УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВОЙСТВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Полезная модель относится к средствам исследования материалов с помощью тепловых средств и может быть использована для определения температур помутнения, застывания и кристаллизации многокомпонентных жидкостей, в частности, продуктов нефтепереработки, растительных масел…
Известно устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей по патенту РФ №2183323, G01N 25/04, содержащее корпус, в котором установлены соединенные с источниками постоянного тока два термоэлектрических модуля. Первый модуль имеет тепловой контакт с кюветой для размещения исследуемой многокомпонентной жидкости и соединен с регулируемым источником тока. Горячие спаи второго термоэлектрического модуля снабжены системой принудительного воздушного охлаждения. Термоаккумулирующий элемент установлен с обеспечением теплового контакта с обоими термоэлектрическими модулями. Кювета снабжена измерительным преобразователем температуры и волоконно-оптическим датчиком оптического пропускания исследуемой жидкости, подключенные к входу устройства регистрации, выход которого соединен с входом устройства управления регулируемым источником тока.
T
T
Термоаккумулирующий элемент известного устройства выполнен в виде металлической пластины конечной толщины h и массой M, Масса M определяет максимальную термоаккумулируемую энергию, а толщина h определяет при заданной площади 5 тепловое сопротивление R термоаккумулирующего элемента. Для металла с теплопроводностью λ тепловое сопротивление будет равно: R=h/λ·S [град/ватт].
T
Тепловое сопротивление R в процессе охлаждения кюветы создает градиент температуры в несколько градусов по толщине h, что уменьшает эффективность работы первого термоэлектрического модуля и, как следствие, ограничивает получение максимально низких температур кюветы с пробой жидкости. Это обстоятельство существенно затрудняет исследование низкотемпературных свойств авиационных керосинов, арктических дизельных топлив.
Техническая задача полезной модели состоит в том, чтобы обеспечить анализ низкотемпературных свойств жидкости до более низких температур путем уменьшения теплового сопротивления термоаккумулирующего элемента с сохранением его термоаккумулирующих свойств.
Поставленная задача решена заявляемой полезной моделью.
Заявляется:
Устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей, содержащее корпус, в котором установлены соединенные с источниками постоянного тока два термоэлектрических модуля, из которых первый модуль имеет тепловой контакт с кюветой для размещения исследуемой жидкости и соединен с регулируемым источником тока, а горячие спаи второго термоэлектрического модуля снабжены средством теплоотвода, термоаккумулирующий элемент выполнен из материала, обладающего высокими теплопроводностью и теплоемкостью, и установлен с обеспечением теплового контакта с обоими термоэлектрическими модулями, при этом кювета снабжена измерительным преобразователем температуры и волоконно-оптическим датчиком оптического пропускания исследуемой жидкости, подключенные к входу устройства регистрации, выход которого соединен с входом устройства управления регулируемым источником тока, отличающееся тем, что в объеме термоаккумулирующего элемента выполнены герметичные цилиндрические полости с образующими вдоль направления между термоэлектрическими модулями, полости заполнены капиллярно-пористой средой и частично заполнены жидкостью с низкой температурой кристаллизации, В качестве такой жидкости можно применить этиловый спирт или бензин. Как и в прототипе, термоаккумулирующий элемент выполнен из меди или алюминия, и его масса M определяется задаваемой термоаккумулирующей энергией. Средство теплоотвода второго модуля может быть выполнено в виде принудительного воздушного или водяного охлаждения.
Полезная модель поясняется фигурой 1, на которой представлена схема устройства для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей, и фигурой 2 (выноска части изображения фиг. 1), поясняющая выполнение цилиндрических полостей и их функционирование.
В корпусе 1, имеющем крышку 2, установлен первый термоэлектрический модуль 3 на основе элементов Пельтье, который подключен к источнику тока 4, регулируемому по знаку и по величине. Холодные спаи термоэлектрического модуля 3 имеют тепловой контакт с кюветой 5, которая снабжена измерительным преобразователем температуры 6 и датчиком 7 температурно-зависимого физического параметра, например, в виде волоконно-оптического датчика оптического пропускания. Выходы преобразователя 6 и датчика 7 подключены к входу устройства регистрации 8, выход которого соединен с устройством 9 управления регулируемым источником тока 4. Второй термоэлектрический модуль 10 подключен к нерегулируемому источнику тока 11. Для охлаждения горячих спаев термоэлектрического модуля 10 применено принудительное воздушное охлаждение, например вентилятор 12 (в стационарных условиях может быть применено водяное охлаждение]. Термоаккумулирующий элемент 13 размещен между модулями 3 и 10 и имеет тепловой контакт с горячей гранью первого термоэлектрического модуля 3 и с холодной гранью второго термоэлектрического модуля 10. Термоаккумулирующий элемент 13 выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например, из меди или алюминия.
В объеме термоаккумулирующего элемента 13 выполнены параллельно расположенные герметичные цилиндрические полости 14 круглого или прямоугольного сечения с образующими вдоль направления 15 между термоэлектрическими модулями. Толщина металлических стенок δ между полостями значительно меньше толщины h термоаккумулирующего элемента. Полости заполнены капиллярно-пористой средой 16, например, в виде асбестовых или проволочных фитилей как в известных тепловых трубках, и частично заполнены жидкостью 17 с низкой температурой кристаллизации. В качестве такой жидкости можно применить этиловый спирт или бензин с температурой кристаллизации ниже минус 50 ÷ минус 90°C.
Процесс анализа низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей осуществляется следующим образом.
Микродозу 0,15÷0,2 мл исследуемой жидкости 14 помещают в кювету 5 и включают в работу термоэлектрические модули. Холодные спаи термоэлектрического модуля 10 в течение всего цикла анализа охлаждает термоаккумулирующий элемент 13. Работа термоэлектрического модуля 3 зависит от соотношения начальных заданных условий проведения анализа и температуры жидкости, заливаемой в кювету. Если в момент заливки в кювету жидкость имеет температуру выше заданных начальных 18÷20°C, устройство регистрации 8 по сигналу измерительного преобразователя температуры 6 подает команду в устройство управления 9, и для термоэлектрического модуля 3 устанавливается ток такой полярности, чтобы в тепловом контакте с кюветой 5 находились его холодные спаи, и начинается процесс охлаждения жидкости до +20°C. Если заливаемая жидкость имеет температуру ниже 20°C, то соответственно полярность тока через термоэлектрический модуль 3 такова, что в тепловом контакте с кюветой находятся горячие спаи и происходит подогрев жидкости до +20°C.
Одновременно с нагревом кюветы и поддерживании начального заданного значения температуры жидкости осуществляется встречное охлаждение термоаккумулирующего элемента 13. После достижения минимальной температуры термоаккумулирующего элемента 8 (≈ минус 15 ÷ минус 40°C) начинается равномерное охлаждение кюветы с жидкостью. Такой режим обеспечивается соответствующим регулированием величины тока через первый термоэлектрический модуль 3 посредством цепи обратной связи: измерительный преобразователь температуры 6 - устройство регистрации 8 - устройство управления 9 - регулируемый источник тока 4. Скорость охлаждения кюветы с жидкостью определяется с одной стороны требуемой точностью измерения температуры и чувствительностью преобразователя 6. Чем меньше скорость охлаждения, тем точнее может быть определено начало помутнения и кристаллизации жидкости. С другой стороны скорость охлаждения ограничивается временем, рассчитанным на один цикл измерения. Оптимальное время измерения зависит от теплоемкости элемента 13 и его тепловой постоянной времени. Для достижения больших отрицательных значений температуры кюветы (≈ минус 70°C) параметры термоаккумулирующего элемента 13 рассчитывают таким образом, чтобы за весь цикл анализа обеспечить минимальное изменение температуры горячих спаев термоэлектрического модуля 3.
Момент начала кристаллизации фиксируется с помощью волоконно-оптического датчика 7 оптического пропускания жидкости. Причем датчики 6 и 7 расположены в одной изотермической зоне. После достижения минимальной температуры кюветы с жидкостью путем регулирования тока через первый термоэлектрический модуль 3 осуществляется равномерный нагрев жидкости со скоростью, определяемой вышеназванными ограничениями. Данные анализа низкотемпературных свойств жидкости снимают как при охлаждении, так и при равномерном нагреве кюветы. Устройство регистрации может быть выполнено на основе микропроцессора, который с помощью программы обработки данных позволяет выводить на индикатор все показатели процесса исследования многокомпонентных жидкостей (температуру, время, величину оптического пропускания, номер анализа, код оператора и т.д.).
Полости 14, заполненные капиллярно-пористой средой 16 и жидкостью 17, работают следующим образом. Жидкость 17 за счет капиллярных эффектов распределяется по всему объему капиллярно-пористой среды 16. При охлаждении кюветы с пробой горячая грань термоэлектрического модуля 3 нагревает находящуюся с ней в тепловом контакте грань термоаккумулирующего элемента 13. Жидкость 17, прилегающая к этой грани элемента 13, испаряется и в виде пара через капиллярно-пористую среду 16 поступает в область грани термоаккумулирующего элемента 13, находящуюся в тепловом контакте с холодной гранью термоэлектрического модуля 10, где и конденсируется снова в жидкую фазу. Процессы испарения и конденсации жидкости 17 в полостях 14 обеспечивают эффективный перенос тепла от более нагретых областей термоаккумулирующего элемента 13 к его более холодным областям, что приводит к существенному уменьшению теплового сопротивления элемента 13 и получению более низких температур кюветы с пробой в режиме ее охлаждения при достаточно малой толщине δ металлических стенок между полостями 14.
Благодаря выполнению термоаккумулирующего элемента с цилиндрическим полостями:
1) достигнуто уменьшение теплового сопротивления термоаккумулирующего элемента с сохранением его термоаккумулирующих свойств, что позволило осуществить анализ низкотемпературных свойств жидкости до более низких температур (минус 90°C);
1) в режиме двухкаскадной работы модулей обеспечивается эффективная работа модуля 3, контактирующего с кюветой, при этом для горячих спаев модуля 10 достаточно воздушного охлаждения, что предпочтительно при автономном использовании устройства в полевых условиях;
2) расширенный диапазон низких температур дает возможность определения криоскопических точек для жидкостей с неизвестными характеристиками в широком диапазоне температур, в частности, для нефтепродуктов как многокомпонентных жидкостей, не имеющих точно определенных криоскопических температур;
3) повысилась точность определения низкотемпературных свойств жидкости.
4) обесапечивается оперативность исследования, т.к. анализ большого числа разнородных жидкостей не требует переналадки и настройки измерительной схемы.