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 базальтовых волокон, плоский нагреватель, расположенный на одной из поверхностей измерительной ячейки и измеритель температуры, установленной на противоположной от плоского нагревателя стороне.
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), выполненную из дисперсного низкотеплопроводного материала, плоский нагреватель, расположенный на одной из поверхностей измерительной ячейки и измеритель температуры, установленный на противоположной от плоского нагревателя стороне (см. патент на полезную модель РФ 
93986, МПК G01N 25/18 ). Недостатком указанного устройства является низкая точность определения теплофизических характеристик жидких сред, особенно агрессивных и плохо смачиваемых. Дело в том, что при исследовании теплофизических характеристик плохо смачиваемых жидких сред происходит неполное заполнение измерительной ячейки исследуемой жидкостью, что ведет к снижению точности измерений. Кроме того, часть жидкостей, особенно агрессивных, невозможно исследовать ввиду химического взаимодействия этих жидкостей с материалом измерительной ячейки.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности определения теплофизических характеристик жидких сред и расширения диапазона их исследования.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для определения теплофизических характеристик жидких сред, включающем измерительную ячейку, выполненную из дисперсного низкотеплопроводного материала, плоский нагреватель, расположенный на одной из поверхностей измерительной ячейки и измеритель температуры, установленный на противоположной от плоского нагревателя стороне, в качестве дисперсного низкотеплопроводного материала использован материал на основе базальтового волокна. Из дисперсного низкотеплопроводного базальтового материала вырезается ячейка и ее пропитывают исследуемой жидкой средой путем помещения ячейки в эту среду.
Измерительная ячейка в этом случае состоит на 94-97% из исследуемой жидкой среды, а 3-6% 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. Использование в качестве низкотеплопроводного дисперсного материала - материала на основе базальтового волокна позволяет за счет его высокой химической стойкости исследовать практически любые жидкости, включая агрессивные. Такой материал может нагреваться до любых необходимых для исследования температур. Дело в том, что базальтовое волокно производят из различных химически- и термо- стойких горных пород: базальта или базанитов. Производство базальтовых волокон основано на получении расплава базальта в плавильных печах и его пропускания через фильеры, изготовленных или из платины или из жаростойких сталей. Для получения материала, из которого уже далее будет изготавливаться механическим путем измерительная ячейка, берутся супертонкие базальтовые волокна диаметром от 1 до 3 микрон и осуществляется их пространственное спекание. Учитывая, что смачиваемость базальтового волокна выше, чем кварцевого для многих жидкостей, последние более полно заполняют измерительную ячейку, что позволяет повысить точность определения теплофизических характеристик этих жидких сред. Кроме того, ячейка из базальтового волокна обладает более высокой прочностью, чем известная ячейка из кварцевого волокна. Это сохраняет неизменными геометрические характеристики измерительной ячейки, что в свою очередь также позволяет 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 основе базальтового супертонкого волокна. На противоположной от нагревателя стороне измерительной ячейки 3 установлен измеритель температуры 4 в виде термопары или термометра сопротивления.
Процесс определения теплофизических характеристик жидких сред нестационарным методом 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 a и теплопроводность 
жидкой среды определяются по известным формулам:
где: cs - 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 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 базальтовых волокон (диаметр волокна 1-3 микрона) обусловлено его высокой пористостью (до 97%), неизменностью геометрических размеров за счет высокой прочности, а также малой теплопроводностью по каркасу (не более 0,014 Вт/мК).
Предлагаемое устройство было апробировано при определении теплопроводности вазелинового масла при температуре +60 градусов Цельсия. Табличное значение теплопроводности воды при этой температуре составляет 0,121 Вт/мК, а величина теплопроводности, полученная на предлагаемом устройстве - 0,124 Вт/мК. Погрешность искомой характеристики не превышает 2,4%, что является очень хорошим результатом.
Проводилась и проверка смачивания волокон вазелиновым маслом. Оценка проводилась по изменению краевого угла смачивания, измеряемого методом «покоящейся капли». Как показали результаты, смачивание базальтовых волокон значительно лучше, чем кварцевых волокон в известном устройстве, что приводит к лучшему заполнению вазелиновым маслом измерительной ячейки из материала на основе базальтового волокна, что в свою очередь ведет к повышению точности определения теплофизических характеристик вазелинового масла.
Устройство для определения теплофизических характеристик жидких сред, включающее измерительную ячейку, выполненную из дисперсного низкотеплопроводного материала, плоский нагреватель, расположенный на одной из поверхностей измерительной ячейки, и измеритель температуры, установленный на противоположной от плоского нагревателя стороне, отличающееся тем, что в качестве дисперсного низкотеплопроводного материала использован материал на основе базальтового волокна.
