7.4.2 Конструкция измерительной ячейки

Для измерения теплофизических свойств жидкостей в соответствии с рассмотренными выше физической и математической моделями, была разработана конструкция измерительного устройства, схема которого представлена на рис. 7.3.

Рис. 7.3 Схема конструкции измерительного устройства

Измерительное устройство включает в свой состав два плоских металлических теплообменника 6 и 9, через которые пропускают теплоноситель заданной температуры. На верхнем теплообменнике 6 установлены термометр сопротивления 7 и чувствительный преобразователь, содержащий подложку 5, нагреватель 4, термометр сопротивления 3 и защитный стакан 2. Подложка 5 изматериала с известными значениями коэффициента температуропроводности а_э1 и теплопроводности λ_э1 прикреплена непосредственно к теплообменнику 6. На нижней стороне подложки 5 в одной плоскости размещены нагреватель 4 и термометр сопротивления 3, навитые по спирали Архимеда соответственно из манганинового и медного проводов диаметрами 0,12 мм.

Термометры сопротивления 3 и 7 включены в мостовую схему таким образом, что напряжение U_x на измерительной диагонали моста пропорционально разности между температурой Т (l, ) подложки в плоскости, расположенной на расстоянии от верхнего теплообменника 6, и температурой Т₀ корпуса этого теплообменника 6.

Для предохранения от механических повреждений и от непосредственного контакта с исследуемой жидкостью нагреватель 4 и термометр сопротивления 3 закрыты защитным стаканом 2, также изготовленным из материала с известными теплофизическими свойствами а_э2 и λ_э2. Толщина слоя исследуемой жидкости 1 задается с помощью калиброванных колец 8.

7.4.3 Порядок осуществления измерительных операций

Порядок проведения эксперимента заключается в следующем. Исследуемую жидкость 1 наливают в верхнюю полость нижнего теплообменника 9. Затем в жидкость помещают чувствительный преобразователь. Толщина слоя исследуемой жидкости задается выбором соответствующего калиброванного кольца 8 так, чтобы число Релея Ra в процессе эксперимента не превышало следующего значения [18]:

,

где g – ускорение свободного падения;  – коэффициент объемного расширения; Δt – перепад температуры в слое исследуемой жидкости;  – коэффициент кинематической вязкости жидкости.

Выполнение условия (7.34) позволяет (см. п. 4.4.3) исключить влияние конвективного переноса тепла в слое исследуемой жидкости на результаты измерений.

При экспериментальном определении теплофизических характеристик различных жидкостей толщина слоя фактически может изменяться от 2 до 4 мм в зависимости от вида жидкости при диаметре нагревателя L = 67 мм, т.е. отношение δ/L не превышает 0,06.

На подготовительном этапе эксперимента начинают прокачивать теплоноситель через внутренние полости теплообменников 6 и 9. Цель подготовительного этапа заключается в достижении постоянной первоначальной температуры Т₀ как в слое жидкости, так и во всем объеме чувствительного преобразователя. О завершении подготовительного этапа судят по постоянной разности температур Т, измеряемой термометрами сопротивления 3 и 7.

На втором основном этапе эксперимента подают с блока питания напряжение на нагреватель 4 и, начиная с этого момента, через заданный период времени  измеряют термометрами сопротивления 3 и 7 разность температур между верхним теплообменником 6 и подложкой 5 в плоскости с координатой . Одновременно измеряют значение напряжения питания электрического нагревателя 4. Поверхностную плотность внутреннего источника тепла при вычисляют по формуле

,

где электрическая мощность, потребляемая нагревателем 4 площадью S; U_нагр – падение напряжения на сопротивлении R нагревателя.

Эксперимент заканчивается в момент времени τ_k, когда достигается новое, практически постоянное значение разности температуры Т. Отметим, что разность температур Т не превышает 7 ^оС при абсолютной погрешности ее измерения не более 0,01 ^оС. Искомое значение коэффициентов температуропроводности а_х, теплопроводности λ_х и объемной теплоемкости с_хρ_х исследуемой жидкости вычисляют по экспериментально измеренным значениям разности температур Т(τ), поверхностной плотности q(τ) внутреннего источника тепла и толщины слоя исследуемой жидкости в соответствии с изложенной выше методикой по формулам (7.28), (7.31) и (7.32).