Устройство для определения теплофизических характеристик жидких сред
Полезная модель относится к области теплофизических исследований и может быть использована для определения теплофизических характеристик жидких сред.
Устройство включает измерительную ячейку, выполненную из материала на основе супертонких кварцевых волокон, плоский нагреватель, расположенный на одной из поверхностей измерительной ячейки и измеритель температуры, установленной на противоположной от плоского нагревателя стороне. На плоских поверхностях измерительной ячейки установлены пластины из гидрофобного материала, форма которых совпадает с формой измерительной ячейки. В качестве гидрофобного материала может быть использован политетрафторэтилен.
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, плоский нагреватель, расположенный на одной из поверхностей измерительной ячейки и измеритель температуры, установленный на противоположной от плоского нагревателя стороне. При этом измерительная ячейка выполнена из материала на основе супертонких кварцевых волокон (см. патент РФ на полезную модель 
93986, 2010 г., МПК G01N 25/18). Недостатком указанного устройства является недостаточная точность определения теплофизических характеристик жидких сред. Дело в том, что при контакте измерительной ячейки с исследуемой жидкой средой с нагревателем и измерителем температуры происходит "залипание" жидкости на их поверхностях. В результате этого образуется неравномерное распределение жидкости по толщине в близи плоских поверхностей измерительной ячейки. Это снижает точность определения теплофизических характеристик исследуемой жидкой среды, так как математическая модель подразумевает равномерное распределение жидкой среды по высоте ячейки.
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, выполненную из материала на основе супертонких кварцевых волокон, плоский нагреватель, расположенный на одной из поверхностей измерительной ячейки и измеритель температуры, установленный на противоположной от плоского нагревателя стороне, на плоских поверхностях измерительной ячейки установлены пластины из гидрофобного материала, форма которых совпадает с формой измерительной ячейки. В качестве гидрофобного материала может быть использован политетрафторэтилен.
Свойства гидрофобного материала позволяют ему не смачиваться жидкостью, с которой он контактирует. Поэтому вся исследуемая жидкая среда будет находиться только в измерительной ячейке. Существует большое число гидрофобных материалов, но лучшим гидрофобным материалом для использования в теплофизических измерениях жидких сред является политетрафторэтилен (фторопласт). Он относится к высокомолекулярным полимерным материалам и благодаря входящим в его состав атомам фтора обладает высокой химической стойкостью, которая выше чем у благородных металлов, например, платины. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) практически нерастворим в жидких средах, в том числе даже в большинстве сильных органических растворителях. К преимуществам ПТФЭ относится и широкий температурный диапазон его работоспособности от -100 до +300 градусов Цельсия.
На фигуре представлено заявляемое устройство со следующими обозначениями:
1 - тепловая изоляция;
2 - плоский нагреватель;
3 - измерительная ячейка;
4 - измеритель температуры;
5 - пластины из гидрофобного материала.
Устройство состоит из оболочки в виде тепловой изоляции 1, внутри которой размещен плоский нагреватель 2. На плоском нагревателе 2 установлена измерительная ячейка 3 из материала на основе супертонких кварцевых волокон. На противоположной от нагревателя стороне измерительной ячейки 3 установлен измеритель температуры 4 в виде термопары или термометра сопротивления. На плоских поверхностях измерительной ячейки 3 установлены пластины 5 из гидрофобного материала. Форма пластин 5 из гидрофобного материала совпадают с формой измерительной ячейки 3. Если ячейка 3 имеет квадратную или круглую форму, то и пластины 5 из гидрофобного материала имеют соответственно квадратную или круглую форму. Совпадение этих форм объясняется тем, чтобы исследуемая жидкая среда из измерительной ячейки 3 никогда не могла контактировать с нагревателем 2 или измерителем температуры 4.
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 
0, обеспечивая заданный тепловой импульс, а на противоположной стороне измерительной ячейки при помощи измерителя 4 определяют максимум температуры и время его достижения макс. Тогда температуропроводность а и теплопроводность 
жидкой среды определяются по известным формулам:
где: c, s - теплоемкость и плотность жидкой среды;
- толщина измерительной ячейки;
A - коэффициент, зависящий от величины макс и условий теплообмена ячейки с окружающей средой.
Величина теплопроводности , полученная по вышеприведенной формуле, включает в себя как теплопроводность по каркасу материала на основе супертонких кварцевых волокон, так и по исследуемой жидкой среде. Однако, учитывая низкую теплопроводность материала на основе супертонких кварцевых волокон, величина которой на два порядка меньше теплопроводности жидкой среды, теплопроводность каркаса этого 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 материала, из которого изготовлена измерительная ячейка. Теплопроводность по каркасу материала на основе супертонких кварцевых волокон 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 - 0,601 Вт/мК. Погрешность искомой характеристики составляет всего 0,3%, что является очень хорошим результатом.
1. Устройство для определения теплофизических характеристик жидких сред, включающее измерительную ячейку, выполненную из материала на основе супертонких кварцевых волокон, плоский нагреватель, расположенный на одной из поверхностей измерительной ячейки, и измеритель температуры, установленный на противоположной от плоского нагревателя стороне, отличающееся тем, что на плоских поверхностях измерительной ячейки установлены пластины из гидрофобного материала, форма которых совпадает с формой измерительной ячейки.
2. Устройство для определения теплофизических характеристик жидких сред по п.1, отличающееся тем, что в качестве гидрофобного материала использован политетрафторэтилен.
