УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННЫХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ПОРИСТЫХ ТЕЛ
DEVICE FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY OF POROUS BODIES FLUID-SATURATED UNDER PRESSURE

Изобретение относится к способам измерения теплофизических свойств веществ при температурах до 500 K и давлениях до 100 МПа, и может быть использовано в геофизике для оценки глубинных тепловых полей, процессов мембранного разделения в химической промышленности и других отраслях.
Аналог предлагаемого устройства представлен в работе Курбанова А.А. Теплопроводность газо- водо- и нефтенасыщенных горных пород в условиях моделирующих глубинные залегания пластов // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. С.107-112. Устройство реализует стационарный метод плоского слоя. Давление до 150 МПа на исследуемый образец создается в термостатированном автоклаве, заполненном передающей давление жидкостью. При этом в автоклав помещается также электрический нагреватель, создающий тепловой поток, холодильник, термопары для измерения разности температур нагревателя и холодильника и абсолютной температуры опыта, система компенсации и измерения потерь тепла нагревателя. Это требует использования сложных устройств герметизации входящих в автоклав измерительных коммуникаций, приводит к возникновению дополнительных погрешностей из-за неконтролируемого теплопереноса через коммуникации и механического воздействия давления на материал термоэлектродов.
Прототип предлагаемого устройства описан в работе Эмирова С.Н. Экспериментальное исследование теплопроводности полупроводников и горных пород при высоких давлениях и температурах: дис. … докт. техн. наук. - Махачкала, 1997. - 306 с. Отличается от аналога тем, что давление до 350 МПа на образец создается газом (аргоном). В прототипе использована более совершенная методика учета погрешностей измерения теплопроводности, но основные недостатки аналога сохранились. Кроме того прототип требует использования сложного компрессорного оборудования и взрывоопасен. И аналог и прототип устройства труднореализуемы из-за необходимости поддержания высокого давления в достаточно большом объеме.
Техническая задача изобретения - измерение теплопроводности флюидонасыщенных пористых тел при температурах от 200 до 500 K и давлении до 100 МПа с погрешностью не хуже 3%.
Для решения технической задачи изобретения предлагается сделать нагреватель 2 и холодильник 3 конструктивными силовыми элементами измерительной ячейки устройства (фиг.1), реализующего стационарный метод плоского слоя. При этом давление создается только в объеме цилиндрического образца 1, а измерительные термопары 6 и 7 и электрический нагреватель 5 оказываются разгружены от давления, что значительно упрощает аппаратурное оформление опыта и повышает его точность за счет снижения неконтролируемых переносов тепла и исключения влияния давления на термоЭДС измерительных термопар.
Технический результат изобретения - повышение точности определения теплопроводности флюидонасыщенного под давлением пористого образца.
Для осуществления изобретения предлагается устройство (фиг.1) состоящее из цилиндрической обечайки 4, изготовленной из нержавеющей хромоникелевой стали со сравнительно низкой теплопроводностью. Днища 2 и 3 изготавливаются из прокатной меди с высокой теплопроводностью и являются одновременно нагревателем и холодильником образца 1. При диаметре образца d=30 мм и его длине l=20 мм толщина стенок обечайки и днищ должна быть не менее 10 мм. В одно из днищ в радиальное сквозное отверстие помещается электрический нагреватель 5. Для измерения температуры днища 2 (нагревателя) и днища 3 (холодильника) используются термопары 7 и 6, помещенные в радиальные глухие отверстия. В обечайку 4 вварена трубка 9 через которую образец 1 вакуумируется, а затем насыщается исследуемым флюидом под давлением.
Устройство работает следующим образом. Между днищем и обечайками помещаются прокладки 8 из пластичного материала (отожженная медь, фторопласт и т.д.), что обеспечивает надежный тепловой контакт нагревателя 2, холодильника 3 с образцом 1. Конструкция стягивается шпильками 10 и помещается в термостат. Теплота Q, выделяемая электрическим нагревателем 5 создает тепловые потоки:
1
2
пот1
пот2
пот3
Q=UI=Q+Q+Q+Q+Q
где
U - напряжение;
J - сила тока;
1
Q - тепловой поток через образец 1;
2
Q - тепловой поток через обечайку 4;
пот1
Q - осевой поток неконтролируемых потерь тепла от нагревателя;
пот2
Q - радиальный поток неконтролируемых потерь тепла от нагревателя;
пот3
Q - радиальный поток неконтролируемых потерь тепла от обечайки.
2
пот1
пот2
пот3
1
2
1
0
Для учета тепловых потоков Q, Q, Q и Q предварительно выполняют тарировку устройства без образца 1 при температуре от 200 до 500 K и фиксированной разности температур нагревателя и холодильника T-T. При этом полость для образца 1 вакуумируется через трубку 9, а ее внутренние поверхности предварительно полируются. Таким образом, тепло в полости 1 не передается ни теплопроводностью, ни конвекцией, ни излучением т.е. Q=0 и характер зависимости Q=F(T) определяется только изменением теплопроводностей материала обечайки 4 и теплоизолирующего материала вокруг устройства в рабочем температурном интервале от 200 до 500 K.
Температура опыта:
<mrow><mi>Т</mi><mo>=</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mi>м</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Т</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
где
0
0
0
2
пот1
пот2
пот3
1
2
Q=UI=Q+Q+Q+Q - количество тепла, необходимого в опыте без образца для поддержания фиксированной разности T-T для текущей T;
терм.
Т - температура в термостате;
1
T - температура нагревателя, измеренная термопарой 7;
2
T - температура холодильника, измеренная термопарой 6.
0
1
1
2
После определения зависимости Q=F(T) в устройство помещается образец 1 через который устанавливается тепловой поток Q. Это приводит к охлаждению нагревателя 2 и нагреву холодильника 3. Следовательно, для поддержания фиксированной разности T-Т к электрическому нагревателю 5 необходимо подвести дополнительно:
1
0
0
0
Q=Q-Q=UI-UI
Тогда для текущей T и порового давления P получаем рабочую формулу:
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>U</mi><mi>I</mi><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>l</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>S</mi></mrow></mfrac></mrow>
где
l - длина образца 1, м;
2
S - площадь поперечного сечения образца, м;
λ - теплопроводность образца, Вт/м·К.
Фиг.1: Принципиальная схема устройства.
1 - образец; 2 - днище (нагреватель); 3 - днище (холодильник); 4 - цилиндрическая обечайка; 5 - электрический нагреватель; 6 - термопара холодильника; 7 - термбпара нагревателя; 8 - прокладки из пластичного материала; 9 - трубка для вакуумирования и создания порового давления в образце; 10 - шпильки.