с исследуемым газом. При перекрытом канале 1 t из полостей устройства удаляют имею щийся в них воздух и, отключив вакуум-насос, открывают канал 13 и подают в полость исследуемый газ. Операцию откачка- наполнение повторяют 3 - 4 раза, после чего при пе рекрытом канале 12 заполняют рабочуй ячейку исследуемым газом, контролируя его давление по вакуумметр Измерения проводят по Методике для жидкости. Коэффициент теплопроводности рас сч тывают по формуле: 1 ,Г ,K(,) ()J (1) полученной из решения следующей сис темы уравнений: (F - Fj) где F и F - площади тепломеров 1 и 2; q,q и q - плотности теплового по тока, проходящего через тепломеры и исследуемое вещество; и X коэффициенты теплопррводности тепломера 2 и исследуемого веи ества; h h - толщина исследуемого слоя вещества или величина зазора между поверхностями нагревателя 4 и пластины 5; К и К - рабочие коэффициенты тепломеров 1 и 2; е. и термоэдс тепломеров 1 и 2. Из анализа формулы (1) следует, что величина отношения сигналов соответствующая определенному значению коэффициента теплопроводности вещества, зависит от значения величины XT К и К -i , Е, и . График зависимости Л/Лт f(q.f/qq.f ) приведен на фиг. 2. Из анализа формулы (1) следует, что с уменьшением отношения F /F2. угол наклона линий уменьшается и стремится к величине . При конструировании устройств необходимо учитывать это но соблюдать условие, чтобы ширина стенок тепломера 2 была не меньше ЮЬтТак как величины К и K/j, F и FJL, /L- и h- являются постоянным для каждого конкретного устройства, тоv формула (1) может быть записана в виде: Д. А В, (3) где А и В - константы каждого конкретного устройства, определяющиеся путем градуировки -по эталонным веществам. При исследовании температурной зависимости коэффициента теплопроводности вещества Д необходимо учитывать изменение коэффициента теплопроводности тепломера 2 с изменением его температуры: д (Aei/ea- В) {1 C(t - to) , (4) где С - коэффициент, учитывающий зависимость теплопроводности тепломера 2 от температуры, полученный экспериментально при опытах с эталонными материалами t-- температура при которой определяются константы (обычно комнатн ая или ОС); t - температура тепломера 2, измеренная датчиком б температуры. Устройство обладает более высокой точностью за счет расположения тепломеров, при котором тепломер 2 и исследуемое вещество расположены между параллельными изотермическими поверхностями, что обеспечивает од1номерность температурного поля слоя исследуемого вещества. Применение выcoкoчyвcтвитeJiьныx тепломеров поз воляет отказаться от измерения малых разностей температур и проводит исследования при мальрс градиентах температур на слое при сохранении высокой точности измерения электрических сигналов. Наличие компенсационного сосуда в устройстве позволяет предотвратить отрыв жидкости от поверхности нагревателя при пони жении температуры исследования. Это позволяет снизить относительную погретаность измерений до 1/8 % и проводить исследования в течение 10 15 мин. Объемныйнагреватель позвол ет упростить уход за устройством, ;облегчить доступ к рабочей ячейке и повысить точность результатов за счет исключения попадания посторонних примесей в исследуемое вещество Формула изобретения Устройство для определения теп1лопроводности жидкостей и газов, I содержащее нагреватель и холодильник, между которыми в контакте расположены тепломеры, выполненные в виде плоских пластин, и ячейка для исследуемого вещества, а также измерительную схему, отличающееся тем, что,.с целью повышения точности определения, тепломер, контактирующий с нагревателем, выполнен со сквозным центральным отверстием, снабжен датчиком температуры и смонтирован на Пластине из высокотеплопроводного материала, контактирующей с холодильником, при этом нагреватель выполнен съемным, а ячейка для исследуемого вещества образована поверхностью нагревателя, поверхностью пластины и внутренней боковой поверхностью тепломера, расположенного между нагревателем и пластиной, снабжена сообщенньпл с ней сосудом с капилляром. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Амирханов X.И,, Адамов А.Г. и др. Теплопроводность углекислоты вдоль пограничной кривой, включая, область критического состояния.Тепло- и массоперенос-1 , Минск, т. 1, с. 105 - 108. 2 Авторское свидетельство СССР № 347643, КЛ. G 01 N 25/18, 1970. 3. Авторское свидетельство СССР 262439, КЛ. G 01 N 25/18, 1963 (прототип).,