Устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей

1. Устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей содержит корпус, в котором первый термоэлектрический модуль имеет тепловой контакт с кюветой для жидкости, горячие спаи второго термоэлектрического модуля снабжены средством теплоотвода, между обоими модулями размещен термоаккумулирующий элемент из металла с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, кювета снабжена измерительным преобразователем температуры и датчиком оптического пропускания исследуемой жидкости, подключенные к входу устройства регистрации, выход которого соединен с входом устройства управления, в объеме термоаккумулирующего элемента выполнены герметичные цилиндрические полости, заполненные капиллярно-пористой средой и частично жидкостью с низкой температурой кристаллизации. 1 н.п., 4 пп., 2 илл.

Полезная модель относится к средствам исследования материалов с помощью тепловых средств и может быть использована для определения температур помутнения, застывания и кристаллизации многокомпонентных жидкостей, в частности, продуктов нефтепереработки, растительных масел

Известно устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей по патенту РФ 2183323, G01N 25/04, содержащее корпус, в котором установлены соединенные с источниками постоянного тока два термоэлектрических модуля. Первый модуль имеет тепловой контакт с кюветой для размещения исследуемой многокомпонентной жидкости и соединен с регулируемым источником тока. Горячие спаи второго термоэлектрического модуля снабжены системой принудительного воздушного охлаждения. Термоаккумулирующий элемент установлен с обеспечением теплового контакта с обоими термоэлектрическими модулями. Кювета снабжена измерительным преобразователем температуры и волоконно-оптическим датчиком оптического пропускания исследуемой жидкости, подключенные к входу устройства регистрации, выход которого соединен с входом устройства управления регулируемым источником тока.

Термоаккумулирующий элемент известного устройства выполнен в виде металлической пластины конечной толщины h и массой M, Масса M определяет максимальную термоаккумулируемую энергию, а толщина h определяет при заданной площади 5 тепловое сопротивление R_T термоаккумулирующего элемента. Для металла с теплопроводностью тепловое сопротивление будет равно: R_T=h/·S [град/ватт].

Тепловое сопротивление R_T в процессе охлаждения кюветы создает градиент температуры в несколько градусов по толщине h, что уменьшает эффективность работы первого термоэлектрического модуля и, как следствие, ограничивает получение максимально низких температур кюветы с пробой жидкости. Это обстоятельство существенно затрудняет исследование низкотемпературных свойств авиационных керосинов, арктических дизельных топлив.

Техническая задача полезной модели состоит в том, чтобы обеспечить анализ низкотемпературных свойств жидкости до более низких температур путем уменьшения теплового сопротивления термоаккумулирующего элемента с сохранением его термоаккумулирующих свойств.

Поставленная задача решена заявляемой полезной моделью.

Заявляется:

Устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей, содержащее корпус, в котором установлены соединенные с источниками постоянного тока два термоэлектрических модуля, из которых первый модуль имеет тепловой контакт с кюветой для размещения исследуемой жидкости и соединен с регулируемым источником тока, а горячие спаи второго термоэлектрического модуля снабжены средством теплоотвода, термоаккумулирующий элемент выполнен из материала, обладающего высокими теплопроводностью и теплоемкостью, и установлен с обеспечением теплового контакта с обоими термоэлектрическими модулями, при этом кювета снабжена измерительным преобразователем температуры и волоконно-оптическим датчиком оптического пропускания исследуемой жидкости, подключенные к входу устройства регистрации, выход которого соединен с входом устройства управления регулируемым источником тока, отличающееся тем, что в объеме термоаккумулирующего элемента выполнены герметичные цилиндрические полости с образующими вдоль направления между термоэлектрическими модулями, полости заполнены капиллярно-пористой средой и частично заполнены жидкостью с низкой температурой кристаллизации, В качестве такой жидкости можно применить этиловый спирт или бензин. Как и в прототипе, термоаккумулирующий элемент выполнен из меди или алюминия, и его масса M определяется задаваемой термоаккумулирующей энергией. Средство теплоотвода второго модуля может быть выполнено в виде принудительного воздушного или водяного охлаждения.

Полезная модель поясняется фигурой 1, на которой представлена схема устройства для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей, и фигурой 2 (выноска части изображения фиг. 1), поясняющая выполнение цилиндрических полостей и их функционирование.

В корпусе 1, имеющем крышку 2, установлен первый термоэлектрический модуль 3 на основе элементов Пельтье, который подключен к источнику тока 4, регулируемому по знаку и по величине. Холодные спаи термоэлектрического модуля 3 имеют тепловой контакт с кюветой 5, которая снабжена измерительным преобразователем температуры 6 и датчиком 7 температурно-зависимого физического параметра, например, в виде волоконно-оптического датчика оптического пропускания. Выходы преобразователя 6 и датчика 7 подключены к входу устройства регистрации 8, выход которого соединен с устройством 9 управления регулируемым источником тока 4. Второй термоэлектрический модуль 10 подключен к нерегулируемому источнику тока 11. Для охлаждения горячих спаев термоэлектрического модуля 10 применено принудительное воздушное охлаждение, например вентилятор 12 (в стационарных условиях может быть применено водяное охлаждение]. Термоаккумулирующий элемент 13 размещен между модулями 3 и 10 и имеет тепловой контакт с горячей гранью первого термоэлектрического модуля 3 и с холодной гранью второго термоэлектрического модуля 10. Термоаккумулирующий элемент 13 выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например, из меди или алюминия.

В объеме термоаккумулирующего элемента 13 выполнены параллельно расположенные герметичные цилиндрические полости 14 круглого или прямоугольного сечения с образующими вдоль направления 15 между термоэлектрическими модулями. Толщина металлических стенок между полостями значительно меньше толщины h термоаккумулирующего элемента. Полости заполнены капиллярно-пористой средой 16, например, в виде асбестовых или проволочных фитилей как в известных тепловых трубках, и частично заполнены жидкостью 17 с низкой температурой кристаллизации. В качестве такой жидкости можно применить этиловый спирт или бензин с температурой кристаллизации ниже минус 50 ÷ минус 90°C.

Процесс анализа низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей осуществляется следующим образом.

Микродозу 0,15÷0,2 мл исследуемой жидкости 14 помещают в кювету 5 и включают в работу термоэлектрические модули. Холодные спаи термоэлектрического модуля 10 в течение всего цикла анализа охлаждает термоаккумулирующий элемент 13. Работа термоэлектрического модуля 3 зависит от соотношения начальных заданных условий проведения анализа и температуры жидкости, заливаемой в кювету. Если в момент заливки в кювету жидкость имеет температуру выше заданных начальных 18÷20°C, устройство регистрации 8 по сигналу измерительного преобразователя температуры 6 подает команду в устройство управления 9, и для термоэлектрического модуля 3 устанавливается ток такой полярности, чтобы в тепловом контакте с кюветой 5 находились его холодные спаи, и начинается процесс охлаждения жидкости до +20°C. Если заливаемая жидкость имеет температуру ниже 20°C, то соответственно полярность тока через термоэлектрический модуль 3 такова, что в тепловом контакте с кюветой находятся горячие спаи и происходит подогрев жидкости до +20°C.

Одновременно с нагревом кюветы и поддерживании начального заданного значения температуры жидкости осуществляется встречное охлаждение термоаккумулирующего элемента 13. После достижения минимальной температуры термоаккумулирующего элемента 8 ( минус 15 ÷ минус 40°C) начинается равномерное охлаждение кюветы с жидкостью. Такой режим обеспечивается соответствующим регулированием величины тока через первый термоэлектрический модуль 3 посредством цепи обратной связи: измерительный преобразователь температуры 6 - устройство регистрации 8 - устройство управления 9 - регулируемый источник тока 4. Скорость охлаждения кюветы с жидкостью определяется с одной стороны требуемой точностью измерения температуры и чувствительностью преобразователя 6. Чем меньше скорость охлаждения, тем точнее может быть определено начало помутнения и кристаллизации жидкости. С другой стороны скорость охлаждения ограничивается временем, рассчитанным на один цикл измерения. Оптимальное время измерения зависит от теплоемкости элемента 13 и его тепловой постоянной времени. Для достижения больших отрицательных значений температуры кюветы ( минус 70°C) параметры термоаккумулирующего элемента 13 рассчитывают таким образом, чтобы за весь цикл анализа обеспечить минимальное изменение температуры горячих спаев термоэлектрического модуля 3.

Момент начала кристаллизации фиксируется с помощью волоконно-оптического датчика 7 оптического пропускания жидкости. Причем датчики 6 и 7 расположены в одной изотермической зоне. После достижения минимальной температуры кюветы с жидкостью путем регулирования тока через первый термоэлектрический модуль 3 осуществляется равномерный нагрев жидкости со скоростью, определяемой вышеназванными ограничениями. Данные анализа низкотемпературных свойств жидкости снимают как при охлаждении, так и при равномерном нагреве кюветы. Устройство регистрации может быть выполнено на основе микропроцессора, который с помощью программы обработки данных позволяет выводить на индикатор все показатели процесса исследования многокомпонентных жидкостей (температуру, время, величину оптического пропускания, номер анализа, код оператора и т.д.).

Полости 14, заполненные капиллярно-пористой средой 16 и жидкостью 17, работают следующим образом. Жидкость 17 за счет капиллярных эффектов распределяется по всему объему капиллярно-пористой среды 16. При охлаждении кюветы с пробой горячая грань термоэлектрического модуля 3 нагревает находящуюся с ней в тепловом контакте грань термоаккумулирующего элемента 13. Жидкость 17, прилегающая к этой грани элемента 13, испаряется и в виде пара через капиллярно-пористую среду 16 поступает в область грани термоаккумулирующего элемента 13, находящуюся в тепловом контакте с холодной гранью термоэлектрического модуля 10, где и конденсируется снова в жидкую фазу. Процессы испарения и конденсации жидкости 17 в полостях 14 обеспечивают эффективный перенос тепла от более нагретых областей термоаккумулирующего элемента 13 к его более холодным областям, что приводит к существенному уменьшению теплового сопротивления элемента 13 и получению более низких температур кюветы с пробой в режиме ее охлаждения при достаточно малой толщине металлических стенок между полостями 14.

Благодаря выполнению термоаккумулирующего элемента с цилиндрическим полостями:

1) достигнуто уменьшение теплового сопротивления термоаккумулирующего элемента с сохранением его термоаккумулирующих свойств, что позволило осуществить анализ низкотемпературных свойств жидкости до более низких температур (минус 90°C);

1) в режиме двухкаскадной работы модулей обеспечивается эффективная работа модуля 3, контактирующего с кюветой, при этом для горячих спаев модуля 10 достаточно воздушного охлаждения, что предпочтительно при автономном использовании устройства в полевых условиях;

2) расширенный диапазон низких температур дает возможность определения криоскопических точек для жидкостей с неизвестными характеристиками в широком диапазоне температур, в частности, для нефтепродуктов как многокомпонентных жидкостей, не имеющих точно определенных криоскопических температур;

3) повысилась точность определения низкотемпературных свойств жидкости.

4) обесапечивается оперативность исследования, т.к. анализ большого числа разнородных жидкостей не требует переналадки и настройки измерительной схемы.

1. Устройство для исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей, содержащее корпус, в котором установлены соединенные с источниками постоянного тока два термоэлектрических модуля, из которых первый модуль имеет тепловой контакт с кюветой для размещения исследуемой жидкости и соединен с регулируемым источником тока, а горячие спаи второго термоэлектрического модуля снабжены средством теплоотвода, термоаккумулирующий элемент выполнен из материала, обладающего высокими теплопроводностью и теплоемкостью, и установлен с обеспечением теплового контакта с обоими термоэлектрическими модулями, при этом кювета снабжена измерительным преобразователем температуры и волоконно-оптическим датчиком оптического пропускания исследуемой жидкости, подключенными к входу устройства регистрации, выход которого соединен с входом устройства управления регулируемым источником тока, отличающееся тем, что в объеме термоаккумулирующего элемента выполнены герметичные цилиндрические полости с образующими вдоль направления между термоэлектрическими модулями, полости заполнены капиллярно-пористой средой и частично заполнены жидкостью с низкой температурой кристаллизации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрические полости частично заполнены этиловым спиртом или бензином.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термоаккумулирующий элемент выполнен из меди или алюминия.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство теплоотвода второго термоэлектрического модуля выполнено в виде принудительного воздушного или водяного охлаждения.