Установка для комплексного измерения параметров жидкостей

Полезная модель  относится к измерениям теплофизических и электрофизических параметров жидких веществ и предназначена для использования при лабораторных исследованиях теплофизических - изобарной удельной теплоемкости, коэффициента теплопроводности, и электрофизических - удельной электропроводимости, диэлектрической проницаемости, параметров жидких теплоносителей.
Известен способ и устройство для определения теплопроводности (метод коаксиальных цилиндров), содержащее два коаксиально расположенных цилиндра, причем внутренний цилиндр снабжен нагревателем и отделен от наружного зазором определенного размера, в который помещают исследуемое вещество [1]. Для измерения перепада температур на слое исследуемого вещества используется дифференциальные термопары, горячий спай которых расположен на наружной поверхности внутреннего цилиндра, холодный спай на внутренней поверхности наружного цилиндра. Принцип работы основан на том, что при заданной температуре жидкости и постоянной мощности нагревателя разность температур, измеряемая дифференциальной термопарой, однозначно связана с теплопроводностью исследуемого вещества λ=f(Δt). Вид этой зависимости определяют градуировкой устройства по жидкостям с известными коэффициентами теплопроводности.
Также известны способы и устройства комплексного измерения теплофизических параметров, способы и устройства измерения электропроводимости и диэлектрической проницаемости жидкостей. Наиболее близким к предлагаемой установке, по технической сущности, является способ комплексного измерения теплофизических параметров жидкостей или газов [2]. Установка содержит коаксиально расположенные цилиндры, причем на оси внутреннего цилиндра установлен нагреватель. Недостатком является то, что на данной установке определяется только один параметр жидкости или газа - теплопроводность.
Цель заявленного изобретения заключается в упрощении конструкции и расширении функциональной возможности установки, а именно измерение коэффициента теплопроводности, изобарной удельной теплоемкости, удельной электропроводимости и диэлектрической проницаемости на одной установке.
Цель достигается тем, что коаксиально расположенные цилиндры сверху и снизу разделены электроизоляционным материалом, дающим возможность использования цилиндров в качестве электродов при измерении электрофизических параметров. На верхнем изоляторе имеется отверстия для ввода жидкости и дренажное отверстие, а также зазор, где расположены спаи дифференциальной термопары, для измерения теплопроводности, на нижнем изоляторе имеется устройство для слива жидкости.
Установка для комплексного измерения теплофизических и электрофизических параметров жидких теплоносителей представлены на фиг. 1, 2, 3, 4, где
фиг. 1 - общий вид (сечение со схемой электроизмерений);
фиг. 2 - поперечное сечение;
фиг. 3 - вид II (схема фиксирующего замка);
фиг. 4 - вид I (схема расположения выемки, обеспечивающая наименьший зазор между термопарами).
1
2
3
1
2
3
Обозначения: 1 - внутренний цилиндр (трубчатый электронагреватель, 2 - нагревательный элемент (нихромовая спираль), 3 - изолятор-наполнитель, 4 - цилиндрический электрод, 5 - наружный теплоизолирующий кожух, 6 - верхняя крышка; 7 -патрубок подвода; 8 - прокладки; 9 - исследуемая жидкость, 10 - нижнее днище, 11 патрубок отвода, 12 - замок-фиксатор. Элементы электросхемы: К, К и К - включатели, Т, Т и Т - термопары, Тр - лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), V - милливольтметр (вольтметр); mA - миллиамперметр (амперметр); W - ваттметр; F - измеритель электроемкости.
Установка содержит коаксиально расположенные цилиндры 1 и 4, выполненные из нержавеющей стали, причем внутренний цилиндр 4 является нагревателем. Внутри электроизоляционного наполнителя 3 расположен нихромовый электронагреватель 2. Между цилиндрами имеется зазор для помещения исследуемой жидкости 9. Цилиндры разделены снизу и сверху электроизоляционными конструкциями 6 и 10, дающими возможность использования цилиндров в качестве электродов при измерении электрофизических свойств.
На верхней крышке 6 имеется патрубок для подвода жидкости, отверстия для подвода электропитания и ввода термопар. Кроме того, на посадочном кольце верхней крышки 6 в зоне расположения дифференциальной термопары для измерения теплопроводности имеется выемка «а», обеспечивающая наименьший зазор между термопарами (~1 мм). Такой зазор необходим для исключения образования конвективных потоков жидкости между термопарами. Гарантированное расположение выемки «а» между термопарами обеспечивается замком 12 на наружном кожухе 5.
Для технологических целей в верхней крышке 6 в зоне ограничительной выемки имеется дренажное отверстие «в» для исключения образования воздушной пробки в полости «а» при заполнении полости 9 измеряемой жидкостью.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
ж
в
ж
1. Определение диэлектрической проницаемости жидкого теплоносителя ε. Нажатием кнопки К3 измеряем прибором электроемкость конденсатора С, состоящего из коаксиальных цилиндров, в пространстве между которых находится воздух. Наполняя зазор между цилиндрами исследуемым жидким теплоносителем, измеряем электроемкость конденсатора с жидкостью С. при данной температуре (Т1). Электрическая емкость цилиндрического конденсатора без жидкости:
Электрическая емкость цилиндрического конденсатора наполненной жидкостью:
1
2
0
l
-12
где r - внешний радиус внутреннего цилиндрического электрода, мм; r - внутренний радиус внешнего цилиндрического электрода, мм;  - длина (высота) цилиндров, м; ε = 8,854185⋅10 Ф/м - диэлектрическая постоянная;
в
в
ж
ε - диэлектрическая проницаемость воздуха, ε = 1; ε - диэлектрическая проницаемость исследуемого жидкого теплоносителя.
Разделив эти формулы, получим формулу для вычисления диэлектрической проницаемости исследуемого жидкого теплоносителя:
.
ж
ж
Нажатием кнопки К1 и регулированием мощности нагревателя с помощью ЛАТР Тр устанавливаем температуру жидкого теплоносителя, измеряем С и определяем ε при различных температурах. Температура измеряется термодатчиком (термопара или термометр сопротивления) Т1.
2. Определение удельной электропроводимости жидкого теплоносителя. Нажимая кнопку К2, фиксируем электрический ток, проходящий через слой жидкого теплоносителя, миллиамперметром (mA) при определенном напряжении U (V) при заданной температуре (Т1).
V
При использовании для измерения электродов в виде двух коаксиальных цилиндров, выражения для определения удельной электропроводимости γ и удельного объемного электрического сопротивления ρ имеют вид:
, См/м,
, Ом⋅м,
1
2
l
где r - внешний радиус внутреннего цилиндрического электрода, мм; r - внутренний радиус внешнего цилиндрического электрода, мм;  - длина (высота) рабочей части цилиндрических электродов, м; I - сила тока через жидкого теплоносителя, А; U - напряжение между электродами, В; А - постоянная установки при измерении удельной электропроводимости, зависящая от геометрических размеров электродов:
-1
, м.
Нажатием кнопки К1 и регулированием мощности нагревателя с помощью ЛАТР Тр устанавливаем температуру жидкого теплоносителя и определяем удельную электропроводимость γ при различных температурах.
3. Определение коэффициента теплопроводности λ, Вт/(м⋅°С). Нажатием кнопки К1 создаем тепловой поток Q через слой жидкого теплоносителя.
Удельный тепловой поток q через цилиндрической поверхности является величиной переменной (зависящей от радиуса r):
,
1
2
1
2
где: λ - коэффициент теплопроводности исследуемой жидкости, Вт/(м⋅°С); r - радиус цилиндрической поверхности, мм; r - радиус внутреннего цилиндра-нагревателя, мм (расположен горячий спай термопары); r'- радиус расположения холодного спая термопары, мм; t - температура поверхности внутреннего цилиндра (горячий спай термопары); t - температура холодного спая термопары, °С.
Мощность теплового потока Q через цилиндрической поверхности является величиной постоянной:
,
2
l
где: F - площадь цилиндрической поверхности, м;  - длина (высота цилиндрического слоя).
Откуда, коэффициент теплопроводности исследуемого жидкого теплоносителя:
,
1
2
1
2
l
где: Q - тепловой поток, переданный от внутреннего цилиндра-нагревателя радиусом r к внешнему цилиндру радиусом r';  - длина (высота) цилиндрического слоя; Δt=t-t, °С; А' - постоянная установки при измерении коэффициента теплопроводности, зависящая от геометрических размеров цилиндров:
-1
, м.
Тепловой поток, при электронагреве определяется по выражению:
Q = N(1-η) = UI(1-η), Вт,
где: N - мощность электронагревателя, Вт; U - напряжение питания, В; I - сила тока, А; η - коэффициент потери тепла через торцы и нерабочих поверхностей электронагревателя (определяется экспериментальным путем по жидкости с известной коэффициентом теплопроводности).
Нажатием кнопки К1 и регулированием мощности нагревателя с помощью ЛАТР Тр устанавливаем температуру жидкого теплоносителя и определяем коэффициент теплопроводности при различных температурах.
р
н
к
4. Определение удельной изобарной теплоемкости с, Дж/(кг⋅°С). Нажатием кнопки К1 в течении определенной времени τ и регулированием мощности нагревателя с помощью ЛАТР Тр нагреваем жидкий теплоноситель от начальной температуры t до конечной температуры t., измеряемые с помощью термодатчика Т1.
э
Количество тепла Q, переданной электронагревателем:
э
ж
у
п
Q= N/τ = UI/τ = Q + Q +Q, Дж,
ж
у
п
где N - мощность электронагревателя, Вт; τ - время работы электронагревателя, с; U - напряжение питания, В; I - сила тока, А; Q - количество тепла, полученной жидкости, Дж; Q - количество тепла, полученной элементами установки, Дж; Q- тепловые потери, Дж.
Количество тепла Q, полученной жидкости:
ж
у
п
к
н
Q = UI/τ - Q - Q = cm(t- t), Дж,
н
к
где: с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг⋅°С); m - масса жидкости, кг; t - начальная температура жидкости, °С; t - конечная температура жидкости, °С.
у
Количество тепла Q, полученной элементами установки:
у
у
к
н
Q = С(t- t), Дж,
у
н
к
где: С - общая теплоемкость элементов установки, Дж/(°С) (определяется экспериментально или расчетным путём, если известны материалы элементов установки); t - начальная температура, °С; t - конечная температура установки, °С.
Количество потери тепла:
п
э
Q = ηQ=ηUI/τ,
где η - коэффициент потер тепла (определяется экспериментальным путём, используя жидкость с известной теплоемкостью).
Таким образом:
ж
у
к
н
ж
ж
к
н
Q = UI/τ - С(t- t) - ηUI/τ = сm(t- t);
у
к
н
к
н
(1-η)UI/τ - С(t- t) = cm(t- t);
Таким образом, заявленная установка позволяет определить два теплофизических и два электрофизических параметра жидких теплоносителей на одной установке.
Литература
1. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. Под. ред. А.В. Лыкова. - М.: Энергия, 1973. - 336 с.
2. Л.В. Декуша, Т.Г. Грищенко, О.А. Геращенко, В.И. Федоров. Устройство для определения теплопроводности жидкостей или газов. Авторское свидетельство СССР, №935480, кл. G 01 N 25/18, 1982 (прототип).