Способ измерения теплофизических свойств жидкости
Изобретение относится к измерению теплофизичееких свойств жидкости и может быть использовано для контроля технологических процессов в химической, пищевой, микробиологической отраслях народного хозяйства. Исследуемую жидкость помещают в зазор между коаксиальными цилиндрами и приводят один из цилиндров во вращение с постоянной угловой скоростью. Температуру наружного цилиндра поддерживают постоянной, теплоту к исследуемой жидкости подводят только за счет саморазогрева исследуемой жидкости в процессе диссипации механической энергии вращения внешнего цилиндра, через равные промежутки времени измеряют разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса, на каждом i-ом шаге измерения определяют величину )/n. где Тьп - разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечекии постоянного радиуса на i-n шаге измерения; Т| - разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном сечении постоянного радиуса на 1-ом шаге изме-. рения, сравнивают величину yi с заданным минимальным значением Умин1. при достижении заданного минимального значения У Умин1 регистрируют разность Tk между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса. Затем подают постоянную мощность на источник теплоты, расположенный в коаксиальном цилиндрическом сечении внутреннего цилиндра, через равные промежутки времени регистрируют разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса, на каждом шаге контролируют величину yi, сравнивают величину у с заданным минимальным значением , при достижении заданного минимального значения У УМИНЗ измерение заканчивается и вычисляют коэффициент теплопроводности Ах, коэффициент температуропроводности ах и параметр /fx/Лс исследуемой жидкости. 1 ил. . ё 00 N) О GJ О О
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (и)з G 01 N 25/18
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4945619/25 (22) 17. 06.91 (46) 07.06.93. Бюл. й. 21 (71) Тамбовский институт химического машиностроения (72) С.В.Пономарев, С,В.Мищенко, А.Г»Дивин.и АА.Чуриков (56) Авторское. свидетельство СССР
N 757949, кл. 6 01 N 25/18, 1979.
Трилиский К.К. и др. Исследование теплопроводности пластичных. смазок. при сдвиговом течении. — Нефтепереработка и нефтехимия, Киев: Наукова думка, 1981, вып.20, с.176. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ- ТЕПЛОФИЗИ.ЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к измерению теплофизических свойств жидкости и может быть использовайо для контроля технологи; ческих процессов в химической, пищевой, микробиологической отраслях народного хозяйства. Исследуемую жидкость помещают в зазор между коаксиальн ыми цилиндрами и приводят один из цилиндров во вращение с постоянной угловой скоростью.
Температуру наружного цилиндра поддерживают постоянной, теплоту к исследуемой жидкости подводят только за счет саморазогрева исследуемой жидкости в процессе . диссипации-механической энергии вращения внешнего цилиндра, через равные промежутки времени измеряют разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальИзобретение относится к измерению, теплофизических свойств жидкостей и может быть использовано для контроля техно„„Ж„„1820309 Al ном цилиндрическом сечении постоянного радиуса, на каждом l-ом шаге измерения определяют величину 71 = (Т вЂ” TI-è)/и, где TI-n . — разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса на i-и шаге измерения; Ti — разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном сечении постоянного радиуса íà l-ом шаге изме-, рения. сравнивают величину у с заданным минимальным значением ) р еем. при дост ижении заданного минимального эн чения
) < 1дмин1 регистрирук1т разность Т * между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса. Затем подают постоянную мощ- . (} ность на источник теплоты, расположенный в коаксиальном цилиндрическом сечении внутреннего цилиндра, через равные про- Я межутки времени регистрируют разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коак- а сиальном цилиндрическом сечении постоян- Qj ного радиуса, на каждом шаге контролиоуют величину и, сравнивают величину с заданным минимальным значением ) ми2, при достижении заданного минимального значения р< Яник измерение заканчивается и вычисля- С ют коэффициент теплопроводности А», коэф- О фициент температуропроводности а» . и иереиетр т»/М» исс»едуемой жидкости. 1 и»,фи логических процессов в химической. пищевой, микробиологической и других отраслях . народного хозяйства.
1820309
pR) ах = —, 9х (2) где g, — корень уравнения
Сз р l1h2g3 — C4 р К1 h2g3)(C5k I1 gx — Ce kp K1 A x
kp 1 h2 "93 C4(kp 1 h2 "93 )(C5 р. 1 Ях р 1 Ях
C5(p), Св(р), СЗ(р), С4(р), Сг(р), С1(р) решения систем уравнений: С5(Р)10(пЗох) + C6(P)KO(h3gx) = 0
$C5(P)lo(gx) + СО(Р)КО(дх) =,C3(P)lo(h2g3) + С4(Р)Ко(6293) СЗ(р) Йдз! 1(93) — C4(p) АгЯЗК1(дз) " C1(p)92h1l1(h1g2) - C2(p)92h1K1(hlg2)
C3(p)lo(g3) — С4(р)КО(93) = С1(р)10)п192) + C2(p)Ko(h1g2) C1(p)lo(g2) "+ C2(p)Ko(g2) - T1(R1p)
С1(р) Ягдг! 1(9) — Сг(р) 292К1(92) = »(R.p)»91 а(р)Й1
ЬЗ = —: h2=, h1=—
«R4, R3. пг
R3 Й2 R1
T1(R1,р) - f T(R1, z}t. дт; о1(р)-f q(r}e я бт = ; о . о
Р
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и обеспечение возможности автоматического управления процессом измерения.
Указанная цель достигается тем, что в способе исследуемую жидкость помещают в зазор между коаксиальными цилиндрами, приводят один из цилиндров во вращение с постоянной угловой скоростью, подводяттеплоту к исследуемой жидкости и измеряюттем- 10 пературу внешнего и внутреннего цилиндров.температуру наружного цилиндра поддерживают постоя иной, теплоту к исследуемой жидкости подводят только за счет самораэогрева исследуемой жидкости в процесседиссипации 1 механической энергии вращения внешнего цилиндра, через равные промежутки времени
Ат1 измеряют разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндриче- 20 ском сечении постоянного радиуса, на каждом
1-ом шаге измерения определяют величину
Tt — Tt -n = — г= где Tt -разность между температурой внешнего
25 цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса íà i-ом ваге измерения;
Т -и — разность между температурой. внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном сечении постоянного радиуса на i-n шаге измерения, сравнивают величину 4 с заданным
МИНИМаЛЬНЫМ ЭНаЧЕНИЕМ Pmtn1, ПРИ ДОСтИжении заданного минимального значеНИЯ и< У mtn1 РЕГИСтРИРУЮт РаЗНОСтЬ Т * между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса, затем подают постоянную мощность на источник теплоты, расположенный в коаксиальном цилиндрическом сечении внутреннего цилиндра, через.равные промежутки времени hr2 регистрируют разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса, на каждом шаге контролируют величину yl, сравнивают величину 14 с заданным минимальным
ЗНаЧЕНИЕМ ymtn2, ПРИ ДОСтИжЕНИИ ЗаДаННОго минимального значениЯ 14< ymtn2 измеРение заканчивают и вычисляют коэффициент теплопроводности Ах, коэффициент температуропроводности ах и параметр 4х/Ах исследуемой жидкости по формулам
1820309 где со (1/с) — угловая скорость вращения внешнего цилиндра. r (c) — время; R1. Rz, йз (м) — внешние радиусы первого, второго и третьего слоев внутреннего цилиндра; Io(x), Кл(х) — модифицированные функции Бесселя 5 нулевого порядка; I 1(x), К 1{х) — модифицированные ун ции Бесселя первого порядка;
Л1,Аг,лз — коэффициенты теплопроВт водност первого, второго и третьего слоев 10 внутреннего цилиндра; а1, а2, аз (м /с)— г коэффициенты температуропроводности первого, второго и третьего слоев внутреннего цилиндра; Т1о+(К) — разность между темпе- . ратурой внешнего цилиндра и температурой 15 внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении гюстоянного радиуса
Й1 на последнем шаге измерения при подводе теплоты за счет саморазогрева жидкости при диссипации механической энергии вра- 20 щения внешйего цилиндра: T(Rt.х ) — разность между температурой внешнего цилиндра и температурой. внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса R1; q (Вт/м ) — 25
2 удельная мощность источника теплоты; р, k известные йоложительные вещественные числа; n — целое положительное исло.
При, анализе известных технических решений не обнаружены решения, имеющие 30 . признаки, сходные с отличительными признаками предлагаемого изобретения.
Наличие совокупности существенных призйаков позволйт дополнительно опре"делить величину /сх/Лх и коэффициент тем- 35 пературопроводности ах, а также позволит организовать автоматическое управление процессом измерения.
Сущность предлагаемого способа пояс- . няется следующим теоретическим обосно- 40 ванием.
Задача о расчете температурного поля
t(r, Х) исследуемой жидкости, находящейся в зазоре между вращающимися «оаксиальными цилиндрами, записывается следую- 45 щим образом с1р1 при О < r < R1, С2р2 при R1 < r < Й2, сзрз при Rz < r < Йз. схРх пРИ йз « R4. ср=
ОприО<г< йз, /ñ» при Йз< r< R4
t(Rz-О, х) - t(Rz+0. r) a% -о } 2 т(ЙЗ-О, r) - т(йз+О, r), 1{йа, r) =0
t(r, r) - T(r, t)+ T*(r) Мг,х Х 1д гМг,х. где T(r, r) - функция, описывающая темпера. турное поле исследуемой жидкости в условиях, когда к ней подводится тепловая энергия от источника теплоты с удельной мощностью
q прим=О и T+(r}=0. Эта функция определяется как решение уравнения (4) с краевыми условиями(5) при си-О и T*(r) =О. С использованием временных интегральных характеристик
Ю(Й вЂ” Й3 г4 (4) 55
А1 при 0 < r < R1, Яг при R1 < Г < Й2, Яз при Йг < r < йз, М» при Йз < r < R4, Х > О. 0 < Й1 < Й2 < ЙЗ < г < Й4
tfr,0) - Т"(г), — - — - О, t(R10, r) = t(R 1+0, t)
М О, r @Ri - о т) „ @R> +о, Л1 г йг =-qÄ где г (M) — радиальная координата; схрх (Дж/(м К)) — объемная.теплоемкость исследуемой жидкости; с1р1 с2р2 сзрз (Дж/(м к)) — объемная теплоемкость первого, второго и третьего. слоев внутреннего цилиндра;
/с(кг/{Mc)) — динамическая вязкость; Т*{г)— функция, описывающая температурное по- . ле, в условиях, когда теплота к исследуемой жидкости подводится за счет саморазогрева вязкой исследуемой жидкости в процессе диссипации механической энергии вращения внешнего цилиндра.
Решение этой задачи можно представить в виде
Т1(г,р) = J Т(г, r)exp(- p r) бг, о
1820309
С0
q>(p) = f q(p)exp(-p т) 4 t о получены расчетные зависимости (1) и (2), позволяющие вычислять значения коэффициентов температуропроводности и теплопроводности по известным значениям температуры Т(В1, т) и теплового потока источника теплоты р.
Задача для определения температурного поля Т*(г) имеет следующий вид
О j;dT*r рФиКИ 0
4r L r ф R()2
Î ОТ вЂ” (0}- О, T*(Ri — 0) = dT(R>+0), (От 1Н -О} 1 дТ* Ri +О} 4г 2 4Р Т (R2-0) = T*(R2+0); ат (02 0} 2 Т (ВЗ-О) = Т (RB+0) dT*(ÂÇ Î dT (Â-. О}, * } 0 dr 4r Решая эту задачу, получаем формулу (3) для определения параметра p>/Лх исследуемой жидкости. Схема устройства для реализации предлагаемого,способа измерения теплофизических характеристик жидкости изображена на чертеже. Устройство представляет собой два коак. сиальных цилиндра (и ((, в зазоре между которыми находится исследуемая жидкость. Внутренний цилиндр состоит иэ первого 1, второго 2 и третьего 3 цилиндрических слоев. Между слоями 1 и 2 в коаксиальном цилиндрическом сечении радиуса R1 расположены термометр сопротивления 5 и источник теплоты 4. Теплофизические свойства всех трех слоев заранее известны. Наружный подвижный цилиндр (! с внутренним радиусом R4 имеет водяную рубашку 6, в которую помещен термометр сопротивления 7. Термометры сопротивления 5 и 7, а также манганиновые сопротивления Ri и R2 включены в мостовую измерительную схему. Разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении радиуса В! пропорциональна выходному сигналу мостовой схемы и вычисляется по формуле Ti = mi Ui. (6) где m — коэффициент пересчета напряжения 10 Ui измерительной мостовой схемы в разность Ti между температурой внутреннего цилиндра l в коаксиальном цилиндрическом сечении радиуса R> и температурой внешнего цилиндра ll, 15 Предлагаемый способ осуществляют следующим образом, Исследуемую жидкость помещают в зазор между двумя, коаксиальными цилиндрами ! и II, Приводят во вращение с постоянной 20 угловой скоростью внешний цилиндр((, температуру которого на протяжении всего испытания поддерживают постоянной за счет подачи теплоносителя из термостата в водяную рубашку 6. В результате саморазогрева 25 вязкой исследуемой жидкости в процессе диссипации механической энергии вращения внешнего цилиндра к исследуемой жидкости подводят теплоту. Через равные промежутки времени . Ж1 измеряют эначе30 ние выходного сигнала Ui мостовой измерительной схемы и по формуле (6) вычисляют разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом 35 сечении радиуса R(. На каждом шаге изме. рЕния контролируют величину p j, сравнивают у с заданным минимальным значением У((» и пРи Достижении УСловиЯ y}< yj(» регистрируют разность температур Т(* на 40 последнем ваге. Затем подают постоянную мощность на источник теплоты 4, расположенный в коаксиальном цилиндрическом сечении радиуса R<, и через равные промежутки времени hag измеряют значение выход45 ного сигнала (.((и регистрируют вычисленную, по формуле (6) разность Ti между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении радиуса R>. На каждом шаге 50 контролируют величину р и сравнивают ее с заданным минимальным значением ymiT(2 При выполненииусловия y} 10 Способ измерения теплофизических свойств жидкости, заключающийся в том, что исследуемую жидкость помещают в за15 зор между коаксиальными цилиндрами, приводят во вращение один иэ цилиндров с постоянной угловой скоростью, подводят теплоту к исследуемой жидкости и измеря° ют температуры внутреннего и внешнего 20 цилиндров, о т л и ч а ю щ и и с st тем, что, с целью расширения функциональных воз25 Т вЂ” Т вЂ” > ) = — г —— где Ti — разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса на i-м шаге измерения; 45 Т - — разность между температуройвнешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном сечении постоянного радиуса на!-м шаге измерения, сравнивают величину ) с заданным мини50 мальным значением g„<„>, при достижении заданного минимального значения . Первый слой внутреннего цилиндра из текстолита Л1 = 0,31 Вт/(мК), a> = 1,48 10 м /с имел внешний радиус R< == 21 мм. Второй слой из силиконового масла Л2 = 0,22 Вт/(мК), а2 = 7,5 10 м /с имел внешний 5 радиус Rz = 22,5 мм. Третий слой иэ алюминия Лз = 205 Вт/(м К), аз = 8,5 10 м /с имел внешний радиус Кз = 25 мм. Наружный цилиндр имел внутренний радиус R4- 27 мм. Внешний цилиндр приводили во вращение с угловой скоростью в" 15 об/мин. и температуру его в процессе измерения поддерживали постоянной и равной 40 С. В результате саморазогрсва эпоксидной смолы в процессе диссипации механической энергии вращения внешнего цилиндра к эпоксидной смоле подводилась теплота, На каждом шаге измерения с периодом времени hr1= 30с напряжение мостовой измерительной схемы U через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вводили в устройство сбора и обработки информации, где осуществляли пересчет напряжения Ц в разность Ti между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном сечении радиусом R>, вычисляли величину у и сравнивали с заданным значением ymin > =-0,001, как только величина ) стала меньше 1пяь1 зарегистрировали разность температур Т * = 0,139 К. Затем подали постоянную удельную мощность 250 Вт/м на источник теплоты, расположенный в коаксиальном сечении внутреннего цилиндра радиусом R> =21 мм, и с периодом времени Лгр = 15 с вводили напряжение мостовой измерительной схемы через АЦП в устройство сбора и обработки информации, где осуществляли пересчет напряжения U) sразнос:ть Ti между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном сечении радиусом R), на каждом шаге измерения регистрировали ату разность температур, вычисляли величину yi и сравнивали с заданным значением ) п1!рг = 0,0001. Как только величина yl стала меньше или равной величине vmin2, управляющее устройство прекратило измерение. Обработку экспериментальной информации по формулам (1), (2) и (3) проводили при р1 — — 0,00012 и k = 12. Вычисленные значения коэффициента теплопроводности Лх, коэффициента температуропроводности а, и параметра,их/Лх равнялись соответственно x = 0,13 Вт/(мК), ах -0,8 10 м /с,,и„ Л,=256 кг К/(Втс). Сравним прототип с предлагаемым способом. В случае прототипа в результате испытания исследуемой жидкости определяется только коэффициент теплопроводности Лх жидкости. В случае предлагаемого способа появляется возможность дополнительно определять величину параметра,йх Лх и коэффициент температуропроводности ах исследуемой жидкости. Кроме этого, благодаря вычислению в процессе испытания величины р появляется возможность автоматического управления процессом испытания. Формула изобретения можностей и обеспечения возможности автоматического управления процессам измерения, температуру наружного цилиндра поддерживают постоянной, теплоту к исследуемой жидкости подводят за счет саморазогрева исследуемой жидкости в процессе диссипации механической энергии вращения внешнего цилиндра, через равные промежутки времени измеряют разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса, на каждом 1-м шаге измерения определяют величину )1 < ) мин1 регистрируют разность Tk* между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса. затем подают постоян. óþ мощность на источник теплоты, расположенный в коаксиальном цилиндрическом, сечении внутреннего цилиндра, через равные про 1820309 12 дгЯСз р 11 hzg ggCs p 1g a=p R3 Х е (2) — где дх — корень уравнения С5(р), Сл(р). Сз(р), С4(р), Cz(p). С1(р) решения систем уравнений; , Cs(p)lo(h3dx) + Св(р)Ко(тздх)" 0 ) C5(p)lo(gx) + C6(p)Ko(gx) = C3(p)lo(h2g3) + C4(p)Ko(h2g3) CC3(P) Лгдз!1(дз) C4(P) kzg3K1(g3) - C1(P)gzh1l1(h1g2) Cz(p)gzh1K1(h1gz) Сз(р)4о(дз) — С4(р) Ко(дз) = C1(p)lo)h1gz) + Cz(p)Ko(h1gz) С i(p)lo(gz) + Сг(р)Ко(дг) = T1(R1p) C1(p) Йдгl1(g) — Сг(р)Л2g2K1(g2) = Т1(й,р) 191 ц(р)й1 R4. 3, Rz тз =-„-, hz = —, Ь =— нз г R1 межутки времени регистрируют разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилиндре сечении постоянного радиуса, на каждом шаге контролируют величину 14, сравнивают величину )4 с заданным минимальным значением уминг. при где м — угловая скорость вращения внешнего цилиндра, 1/с; т — время, c;R1, Rz, йз — внешние радиусы первого, второго и третьего слоев внутреннего цилиндра, м; R4 — радиус наружного цилиндра; lO(x), К1(х) — модифицированные функции Бесселя нулевого порядка; Ат,ilz, Аз — коэффициенты теплопроводности первого, второго и третьего слоев внутреннего цилиндра, Вт/мк; достижении заданного минимального значения 14 < у инг измерение заканчивают и вычисляют коэффициент теплопроводности А„коэффициент температуропроводности 5 ах и параметр рх х исследуемой жидкости по формулам а1, аг. аз — коэффициенты температуропроводности первого, второго и третьего слоев внутреннего цилиндра, м /c; Тк* — разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном цилинд-рическом сечении постоянного радиуса R1 на последнем шаге измерения при подводе теплоты за счет самораэогрева жидкости при диссипации механической энергии вращения внешнего цилиндра. К; 1820309 Составитель Ю. Баранников Редактор Т, Куркова Техред М.Моргентал КорректЬр С. Лисина Заказ 202.7 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Т(К1, t) — разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в KOаксиальHOM цилиндрическом сечении постоянного радиуСа И1; q щ Вльная мощность ив 7u« n3 л 7 лллоты, Втlм; рй — известные положительнь е ае нественные числа: 5 n — целое положительное число.
