УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКИХ СРЕД

Полезная модель относится к области теплофизических исследований и может быть использована для определения теплофизических характеристик жидких сред: коэффициентов теплопроводности и температуропроводности.
Известно устройство для определения теплофизических характеристик материалов, включающее исследуемый образец, нагреватель для разогрева образца и измеритель температуры (см. В.А.Осипова. Экспериментальное исследование процессов теплообмена, Москва, изд. «Энергия», 1969 г., стр.186). Недостатком данного устройства является невозможность определения теплофизических характеристик жидких сред.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для определения теплофизических характеристик жидких сред, включающее измерительную ячейку (капсулу), плоский нагреватель, расположенный на одной из поверхностей измерительной ячейки и измеритель температуры, установленный на противоположной от плоского нагревателя стороне (см. Платунов Е.С. и др. Теплофизические измерения и приборы, Ленинград, изд. «Машиностроение», 1986 г., стр.198-199). Недостатком указанного устройства является низкая точность определения теплофизических характеристик жидких сред. Дело в том, что при нагреве измерительной ячейки, в которой находится исследуемая жидкая среда, в последней за счет разности температуры по толщине жидкой среды происходят конвективные явления, то есть жидкая среда начинает двигаться и перемешиваться. Это существенно снижает точность определения ее теплофизических характеристик, так как математическая модель подразумевает неподвижность жидкой среды.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности определения теплофизических характеристик жидких сред.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для определения теплофизических характеристик жидких сред, включающем измерительную ячейку, плоский нагреватель, расположенный на одной из поверхностей измерительной ячейки и измеритель температуры, установленный на противоположной от плоского нагревателя стороне, измерительная ячейка выполнена из дисперсного низкотеплопроводного материала. В качестве этого материала может быть использован материал на основе супертонких кварцевых волокон. Из дисперсного низкотеплопроводного материала вырезается ячейка и ее пропитывают исследуемой жидкой средой путем помещения ячейки в эту среду.
Измерительная ячейка в этом случае состоит на 95-98% из исследуемой жидкой среды, а 2-5% составляет каркас ячейки. За счет сил молекулярного сцепления жидкая среда принимает форму измерительной ячейки, а разветвленная структура дисперсного материала полностью исключает конвекцию в жидкой среде при ее нагреве, что обеспечивает точность определения теплофизических характеристик жидких сред. В качестве низкотеплопроводного дисперсного материала может быть использован материал на основе супертонких кварцевых волокон. Такой материал может нагреваться практически до любых необходимых для исследования температур без изменения его геометрических размеров. Дело в том, что коэффициент линейного термического расширения кварца практически равен нулю. Это обеспечивает постоянство геометрических размеров измерительной ячейки при ее нагреве, что в свою очередь дает возможность повысить точность определения теплофизических характеристик жидких сред.
На фигуре представлено заявляемое устройство со следующими обозначениями:
1 - тепловая изоляция;
2 - плоский нагреватель;
3 - измерительная ячейка;
4 - измеритель температуры.
Устройство состоит из оболочки в виде тепловой изоляции 1, внутри которой размещен плоский нагреватель 2. На плоском нагревателе 2 установлена измерительная ячейка 3 из дисперсного низкотеплопроводного материала. На противоположной от нагревателя стороне измерительной ячейки 3 установлен измеритель температуры 4 в виде термопары или термометра сопротивления.
0
макс
Процесс определения теплофизических характеристик жидких сред осуществляется следующим образом. Измерительную ячейку 3 заполняют исследуемой жидкой средой. На плоский электрический нагреватель 2 подают напряжение U в течение времени τ, обеспечивая заданный тепловой импульс, а на противоположной стороне измерительной ячейки при помощи измерителя 4 определяют максимум температуры и время его достижения τ. Тогда температуропроводность α и теплопроводность λ жидкой среды определяются по известным формулам:
где: C, ρ - теплоемкость и плотность жидкой среды;
δ - толщина измерительной ячейки;
макс.
A - коэффициент, зависящий от величины τ и условий теплообмена ячейки с окружающей средой.
Величина теплопроводности λ, полученная по вышеприведенной формуле, включает в себя как теплопроводность по каркасу дисперсного материала, так и по исследуемой жидкой среде. Однако, учитывая низкую теплопроводность дисперсного материала, величина которой на два порядка меньше теплопроводности жидкой среды, теплопроводность каркаса дисперсного материала не вносит существенной погрешности в определение теплофизических характеристик исследуемой жидкой среды. При необходимости эта погрешность может быть сведена практически к нулю за счет учета величины теплопроводности каркаса дисперсного материала, из которого изготовлена измерительная ячейка. Теплопроводность по каркасу дисперсного материала определяется экспериментально в условиях вакуума.
Изготовление измерительной ячейки из материала на основе супертонких кварцевых волокон (диаметр волокна 1-3 микрона) обусловлено его высокой пористостью (до 98%), неизменностью геометрических размеров при нагреве, а также малой теплопроводностью по каркасу (не более 0,015 Вт/мК).
Предлагаемое устройство было апробировано при определении теплопроводности воды при температуре +20 градусов Цельсия. Табличное значение теплопроводности воды при этой температуре составляет 0,599 Вт/мК, а величина теплопроводности, полученная на предлагаемом устройстве - 0,609 Вт/мК. Погрешность искомой характеристики не превышает 2%, что является очень хорошим результатом.