ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения технологической разработки

В способе исследуемую жидкость помещают в зазор между коаксиальными цилиндрами, приводят один из цилиндров во вращение с постоянной угловой скоростью, подводят теп­лоту к исследуемой жидкости и измеряют тем­пературу внешнего и внутреннего цилиндров. 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 времениdt₁измеряют разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутрен­него цилиндра в коаксиальном цилиндриче­ском сечении постоянного радиуса, на каждом l-ом шаге измерения определяют величину

гдеt _i-разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилинд­ра в коаксиальном цилиндрическом сечении по­стоянного радиуса на l-ом шаге измерения;

tl-n- разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внут­реннего цилиндра в коаксиальном сечении постоянного радиуса на 1-n шаге измерения,

сравнивают величину у _l с заданным минимальным значениемy _min1, при дости­жении заданного минимального значе­ния у_l<>min₁регистрируют разностьtk* 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 времениdt₂регистрируют разность между температурой внешнего ци­линдра и температурой внутреннего цилин­дра в коаксиальном цилиндрическом сечении постоянного радиуса, на каждом шаге контролируют величину у _l, сравнива­ют величину у _l с заданным минимальным значениемy _min2, при достижении заданно­го минимального значения у _|=y _min2 измере­ние заканчивают и вычисляют коэффициент теплопроводности lх, коэффициент темпе­ратуропроводности ах и параметр m _х/l _х исследуемой жидкости по формулам

, (1)

, (2)

, (3)

гдеg _x- корень уравнения

С ₅(р), С ₆(р), С ₃(р), С ₄(р), С ₂(р), С ₁(р) решения систем уравнений:

где w [1/с] - угловая скорость вращения внешнего цилиндра,t[с] - время:r₁,r₂, r _з [м] - внешние радиусы первого, второго и третьего слоев внутреннего цилиндра:l_О(х), К _О(х) - модифицированные функции Бесселя нулевого порядка:l₁(x),k₁(x) - модифицированные функции Бесселя первого порядка;
- коэффициенты теплопро­водности первого, второго и третьего слоев внутреннего цилиндра:a₁, а ₂, а ₃ [м ²/с] -коэффициенты температуропроводности первого, второго и третьего слоев внутренне­го цилиндра:tk*[k] - разность между темпе­ратурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего цилиндра в коаксиальном ци­линдрическом сечении постоянного радиуса r ₁ на последнем шаге измерения при подво­де теплоты за счет саморазогрева жидкости при диссипации механической энергии вра­щения внешнего цилиндра:t(r₁,t) - раз­ность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего ци­линдра в коаксиальном цилиндрическом се­чении постоянного радиусаr₁:q[Вт/м ²] -удельная мощность источника теплоты: р,k- известные положительные вещественные числа:n- целое положительное число.

При анализе известных технических ре­шений не обнаружены решения, имеющие признаки, сходные с отличительными при­знаками предлагаемого изобретения.

Наличие совокупности существенных признаков позволит дополнительно опре­делить величинуm_х/l_хи коэффициент тем­пературопроводности а _х, а также позволит организовать автоматическое управление процессом измерения.

Сущность предлагаемого способа пояс­няется следующим теоретическим обосно­ванием.

Задача о расчете температурного поляt(r,t) исследуемой жидкости, находящейся в зазоре между вращающимися коаксиаль­ными 'цилиндрами, записывается следую­щимобразом

,

t> 0, 0 < r="">₁ < r="">₂ < r="">₃ < r="">< r="">₄ (4)

,

t(r ₂ - 0,t) = t(r ₂ + 0,t) (5)

,

t(r ₃ - 0,t) = t(r ₃ + 0,t),

,

t(r₄,t) = 0

где r [м] - радиальная координата: С _хp _х (Дж/(м ³К)] - объемная теплоемкость исследуемой жидкости:c₁p₁, с ₂р ₂, с ₃р ₃[Дж/(м ³_k)] - объемная теплоемкость первого, второго и третьего слоев внутреннего цилиндра:m[кг/(мс)] - динамическая вязкость:t*(r) -функция, описывающая температурное по­ле, 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

t(r,t)=t(r,t)+t*(r)

где Т(r,t) - функция, описывающая темпера­турное поле исследуемой жидкости в услови­ях, когда к ней подводится тепловая энергия от источника теплоты с удельной мощностью q при w = 0 и Т*(r)=0. Эта функция определя­ется кок решение уравнения (4) с краевыми условиями (5) при w = 0 и Т*(r) = 0. С исполь­зованием временных интегральных харак­теристик

,

Получены расчетные зависимости (1) и (2). позволяющие вычислять значения коэффи­циентов температуропроводности и тепло­проводности по известным значениям температурыt(r₁,t) и теплового потока ис­точника теплотыq.

Задача для определения температурно­го поля Т*(г) имеет следующий вид

,

О < r="">₁ <>₂< н="">₃<><>₄,

t*(r ₂ - 0) = t*(r ₂ + 0);

t*(r ₃ - 0) = t*(r ₃ + 0);

Решая эту задачу, получаем формулу (3) для определения параметраm_х/l_хисследу­емой жидкости.

Схема устройства для реализации предлагаемого способа измерения теплофизических характеристик жидкости изображена на чертеже.

Устройство представляет собой два коак­сиальных цилиндра i и ii. в зазоре между которыми находится исследуемая жидкость. Внутренний цилиндр i состоит из первого 1, второго 2 и третьего 3 цилиндрических слоев. Между слоями 1 и 2 в коаксиальном цилинд­рическом сечении радиуса ri расположены термометр сопротивления 5 и источник теп­лоты 4. Теплофизические свойства всех трех слоев заранее известны. Наружный по­движный цилиндр ii с внутренним радиусомr₄имеет водяную рубашку 6, в которую по­мещен термометр сопротивления 7. Термо­метры сопротивления 5 и 7. а также манганиновые сопротивления r ₁ иr₂вклю­чены в мостовую измерительную схему. Разность между температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего ци­линдра в коаксиальном цилиндрическом се­чении радиусаriпропорциональна выходному сигналу мостовой схемы и вы­числяется по формуле

t _l=m _l u _l, (6)

гдеm- коэффициент пересчета напряженияu _lизмерительной мостовой схемы в раз­ностьt _lмежду температурой внутреннего цилиндра 1 в коаксиальном цилиндрическом сечении радиуса r ₁ и температурой внешне­го цилиндра ii.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Исследуемую жидкость помещают в за­зор между двумя, коаксиальными цилиндрами l и ii. Приводят во вращение с постоянной угловой скоростью внешний цилиндр ii, тем­пературу которого на протяжении всего испы­тания поддерживают постоянной за счет подачи теплоносителя из термостата в водя­ную рубашку 6. В результате саморазогрева вязкой исследуемой жидкости в процессе диссипации механической энергии враще­ния внешнего цилиндра к исследуемой жид­кости подводят теплоту. Через равные промежутки времениdt₁измеряют значе­ние выходного сигнала u _i мостовой измери­тельной схемы и по формуле (6) вычисляют разность между температурой внешнего ци­линдра и температурой внутреннего цилин­дра в коаксиальном цилиндрическом сечении радиуса r ₁. На каждом шаге изме­рения контролируют величинуЎ_i,сравнива­ютЎ_iс заданным минимальным значениемЎ_min1и при достижении условияЎ_i<>_min1регистрируют разность температурt _k*на последнем шаге. Затем подают постоянную мощность на источник теплоты 4. располо­женный в коаксиальном цилиндрическом сечении радиуса r ₁. и через равные проме­жутки времениdt₂измеряют значение выход­ного сигнала u _l и регистрируют вычисленную по формуле (6) разностьt _iмежду температурой внешнего цилиндра и температурой внутрен­него цилиндра в коаксиальном цилиндриче­ском сечении радиуса r ₁. На каждом шаге контролируют величинуЎ_iи сравнивают ее с заданным минимальным значением у_min2. При выполнении условияЎ_i<>_min2испыта­ние прекращают, а искомые теплофизические характеристикиl_х, a _х.m_х/l_хвычисляют по формулам (1), (2) и (3).

Пример конкретной реализации спосо­ба при измерении теплофизических свойств эпоксидной смолы. Смолу помещали в зазор между коаксиальными цилиндрами i и ll.

Первый слой внутреннего цилиндра из тек­столитаl₁=0,31 Вт/(мК),a₁= 1,48 10 ^-7м ²/cимел внешний радиусr₁= 21 мм. Второй слой из силиконового маслаl₂= 0,22 Вт/(мК), а ₂ = 7,5 10 ^-8 м ²/с имел внешний радиусr₂= 22,5 мм. Третий слой из алюми­нияl₃= 205 Вт/(мК). а ₃ = 8,5 10 ^-5м ²/с имел внешний радиус r ₃ = 25 мм. Наружный ци­линдр имел внутренний радиусr₄= 27 мм. Внешний цилиндр приводили во вращение с угловой скоростью w = 15 об/мин, и темпе­ратуру его в процессе измерения поддержи­вали постоянной и равной 40°С. В результате саморазогрева зпоксидной смо­лы в процессе диссипации механической энергии вращения внешнего цилиндра к эпоксидной смоле подводилась теплота. На каждом шаге измерения с периодом време­ниdt₁= 30 с напряжение мостовой измери­тельной схемыuчерез аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вводили в устройст­во сбора и обработки информации, где осуществляли пересчет напряженияu _lв разностьt _lмежду температурой внешнего цилиндра и температурой внутреннего ци­линдра в коаксиальном сечении радиусомr₁, вычисляли величинуg_iи сравнивали с заданным значениемg_min1=0.001, как только величинаg_iстала меньшеg_min1зарегистри­ровали разность температур Тk* = 0,139 К. Затем подали постоянную удельную мощ­ность 250 Вт/м ² на источник теплоты, рас­положенным в коаксиальном сечении внутреннего цилиндра радиусом r ₁ =21 мм, и с периодом времениdt₂= 15 с вводили напряжение мостовой измерительной схе­мы через АЦП о устройство сбора и обработ­ки информации, где осуществляли пересчет напряженияu _iв разностьt _iмежду темпе­ратурой внешнего цилиндра и температу­рой внутреннего цилиндра в коаксиальном сечении радиусом r ₁. на каждом шаге изме­рения регистрировали эту разность темпе­ратур. вычисляли величинуg_iи сравнивали с заданным значениемg_min2= 0.0001. Как только величинаg_iстала меньше или рав­ной величинеg_min2, управляющее устройст­во прекратило измерение. Обработку экспериментальной информации по форму­лам (1), (2) и (3) проводили приp₁= 0,00012 иk= 12. Вычисленные значения коэффициента теплопроводностиl_х. коэффициента темпе­ратуропроводности a _х и параметраm_х/l_храв­нялись соответственноl_х= 0.13 Вт/(мК), а _x = 0,8 10 ^-7м ²,m_х/l_х= 256 кг К/(Вт с).