Способ определения теплофизических параметров влагонасыщенных веществ

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН Э(59 С 01 К 25 1ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) 1. Волькенштейн В.С, Скоростнойметод определения теплофизическиххарактеристик материалов. Л"Энергия", 1971, с, 14.2. Калинин В.В., Фадеев В.Е.Нестационарный метод определениятеплофизических параметров грунтов."Вест. МГУ. Сер, Геология", 1980,В 2, с. 65-71 (прототип),. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЛАГОНАСЫЩЕННЫХ ВЕЩЕСТВ, заключающийся в измерении изменения температуры, создаваемой БО 1117510 А при нагреве исследуемого. вещества, и в сравнении полученной температурной кривой с эталонной, по которому определяют коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемную теплоемкость, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью уменьшения времени и повышения точности определения, через исследуемое вещество пропускают импульс электрического тока с помощью помещенных в него двух электродов, длительность которого выбирают из соотношения Д 7 0,001 а 2 /з где а - наибольший линейный размер электродов 1 у - нат именьшее теоретически возможное для исследуемого вещества значение коэффициента температуропроводности, а температуру измеряют на границе одного из электродов с исследуемым веществом.Изобретение относится к исследованию теплофизических параметров вещества, в частности к геофизическим исследованиям на акваториях с целью определения физических характеристик донных осадков, при этом определяемыми параметрами являются коэффициент температуропроводности М объемная теплоемкость р и коэффициент те- . плопроводности, оИзвестен способ определения тепло- физических параметров вещества, заключающийся в измерении процесса изменения температуры, создаваемой в результате теплового взаимодействия изучаемой среды и внедряемого в него зонда 13Однако разность температуры среды и зонда является величиной нерегулируемой. Этот недостаток особенно существенен при исследовании свойств удаленных объектов, например, при изучении придонных грунтов на акваториях. В этом случае начальная температура зонда ранна температуре при донного слоя воды, следствием чего является малая начальная разность температур зондаи среды и, соответственно, низкая точность определения теплофизических параметров.30 Наиболее близким к изобретению является способ определения теплофизических параметров веществ, заключающийся в измерении процесса изменения температуры, создаваемой при нагреве исследуемого вещества, и сравнении полученной температурной кривой с эталонной 2 3Недостатком известного способа яв- ляется большое время измерений, поскольку определение теплофизических параметров осуществляется по асимптотическим участкам кривых Т 1 , списывающих процесс изменения темпера 4 туры Т от времени 1 . Помимо очевидных технологических трудностей, связанных с необходимостью проведения длительных наблюдений, увеличениевремени экспозиции вызывает и принципиальные проблемы: при длительном искусственном нагреве влагонасыщенных сред, например придонных грунтов, в них развиваются процессы массовлагопереноса, что делает полностью непригодными методы интерпретации кривых или снижает точность определения, Время измерений составляет 5-15 мин в зависимости от типа веществ, приодного из электродов с исследуемым веществом.Сущность предлагаемого способа заключается в следуюшем.В исследуемое вещество (среду ) помещают пару электродов, через которые, начиная с некоторого момента времени 1=1, до момента Т= япропускают импульс электрического тока длительностью й 77 ч- . Если принять, что при Ф:T, температура среды Т(Х,.;,г,.3 =О, то при С),Г, ч она описывается уравнением д"Тус - , - = 6 Г+. Е плотность среды," С - удельная теплоем"остьсреды;Т - температура;ь - времяЛ - коэффициент тенлопроводности среды;ЙТ - . лапласиан:,где уГ 2 Т6 Т= --- + -- -1,Я , 2 у 2 декарговы координаты точекср еды 1плотность тока;напряженность электрического поля;объемная теплогмкость. у:(яда,Ц - Е: Е(Д 24 этом погрешности в определениях могут достигать 100-2003.Целью изобретения является уменьшение времени и повышение точности определения.Укаэанная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических параметров веществ, заключающемуся в измерении изменения температуры, создаваемой при нагреве исследуемого вещества, и в сравнении полученной температурной кривой с эталонной, по которому определяют коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемную тепло- емкость, через исследуемое вещество пропускают импульс электрического тока с помощью помещенных в него двух электродов, длительность которого Д 7 выбирают из соотношения Д" 4 О, 001 с 1/т, где а - наибольший линейный размер электродов , ж т -. наименьшее теоретически возможное для исследуемого вещества значение коэффициента температуропроводности, а температуру измеряют на границе(5) 40 3Решение уравнения (1 ) зависит от формы электродов, размеров и формы образца породы, на котором проводится определение, Не ограничивая общности способа, рассмотрим распределение поля температур для случая сферического электрода радиуса б, находящегося в безграничной среде на большом в сравнении с с 1 удалении от второго электрода произвольной формы и с площадью поверхности, много большей поверхности сферичес" кого электрода. Предполагается далее, что сферический электрод - бесконечно тонкая электропроводящая оболочка с нулевой собственной теплоемкостью, которая вырезает в среде сферическую полость радиуса с 1. Это означает, что сферическая область среды с радиусом 146 теплоизолирована и имеет место граничное условие:- =О 1 =с (2 )8 Тд .Длительность импульса тока и его величина ограничены, поэтомуТ(Ь,Т)=О, г:Ъ - со (3) где Ь - радиус сферической областисреды на большом удалении от сферического электрода.Если длительность С импульса элек 50 трического тока мала в сравнении с длительностью процесса выравнивания температуры вследствие теплопроводности, то изменение температуры в среде можно описать двумя уравнения- ми Интегрируя уравнение 4), получаем Т(г,С) = --- 43 Чу С Ь 1(6) 45 гдето)11(Ьс)- электрическая энергия, выделившаяся в среде за времяМ протекания импульсатока; 504- 5М= -Ма объем сферической плотности;.г- сферическая координата точек среды.Объемная теплоемкость, таким абра. зом, может быть определена, если 55 измерить температуру на поверхности сферического электрода в момент окончания импульса тока. Ю(дС)3 Т(си 1(7)Коэффициент температуропроводностиполучается из решения уравнения 15 ), которое для сферически симметричного поля принимает вид для которого справедливы граничныеусловия 2 ) и (3) и начальное условие где Т 0 - температура на стенке нагреваемой сферической полости в моменткоторый принят за начало отсчета времени. Решая (8) методом разделения переменных, получаемс; Жка) С з 1 оо а(Р1) т(Р,Ф= 8 е , (0)1 е 1 где Т=Т/Т,; г=гс; Е=Е/б, С:л,Г/с 2 - нормированные безразмерные значения температуры, координат и времени,1 =Ь-а, ск - константы, каждая из которых определяет одно из частных решений уравнения (8 ) находится из уравненияскф=-СВ, (м) В 1, - константы, определяемые соотношением 2 Е э саЕ(х) ахР +сОз о. аР (1+д)зо где Х - переменная интегрирования.На границе сферической нагревательной полости(Р=1) получаемТаким образом, нормированная температура Т(Е,С), измеренная на границе нагреваемой сферической области, есть функция безразмерного времени С и Некоторого произвольного параметра Е =(Ъ-о)(а,. Поскольку, как следует из, О.,т.тсс,тт .;.Ьттт Н. аНтИЧНЫттт "Попавт т ТЕООЕТИЧЕ КОН КРИВОИОПттвт 1 ЕЛБЕ 1 т Косттт,ЬИЦИЕНТ ТЕМПЕ 1 О Рат: в :О.:.РОЛСДПОСТИ РЯС -.ЕТНЫМ ПУТЕМ: От аз тС Есть-; "и . - ЕСМталатуТЗЫт НЯ ПОВЕРХ ттт т С С, На Г,тт -:С Етттт:. О, - ,;.-.С тст В тМОМЕттТЫ Стт.; тт Е, В МОМЕНТ ОКОНЧЯНИЯ Наттт,р,ст . т)ттсесс=.,=:стте" абсцисс;тт ТОЛК.т .та -ЕО.)ЕТПЧЕС:.Ос:тРНВОй, ОР -то 1 ст с" Л с .; с О т , .т сттт Нс ттЕ тс - , Е с ят Е р я ст ур О Пр О,. ьп ";,с - ,.ая из нетте,титт етптерятурш ц:- лепт:ркнос-.нт Э,ттехтоодя Няблшдя - ЕСЛ талттт:Ттттнсв ВРЕМЯТО Ж МажЕт Р,.т.,Стт, С.тт СС . 1 т,.ог РО Бедт 1 ОС г. ,Та:нс: .тбРЯОкт с:татшость пРедлагаЕтСс Гот," то Стб," ЗаттЛЮЧЯЕТСЯ В ИмстУЛЬС но, ;. ,". т -т; нагреве изучаемой средь; ".,", -т ст ттгяется пропускяньтем ЧЕРСО ПЕЕ ИМПУЛтвса ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО тоха, И З ИЗМЕРЕтнтн ПРОЦЕССа ИЗМЕНЕНИЯ т ЕМПЕ .ат РЫ НЯ т тРСНИЦЕ ОДНОГО ИЗ ЭЛЕКТР;тДОВ т.ЕРЕЗ КОТОРЫЕ ПРО- пускают электрический ток, со средой.,ПсрЕДЛЯ:.ЯЕМОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ пссзволяет Осуществлятт объемный и Непрерытвпь.и в . каждой точке нагрев среды, а. изменение формы измеряемого Образца и формы электродов, че 5 О рез которые пропускают электричесКнй ТОК, -ЧОЗБОЛЯЕТ ИСПОЛЬЗОВЯТЬ СПО- соб ссрт:. раэлп нтты, видах исследоваЧтпт . сС -т т ", С тС т-ст. И ЛабораТОрньт"Ьс,":"т;: длительности нагрева дТ 1,сст.т.Льстит импульса тока) и избт.,стстсттт.о.-." -еттературы рассмотрим:ЛУЧЯйт.:-КЕО.ТЕЛтвивтй ЭЛЕКТРОД С Радиусом с 1=0,5 см помещен в морскиеилы с 6 =4(Ом м , р =0,5 кал/см градэлектрический .ток через электродыпропускается путем разряда конденсатора емкостью С=40 мкф, заряженногодо напряжения 0 =100 В, сопротивление заземления В=50 Ом. Тогда эффекзтивная длительность импульса токат=3 РС, за которую в среде выделяется 99,757 энергии стсто =СО/2, составляет 6 мс, При этом температураТ(о, н 1 на поверхности электродаувеличивается на 0,09 ОС. При уменьшении с до 0,4 см, время д 1 увеличивается до 8 мс, а скачок температуры до О, 18 С. За время а прогреваЕтСя ШарОВОй СЛОЙ тоЛщИНОй 2,2 тХпричем на внешней границе слоя температура составляет 0,01 Т(с(т 7,н),Время измерения для определения коэффициента температуропроводностисоставляет в этих условиях 3-10 с.Предлагаемый способ опробован спомощью численного моделирования,расчеты проведены по формулам (121(131,и показывают, что для всех1 7 10 кривые Т (1, % ) совпадают так,что теоретическая кривая для даннойгеометрии электродов (сферическийизмерительный электрод, Отнесенныена "бесконечность" от второго элек -трода произвольной формы) являетсяединственной, Из расчетной кривойостывания Т (1 тТ следует, что при%=0,4 температура ня поверхностиэлектрода падает до 0,62 То, такаяразность температур легко измеряетсядаже приборами с небольшим динамическим диапазоном. В принципе определение температуропроводности можновести интегральным способом, исгользуя всю кривую Т(1,Т, т,е. наблюдая процесс изменения температуры довремен Т =1,2-1,3, когда площадьпод кривой Т(1 с 71 достигнет величины(0,96-0,98 5 Использование интегрального способа позволяет повыситьточность измерений при наличии случайных помех хотя увеличивает времяизмерений,Расчеты показывают далее, что приф =0,001 температура на поверхностиэлектрода падает менее, чем на 17.от ТО, Следовательно, если длительность выделения электрической энергии,Дт, (или длительность импульса электрического токаудовлетворяет ус,повию117510 Составитель В.ГусеваРедактор Ан.Шандор Техред Л.Иартяшова . КоРРектоР А.Зимокосов Заказ 7831 Тираж 822 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 7то можно пренебречь процессом диффузии тепла и считать, что принятое при выводе основных соотношений пред" лагаемого метода условия "мгновенности" нагрева среды выполняется с высокой точностью.3Для морских осадков с й =31 О см /с и радиусе электрода а =0,5 см время измерений составляет 3 с, при=0,04 и 100 с при использовании интегрального метода 1,3). При этом длительность дС электрического импульса не должна превышать 83 мс, что легко реализуется при использовании практически любых импульсных источников тока. Таким образом, при определении йпо отдельным точкам кривой Т(1,7)время измерения составляет единицысекунд,: а интегральным методом -десятки секунд, в отличие от 5-15 миндля известного. При выборе длительности импульса электрического тока из 114) следует испольэовать теоретически минимально возможное для исследуемого вещества значение коэффициента температуропроводности.3 Использование предлагаемого способа обеспечивает повышение точности и уменьшение времени наблюдений,так как импульсный электрический 5 ток при прохождении через изучаемуюсреду реализует практически мгновенный объемный и непрерывный еенагрев в течение 5-10 мс; достаточно резкое изменение температуры на 1 О границе электрода со средой послеокончания импульса тока происходитв течение 3-10 с, что позволяет получить точность определений порядка1 Й.15 Основная область применения предлагаемого способа - геофизическиеисследования на акваториях с цельюопределения физических характеристикдонных осадков. Использование элек тродов различной конфигурации позволяет производить измерение какв натуральных, так и в лабораторныхусловиях.Способ обеспечивает большой эконо мический эффект, связанный с сокращением времени наблюдений примернов 50-100 раэ в сравнении с известными способами, что приводит к соответствующему увеличению производительности работ.