SU1681217A1 - Method of determining thermal physic characteristics of fluid - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к экспериментальной теплофизике и может быть использовано дл  определени  температуропроводности и теплопроводности жидкостей. Цель изобретени  - расширение области применени  при сохранении заданной степени точности. Исследуемую жидкость прокачивают через трубку, стенки которой обогревают равномерно распределенным по длине трубки тепловым потоком . В процессе испытаний измер ют величину теплового потока, расход жидкости , температуры жидкости в начале и в конце трубки, а также температуру стенки в конце трубки. При этом отношение разности температур стенки и жидкости в конце трубки к разности температур жидкости в конце и в начале трубки поддерживают в диапазоне 0,9...1,1. 2 ил. ел СThe invention relates to experimental thermal physics and can be used to determine thermal diffusivity and thermal conductivity of liquids. The purpose of the invention is to expand the field of application while maintaining a given degree of accuracy. The test liquid is pumped through a tube, the walls of which are heated by a heat flow uniformly distributed along the length of the tube. During the test, the magnitude of the heat flow, the flow rate of the liquid, the temperature of the liquid at the beginning and at the end of the tube, and the wall temperature at the end of the tube are measured. The ratio of the temperature difference between the wall and the liquid at the end of the tube to the temperature difference of the liquid at the end and at the beginning of the tube is maintained in the range of 0.9 ... 1.1. 2 Il. ate with

Description

Изобретение относитс  к области экспериментальной теплофизики и может быть использовано дл  определени  теплофизических характеристик жидкостей.The invention relates to the field of experimental thermal physics and can be used to determine the thermophysical characteristics of liquids.

Цель изобретени  - расширение области применени  при сохранении заданной степени точности.The purpose of the invention is to expand the field of application while maintaining a given degree of accuracy.

Поддержива  значение отношени  разности температур стенки и жидкости в конце трубки к разности температур жидкости в конце и начале трубки в диапазоне 0,9...1,1, сокращаетс  врем  пребывани  исследуемой жидкости в трубке, что уменьшает тепловое воздействие на жидкость и позвол ет исследовать жидкости, не выдерживающие длительного теплового воздействи . Одновременно точностьMaintaining the value of the ratio of the temperature difference between the wall and the liquid at the end of the tube to the temperature difference between the liquid at the end and the beginning of the tube in the range of 0.9 ... 1.1, the residence time of the test liquid in the tube decreases, which reduces the thermal effect on the liquid and allows you to investigate fluids that cannot withstand prolonged heat exposure. Simultaneous accuracy

определени  теплофизических характеристик жидкостей поддерживаетс  на заданном уровне.determining the thermophysical characteristics of liquids is maintained at a predetermined level.

Температурах ламинарного потока жидкости в цилиндрической трубке радиуса го d/2 (d - диаметр трубки), обогреваемой равномерно распределенным тепловым потоком qc определ етс  зависимостьюThe temperature of the laminar fluid flow in a cylindrical tube of radius d / 2 (d is the diameter of the tube) heated by a uniformly distributed heat flux qc is determined by the dependence

О 00About 00

10 4 10 4

t-t Чсtt tc

,,

0)0)

где R - - безразмерный радиус;where R - is the dimensionless radius;

ГоGo

7Г Э X7G O X

X -2 5безразмерна  лродольчЗX -2 5 is not dimensionless

на  координата;on coordinate;

Aj, EI - известные числа;Aj, EI - known numbers;

q - расход жидкости через трубку;q - flow rate through the tube;

fy ( R) - известные функции;fy (R) - known functions;

а, А - температуропроводность и теплопроводность жидкости;a, A - thermal diffusivity and thermal conductivity of a liquid;

г, х - размерные радиальна  и продольна  координаты;.g, x - dimensional radial and longitudinal coordinates ;.

t-н - температура жидкости в начале трубки.tn - the temperature of the liquid at the beginning of the tube.

Если в формуле (1) R 1, то получим формулу дл  вычислени  температуры tc стенки трубкиIf in formula (1) R 1, then we obtain a formula for calculating the temperature tc of the tube wall

((1)(Х)1((1) (x) 1

с dwith d

i&i &

t 1t 1

а)but)

Из условий теплового баланса следует, сто среднемассова  температура t жидкости измен етс  по длине трубки по законуIt follows from the conditions of heat balance that the average mass temperature t of a liquid varies along the length of the tube according to the law

t - О Yt - O Y

gc -d А gc -d A

Если в качестве среднемассовой температуры г прин ть среднемассовую температуру tK жидкости в конце трубки, то из последней формулы получим30If we take the average mass temperature tK of the liquid at the end of the tube as the mass-average temperature g, then from the last formula we get 30

tk -t.Htk -t.H

gc-dgc-d

2Х 2X

(3)(3)

Вычтем уравнение (3) из уравнени  (2) и получим:Subtract equation (3) from equation (2) and get:

- - rA- rijexpf-efx) w- - rA- rijexpf-efx) w

АBUT

Поделим уравнение (4) на уравнение (3) Let's divide equation (4) into equation (3)

и получимand get

tc tk ft (X tk -tHtc tk ft (X tk -tH

ОбозначимDenote

tc - tk tc - tk

tk-tH - ZX (X) Тогда получитс  зависимостьtk-tH - ZX (X) Then we get the dependence

0 0 (X), (5)0 0 (X), (5)

Из формулы (5) видно, что каждому значению 0 - -- , соответствует только tk - IHFrom the formula (5) it can be seen that each value 0 - -, corresponds only to tk - IH

одно значение безразмерного параметра Y -Эт-а Ione value of the dimensionless parameter Y is I

29 29

Если вести измерени  при известномIf you take measurements at a known

значении #,то коэффициент температуропроводности а можно вычислить по формулеthe value of #, then the coefficient of thermal diffusivity and can be calculated by the formula

где X - f i( 0} - функци , обратна  зависимости (Х) where X - f i (0} is a function inverse to dependence (X)

Если подставим зависимость X f i( 0) в формулу (4), получимIf we substitute the dependence X f i (0) into formula (4), we get

§ (Х)ИМ0) .§ (X) IM0).

Обозначим р2 f 1 (в) h (в ) .We denote p2 f 1 (c) h (c).

Тогда из зависимостиThen from the dependency

tc-tk tc-tk

f2(0)f2 (0)

1515

1one

2020

2525

30thirty

3535

4040

4545

5050

5555

получим формулу дл  вычислени  коэффициента теплопроводностиget the formula for calculating thermal conductivity

A f ® # 5-ИA f ® # 5-AND

На фиг, 1 показана зависимость погрешности определени  температуропроводности и теплопроводности от отношени  разности температур в; на фиг. 2 - схема устройства дл  реализации способа.Fig. 1 shows the dependence of the error in determining thermal diffusivity and thermal conductivity on the ratio of the temperature difference to; in fig. 2 is a diagram of an apparatus for implementing the method.

Устройство (фиг. 2) включает емкость 1, насос 2, термостат 3, расходомер 4 и измерительную трубку. На измерительной трубке установлены вод на  рубашка 5, электрический нагреватель б, навитый из нихромовой проволоки с посто нным шагом , измерители 7 среднемассовой температуры жидкости и дифференциальные термопары 8-10, измер ющие соответственно температуру tc стенки в конце трубки , среднемассовую температуру IK жидкости в конце трубки и среднемассовую температуру tn жидкости в начале трубки. Дл  устранени  утечек тепла от нагревател  6 в окружающую среду измерительна  трубка снабжена системой охранных нагревателей 11. Автотрансформатор 12 обеспечивает возможность изменени  напр жени  на нагревателе 6, а ваттметр 13 служит дл  измерени  мощности Р, потребл емой нагревателем 6. При качественной работе охренных нагревателей 11, обеспечивающей полное устранение утечек тепла от основного нагревател  6 в окружающую среду, ваттметр 13 может быть использовано дл  определени  теплового потока QC по формуле:The device (Fig. 2) includes a tank 1, a pump 2, a thermostat 3, a flow meter 4, and a measuring tube. Water is installed on the measuring tube on the jacket 5, electric heater b, wound from nichrome wire with constant pitch, liquid mass average temperature meters 7 and differential thermocouples 8-10, measuring respectively the wall temperature tc at the end of the tube, the average mass temperature IK of the liquid at the end tube and the mass-average temperature tn fluid at the beginning of the tube. To eliminate heat leaks from the heater 6 to the environment, the measuring tube is equipped with a security heater system 11. Autotransformer 12 provides the ability to vary the voltage on the heater 6, and the wattmeter 13 serves to measure the power P consumed by the heater 6. With high-quality operation of the heated heaters 11, ensuring complete elimination of heat leaks from the main heater 6 to the environment, power meter 13 can be used to determine the heat flow QC using the formula:

п - Р.. 9е  -сГ- I p - R .. 9e-sG- I

где Р - мощность, потребл ема  нагревателем 6;where P is the power consumed by the heater 6;

d, I - соответственно внутренний диаметр и длина участка трубы, на котором установлен нагреватель 6.d, I, respectively, the internal diameter and length of the pipe section on which the heater 6 is installed.

Кроме того, в установку вход т тепломер 14, например, термобатарейного типа, установленный на стенке измерительной трубки под нагревателем 6 и вольтметр 15. Тепломер 14 и вольтметр 15 позвол ют осуществл ть непосредственное измерение теплового потока qc, подводимого к исследуемой жидкости от нагревател  6.In addition, the installation includes a heat meter 14, for example, of a thermopile type, mounted on the wall of the measuring tube under the heater 6 and a voltmeter 15. The heat meter 14 and the voltmeter 15 allow direct measurement of the heat flux qc supplied to the liquid under study from the heater 6.

Предлагаемый способ осуществл ют следующим образом.The proposed method is carried out as follows.

Исследуемую жидкость А из емкости 1 прокачивают насосом 2 через термостат 3 и измерительную трубку так, чтобы расход жидкости был посто нный, а режим течени  жидкости в измерительной трубке ламинарный . Наличие ламинарного режима течени  в измерительной трубке контролируют по показани м расходомера 4. Необходимую начальную температуру исследуемой жидкости А поддерживают за счет пропускани  ее через термостат 3, а также за счет пропускани -воды-теплоносител  В из термостата 3 через вод ную рубашку 5. После выхода из зоны вод ной рубашки 5 поток исследуемой жидкости обогревают равномерно распределенным по поверхности стенки трубки тепловым потоком, подводимым от электрического нагревател  6. С помощью термопар 10, 9, установленных в измерител х 7, измер ют температуры tH, tK исследуемой жидкости соответственно в начале и в конце измерительной трубки, а с помощью термопары 8 измер ют температуру tc стен- ки в конце трубки. Путем изменени  числа оборотов насоса 2 измен ют расход q исследуемой жидкости через трубку и за счет этого устанавливают такой режим работы установки, при котором отношениеThe test liquid A from the tank 1 is pumped by the pump 2 through the thermostat 3 and the measuring tube so that the flow rate is constant, and the flow of the fluid in the measuring tube is laminar. The presence of a laminar flow mode in the measuring tube is monitored by the indications of the flow meter 4. The required initial temperature of the test liquid A is maintained by passing it through thermostat 3, as well as by passing water-heat carrier B from thermostat 3 through the water jacket 5. After leaving from the zone of the water jacket 5, the flow of the test liquid is heated by a thermal flow uniformly distributed over the surface of the tube wall by an electric heater 6. With the help of thermocouples 10, 9 installed in the measurement Ithel x 7, measured temperature tH, tK sample liquid at the beginning and at the end of the measuring tube, and a thermocouple 8 was measured temperature tc sten- ki at the end of the tube. By changing the number of revolutions of the pump 2, the flow rate q of the liquid under study is changed through the tube and, as a result, the installation is set in such a way that the ratio

д tc - tkd tc - tk

разностей температур (tc - tK) и (t« - tH) находитс  в пределах 0,9... 1,1. После установле- ни  режима работы, при котором 0,9 0 1,1, измер ют плотность теплового потока qc, измер ют температуру стенки tc в конце трубки, температуры tH и IK жидкости в начале и конце трубки, вычисл ют фак- тическое значение отношени temperature differences (tc - tK) and (t ' - tH) are in the range of 0.9 ... 1.1. After setting the operating mode in which 0.9 0 1.1, the heat flux density qc is measured, the wall temperature tc at the end of the tube, temperature tH and IK of the liquid at the beginning and end of the tube are measured, the actual value is calculated relationship

и -and -

k-tkk-tk

tk tHtk tH

и по формулам 5-7 определ ют комплекс теплофизических характеристик жидкости, а именно температуропроводности з и теплопроводности Я.and using formulas 5-7, they determine the complex of thermophysical characteristics of the liquid, namely, thermal diffusivity and thermal conductivity of H.

Согласно изобретению измерительные операции осуществл ют так, что отношение разностей температурAccording to the invention, the measuring operations are carried out in such a way that the ratio of the temperature differences

д tc - tkd tc - tk

находитс  в диапазоне 0,9...1,1, уменьшена длительность и величина теплового воздействий на исследуемую жидкость и за счет этого расширена область применени  способа и повышена достоверность информации об искомых теплофизических характеристиках жидкости.is in the range of 0.9 ... 1.1, the duration and magnitude of thermal effects on the test liquid is reduced, and due to this, the area of application of the method is expanded and the reliability of information about the desired thermal characteristics of the liquid is increased.

Проведенные параметрические расче ты показывают, что при отношении 6 0,9...1,1 и длине трубки 0,7...0,8 м, врем  пребывани  жидкости в трубке не превышает 4 с, в то врем  как в прототипе это врем  составл ло 17-20 с и более. При этом погрешность определени  температуропроводности (фиг. 1) не превышает 9%, а теплопроводности 6...7%.The carried out parametric calculations show that with a ratio of 6 0.9 ... 1.1 and a tube length of 0.7 ... 0.8 m, the residence time of the liquid in the tube does not exceed 4 s, while in the prototype it is the time was 17–20 s or more. In this case, the error in determining the thermal diffusivity (Fig. 1) does not exceed 9%, and the thermal conductivity 6 ... 7%.

С использованием данного изобретени  могут быть исследованы жидкости, не допускающие длительного нагрева, который вли ет на их теплофизические характеристики .Using this invention, liquids that do not allow prolonged heating, which affects their thermophysical characteristics, can be investigated.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Способ определени  теплофизических характеристик жидкости, заключающийс  в том, что ламинарный поток исследуемой жидкости пропускают через трубку, стенки которой обогревают равномерно распределенным подлине трубки тепловым потоком, измер ют плотность теплового потока, расход жидкости, температуру жидкости в начале и в конце трубки, температуру стенки в конце трубки и определ ют искомые характеристики , отличающийс  тем, что, с целью расширени  области применени  при сохранении заданной степени точности , значение отношени  разности температур стенки и жидкости в конце трубки к разности температур жидкости в конце и в начале трубки поддерживают в диапазоне 0,9.. .1,1.The method for determining the thermophysical characteristics of a fluid, which consists in passing the laminar flow of the test fluid through a tube, the walls of which are heated by a uniformly distributed tube with heat flow, measures the heat flow density, fluid flow, temperature of the fluid at the beginning and end of the tube, wall temperature the end of the tube and determine the desired characteristics, characterized in that, in order to expand the scope of application while maintaining a given degree of accuracy, the value of the difference ratio wall temperature and the liquid in the liquid end of the tube to a temperature difference at the end and the beginning of the tube is maintained in the range 0.9 .. .1,1. г а Г/ga G / 0,250.25 0,5 7 Г,Г Фиг.г0.5 7 G, G Fig. G