ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения технологической разработки

Устройство включает в себя плоский проточный канал 1, образованный термостатирующей поверхностью 2 и плоским известным термосопротивлением 3, источник теплоты 4, второе плоское известное термо­сопротивление 5, вторую термостатирующую поверхность 6 и измерители темпера­туры 7-13, например термопары.

На фиг.1 ось х является продольной про­странственной координатой канала, лежит на термостатирующей поверхности 2 и на­правлена в сторону движения жидкости, а ось у является поперечной пространствен­ной координатой канала. На графиках, приведенных на фиг.2, использованы следующие обозначения: Ти(х) -температу­ра источника теплоты 4: Тп(х) - температура поверхности слоя исследуемой жидкости, противолежащей термостатируемой повер­хности 2;dТ ₂,dt₁,dТх - перепады тем­пературы соответственно на тепловом сопротивлении 5 толщинойl₂, на тепловом сопротивлении 3 толщиной l ₁ и на слое 1 исследуемой жидкости толщинойh:r₁-значение теплового сопротивления 3:r₂-значение теплового сопротивления 5:ry=h/y- значение теплового сопротивле­ния слоя 1 исследуемой жидкости, тепло­проводность которой вдоль оси у равна у;

x₁- граница "измерительного участка" пло­ского канала, представляющая собой наи­меньшее значение продольной координаты х. начиная с которого перепады температур Т ₂, Т ₁, Тх перестают зависеть от зна­чения х и становятся практически постоян­ными Т ₂=const,t₁=const, Тх =const.

Сущность предлагаемого способа пояс­няется следующим теоретическим обосно­ванием.

Перемещение исследуемой пробы в плоском проточном канале 1 относительно источника теплоты 4 и ее стока (термостати­рующей поверхности 2) приводит к тому, что температура Тп(х) поверхности пробы со стороны подвода теплового потока повыша­ется в направлении движения. Это обуслов­лено накоплением тепловой энергии в элементарном объеме жидкости по мере продвижения ее вдоль источника теплоты 4. Одновременно, однако, увеличивается доля теплоты, стекающей через второе тепловое сопротивление 5 к второй термостатирую­щей поверхности 6. Координата x1 сечения канала, начиная с которого устанавливают­ся постоянные значения температур Тп(х) -То = Тх =constи Ти(х) - То = Т ₂ = =const, является границей "измерительного участ­ка" канала. От этого сечения x1 и далее по движению жидкости происходит стабилиза­ция температур Тп(х), Ти(х). т.е. изменения температуры Тп(х) нагреваемой поверхно­сти слоя исследуемой жидкости и темпера­туры Ти(х) источника теплоты становятся пренебрежимо малыми.

Таким образом, на "измерительном участке" канала при х > x ₁ процесс теплопереноса не зависит от продольной координаты х и от времениt.

Введем обозначения:q[Вт/м ²] - удель­ная мощность источника теплоты 4;q₁,q₂[Вт/м ²] - плотности тепловых потоков, про­ходящих соответственно через тепловые со­противления 3 и 5.

При стационарном тепловом режиме на "измерительном участке" канала при х > x ₁ выполняется условие теплового балансе q=q ₁+q ₂.

Если в ходе эксперимента измерено значение перепада температур Т2 между источником теплоты 4 и термостатирующей поверхностью 6, то

Температурное поле Т(у) ламинарного потока исследуемой жидкости на "измери­тельном участке" канала 1 описывается кра­евой задачей

(1)

(2)

(3)

гдеw(y) [Вт/м ³] - функция, описывающая выделение теплоты внутри ламинарного потока исследуемой жидкости, например, за счет вязкого трения. Отметим, что числен­ные значения функцииw(y) должны быть заранее определены на основании реологи­ческого уравнения состояния жидкости. Ос­тальные обозначения были определены выше.

Если теплопроводность у исследуемой жидкости является функцией у = у (у), то в результате решения краевой задачи (1)-(3) получается интегральное уравнение

(4)

с использованием которого может быть най­дена искомая функция у = у(у). Если по условиям проведения эксперимента иско­мую теплопроводность у(у) жидкости мож­но считать постоянной у (у) = у =const, то интегральное уравнение (4) превращается в формулу

(5)

Из приведенного выше обоснования сущности способа видно, что предлагаемый способ обеспечивает устранение недостат­ков, присущих прототипу, а именно повы­шает точность за счет учета изменения теплопроводности жидкости под влиянием обратимых деформаций, возникающих при ее течении.

При размещении источника теплоты 4 и измерителей температуры 7...11 непосред­ственно на поверхности слоя 1 исследуемой жидкости возникают погрешности вследст­вие необходимости введения дополнитель­ного защитного слоя для предохранения этих элементов 4,7,...11 от истирания про­бой. Кроме того, источником погрешности может служить дискретность источника теп­лоты 4, застилающего поверхность нагрева­тельными элементами (проволока, фольга, полоски жести), разделенными электроизо­лирующими промежутками. Поэтому, для повышения точности за счет оптимизации воспроизведения граничных условий на по­верхности пробы со стороны подвода теплового потока, предлагается отделить источник теплоты 4 от слоя исследуемой жидкости плоским известным тепловым со­противлением 3. Это тепловое сопротивле­ние 2 уменьшит величину температурных неоднородностей на поверхности пробы по сравнению с неоднородностями в плоско­сти подвода теплоты. При известных тепло­вых сопротивлениях 3 и 5, окружающих источник теплоты 4, существует однознач­ная связь между температурой Ти(х) источ­ника теплоты 4 и температурой Тп(х) поверхности слоя испытуемой жидкости. Таким образом, дополнительное повыше­ние точности достигается за счет оптимиза­ции воспроизведения граничных условий на поверхности испытуемой пробы с использо­ванием тепловых сопротивлений 3, 5.

Способ реализуется следующим обра­зом.

Исходя из планируемого расхода испы­туемой жидкости и длительности испытания выбирают исходное количество материала пробы и термостатируют ее при заданной "минимальной" температуре Т ₀ испытания (имеется ввиду, что на слое исследуемой пробы жидкости реализуется перепад тем­ператур между "минимальной" и "макси­мальной" температурами испытаний). Поверхности 2 и 6 термостатируют при той

же "минимальной" температуре То. Возмож­но, однако, для поверхности 6 установление иной, более высокой температуры. Исходя из планируемой "максимальной" темпера­туры выбирается значение удельной мощно­сти источника теплоты 4.

После завершения термостабилизации пробы и поверхностей 2, 6 при заданной "минимальной" температуре То пропускают испытуемую пробу с постоянным расходом через плоский проточный канал 1, за счет которого формируют плоский слой испытуе­мой жидкости. Одновременно к источнику теплоты 5 непрерывно подводят постоян­ную удельную мощностьq. При этом тепло­вой потокq₁к исследуемой жидкости подводят от источника теплоты 4 через пло­ское известное тепловое сопротивление 3, причем источник теплоты 4 теплоизолируют с внешней по отношению к каналу сторо­ны вторым плоским известным тепловым сопротивлением 5, внешнюю поверхность которого поддерживают при заданной тем­пературе с использованием термостатирующей поверхности 6. После достижения стационарного (установившегося) теплового режима работы (что контролируют по постоянству показаний измерителей тем­пературы 7...13), регистрируют изменение температуры Ти(х) поверхности слоя жидкоcти, противолежащей термостатируемой по­верхности 2, в направлении движения жидкости. При этом, об изменении темпера­туры Тп(х) поверхности слоя жидкости судят по температуре Ти(х) источника теплоты 4, регистрируемой измерителями температу­ры 7...11. По показаниям измерителей тем­пературы 7...11 определяют границуx₁"измерительного участка" плоского канала, на котором изменения температуры стано­вятся пренебрежимо малыми. На практике изменение температуры можно считать пре­небрежимо малым, если показания двух со­седних измерителей температуры, например измерителей 10 и 11, отличаются менее чем на один процент. В случае, пред­ставленном на графиках фиг.2, видно, что граница xi "измерительного участка" пло­ского канала проходит между измерителями температуры 9 и 10. Поэтому, для обработки экспериментальных данных могут быть ис­пользованы значения перепада температу­ры Т ₂ = Ти(х) - То, определенные по разности показаний измерителей темпера­туры 10, 12 или 11, 12.

После определения положения границы x ₁ "измерительного участка" плоского кана­ла, на котором изменение температуры вдоль продольной координаты становится пренебрежимо малым, перепад температуры Т2 = Ти(х) - То измеряют на основании измерения температуры То термостатируемой поверхности 6 по показаниям измери­теля 12 и на основании измерения температуры Ти(х) источника теплоты 4 из­мерителем 11. Одновременно с измерением перепада температур измеряют значение удельной мощностиqисточника теплоты 4 и расходqисследуемой жидкости через пло­ский канал 1. Искомую величину теплопро­водности у исследуемой жидкости определяют путем решения интегрального уравнения (4) или по формуле (5) с учетом экспериментально измеренных значений физических величин Т2,r₁,r₂,q,h,w(y), причем непосредственно в ходе экспери­мента измеряют значения Т2, q и расход q исследуемой жидкости через плоский ка­нал. Значения термосопротивленийr₁,r₂, толщинаhи функция внутренних источни­ков теплаw(y) должны быть определены за­ранее при подготовке к эксперименту.