RS61920B1 - Uređaj za merenje toplotne provodljivosti tečnosti primenom senzora u obliku igle - Google Patents

Description

Област технике

Предметни проналазак се односи на уређај за мерење топлотне проводљивости чистих течности и вишекомпонентних течних смеша чија је примена базирана на нестационарној методи топле жице са специфичним сензором у облику игле и одговарајућим управљачким системом за контролу рада уређаја. Дакле, предметни проналазак припада области мерења термофизичких особина материјала, специфично, мерења топлотне проводљивости течности.

Технички проблем

Технички проблем решен предметним проналаском се састоји у томе како конструкцијски решити уређај базиран на нестационарној методи топле жице који омогућава истовремено мерење топлотне проводљивости једног или више течних узорака, при чему се такође омогућава мерење топлотне проводљивости узорка мале запремине (око 25 мл) у поређењу са запреминама потребним у поступцима који су до сада описани. Поред тога, конструкцијом сензора у облику игле према предметном проналаску омогућава се ефикасно и поуздано мерење уз једноставну мерну процедуру и одржавање сензора.

Стање технике

У области топлотног инжењерства велики напори су учињени у циљу унапређења конструкције опреме за пренос топлоте, где је висока топлотна проводљивост течности потребна како би се повећао пренос топлоте. У многим областима где је неопходно хлађење материјала, као што је то случај у аутомобилској, авио-индустрији и микроелектроници, један од кључних фактора је употреба специјалних течности са повећаном топлотном проводљивошћу. У таквим условима, мерење топлотне проводљивости течности је важно у одређивању ефикасности преноса топлоте у топлотним и расхладним уређајима.

Топлотна проводљивост материјала у великој мери зависи од физичке структуре, хемијске композиције и стања самог материјала (US 9182364). Стога, мерење топлотне проводљивости течности је у метролошком смислу већи изазов од мерења топлотне проводљивости супстанци у чврстом стању. Мерење топлотне проводљивости супстанци могуће је искључиво када је температурно поље нехомогено, јер то изазива транспорт топлоте. Међутим, услед релативно слободног кретања молекула код супстанци у течном агрегатном стању и зависности густине самих супстанци од температуре, у течностима долази до спонтаног струјања, тј. до природне конвекције, што мења облик температурног поља и врло брзо отежава и на крају практично онемогућава мерење. Ово није случај код материјала у чврстом стању.

Мерне технике које су до сада описане имају бројне недостатке како су споре, неекономичне и компликоване за примену. Споре су јер не омогућавају испитивање више узорака истовремено већ један по један, неекономичне су јер је за мерење потребна релативно велика запремина узорка, а у припреми узорака често се користе скупе хемикалије високе чистоће. Компликоване су јер је сензор, у облику танке жице, механички осетљив и подложан кварењу што отежава чишћење и често захтева реконструкцију сензора.

Стога, постоји потреба за уређајем за мерење топлотне проводљивости узорака у течном стању, а који омогућава истовремено мерење топлотне проводљивости једног или више течних узорака. Такође, уређај омогућава мерење топлотне проводљивости узорка мале запремине (око 25 мл) у поређењу са запреминама потребним у поступцима који су до сада описани Gosala et al., Sensors & Transducers Journal, 129 (2011) 42-56, Holeschovsky et al., Intt. J. Heat Mass Transfer 39 (1996) 1135-1140. Уређај према предметном проналаску чини одређивање топлотне проводљивости и оптимизацију састава вишекомпонентних течних смеша значајно ефикаснијом у поређењу са уређајима и методама који су до сада познати јавности (Buongiorno et al., Journal of Applied Physics 106 (2009) 094312, J. M. P. França et al. J. Chem Eng. Data 58 (2013) 467-476).

Мерне методе прилагођене мерењу топлотне проводљивости супстанци у течном агрегатном стању се у начелу могу класификовати на стационарне и нестационарне. Метода нестационарне топле жице, на којој је базиран уређај описан у овој патентној пријави је поуздана и прецизна техника за мерење топлотне проводљивости течности.

US 9182364 описује уређај за мерење топлотне проводљивости који подразумева примену сензора у облику игле. Поље примене је мерење топлотне проводљивости нуклеарних материјала у чврстом стању, унутар нуклеарног реактора, односно у пољу јаког радиоактивног зрачења и при високој температури. Овај уређај садржи сензор у облику игле и управљачки систем. Сензор описан у овом патенту садржи термометар који је окружен грејним елементом у оквиру омотача, као и електрични изолатор која међусобно потпуно изолује омотач, грејни елемент и термометар.

US 4861167 описује апарат за мерење топлотне проводљивости растопљених полимера. Према овом проналаску, апарат садржи део у облику игле у коме се налазе грејни елемент и температурни сензор. У методи који је описана у овом патенту, потребно је прво загрејати узорак чврстог материјала изнад температуре топљења. Затим се сензор у облику игле уводи у растопљен материјал, и када дође до изједначавања температуре сензора и узорка, активира се грејни елемент. Промена температуре материјала се мери помоћу термопара. Мерење се понавља у циклусима, како би се одредила промена температуре узорка услед активације грејног елемента. Пролазна промена температуре узорка се користи за израчунавање топлотне проводљивости истопљеног полимера.

Излагање суштине проналаска

Предметни проналазак се односи на сензор у облику игле и уређај са једним или више таквих сензора који је намењен за мерење топлотне проводљивости једне и више течности, истовремено. Уређај се састоји од једног или више сензора у облику игле, истог броја посуда за узорак течности и управљачког система.

Функционисање сензора у облику игле је засновано на методи нестационарне топле жице за мерење топлотне проводљивости. Сензор у облику игле садржи грејни елемент који је истовремено и детектор промене температуре, струјне водове и напонске водове, електрични изолатор, омотач мањег попречног пресека и омотач већег попречног пресека. Грејни елемент загрева се пропуштањем електричне струје (Џулов ефекат). Брзина загревања сензора зависи од јачине струје која генерише топлоту и од дисипације топлоте у околни медијум - узорак течности чија се топлотна проводљивост мери. Већа топлотна проводљивост течности доводи до веће дисипације топлоте у околину и, последично, до споријег загревања сензора. Обрнуто, мања топлотна проводљивост течности доводи до мање дисипације топлоте и бржег загревања сензора.

Посуда за узорак течности пуни се одређеном количином течности чија се топлотна проводљивост одређује и у њу се урања сензор у облику игле.

Управљачки систем поседује извор електричне струје и вишеканални волтметар. Поред управљања извором електричне струје и вишеканалним волтметром, управљачки систем поседује модул за прорачун топлотне проводљивости течности на основу промене температуре сензора при загревању електричном струјом из извора електричне струје.

Кратак опис слика

Слика 1. Уређај са детаљаним приказом уздужног пресека сензора у облику игле

Слика 2а. Сензор у облику игле

Слика 2б. Посуда (резервоар) за узорак

Слика 2ц. Склоп сензора 24 у облику игле и посуде за узорак течности 1

Слика 3. Принципијелна шема управљачког система и повезивања са сензором у облику игле

Детаљан опис проналаска

Предметни проналазак се односи на сензор 24 у облику игле, као што је приказано на слици 1, и уређај 25 који је намењен за мерење топлотне проводљивости течности као и мерење топлотне проводљивости више узорака у течном стању, истовремено, при чему поменути уређај 25 садржи један или више поменутих сензора 24.

Функционисање уређаја 25 и сензора 24 у облику игле је засновано на методи нестационарне топле жице за мерење топлотне проводљивости течности. Сензор 24 у облику игле (слика 1) садржи грејни елемент 4 који је истовремено и детектор промене температуре, струјне водове 7, 8 и напонске водове 3, 9, 10, електрични изолатор 5, као и омотач који се састоји из омотача 2 мањег попречног пресека и омотача 11 већег попречног пресека. Температуре топљења изолатора 5 и омотача 2, 11 морају бити више од радне температуре грејног елемента 4. Извор 19 електричне струје је преко струјних водова 7, 8 повезан са грејним елементом 4, што омогућава пропуштање електричне струје кроз грејни елемент 4. Вишеканални волтметар 23 је у склопу система 20 за прикупљање података и преко напонских водова 3, 9, 10 повезан са грејним елементом 4, што омогућава мерење напона на крајевима грејног елемента 4. Грејни елемент 4 је електрични проводник и налази се унутар омотача 2, 11. У једном извођењу, грејни елемент 4 може бити метална жица малог попречног пресека која се загрева Џуловим ефектом када кроз њу протиче електрична струја. Електрични изолатор 5 међусобно изолује грејни елемент 4, као и струјне водове 7,8 и напонске водове 3, 9, 10, међусобно, и од омотача 2, 11, изузев на месту споја 6 који је настао тачкастим заваривањем напонског вода 3, омотача 2 мањег попречног пресека и грејног елемента 4.

Пожељно је да топлотна проводљивост електричног изолатора 5 буде довољно велика како не би дошло до нагомилавања топлоте у сензору 24, што би могло да отежа мерење топлотне проводљивости узорка течности 1. Грејни елемент 4 истовремено представља детектор промене температуре сензора 24, која се одређује преко промене електричног отпора грејног елемента 4.

Омотач сензора 24 у облику игле који је приказан на слици 1 се састоји из два дела од којих је један део, омотач 2, мањег попречног пресека и у њему се налазе грејни елемент 4 и један напонски вод 3. Други део, омотач 11, је већег попречног пресека и у њему се налазе струјни водови 7,8 и напонски водови 9, 10. Извор 19 електричне струје је електрично повезан са грејним елементом 4 преко струјних водова 7, 8. Вишеканални волтметар 23 региструје промене пада напона на грејном елементу 4 преко напонских водова 3, 9, 10.

Струјни водови 7,8 морају бити већег попречног пресека од грејног елемента 4.

Напонски вод 9 и напонски вод 3 су повезани спојем 22 унутар омотача 11 већег попречног пресека.

Уређај 25 приказан на слици 3 може да садржи један или више описаних сензора 24 у облику игле, једну или више посуда за узорак течности 1 и управљачки систем 12.

Посуда за узорак течности 1 пуни се одређеном количином течности 1 чија се топлотна проводљивост одређује и у њу се урања сензор 24 у облику игле. Пожељно је да посуда за узорак течности 1 буде вертикално оријентисани цилиндар, са пречником који омогућава простирање топлоте коју емитује сензор 24 у облику цилиндричног температурног таласа кроз течни узорак.

Управљачки систем 12 састоји се од извора 19 електричне струје и вишеканалног волтметра 23. Управљачки систем 12 садржи програмирани извор 19 електричне струје који током унапред задатог временског интервала пропушта електричну струју кроз грејни елемент 4. Управљачки систем 12 такође садржи програмирани вишеканални волтметар 23 који омогућава прорачун промене температуре на основу промене електричног напона на детектору промене температуре. Даље, управљачки систем 12 укључује модул за прорачун топлотне проводљивости течности 1 на основу промене температуре сензора 24 у облику игле.

Грејни елемент 4 може бити електрични проводник, пожељно у облику жице мањег попречног пресека, који се загрева Џуловим ефектом.

У пожељном извођењу, крајеви грејног елемента 4 су електрично повезани са најмање два пара проводника. Први пар проводника, тј. струјни водови 7, 8 су малог електричног отпора, доводе електричну струју до грејног елемента 4, док други пар проводника, тј. напонски водови 3, 9, 10 омогућавају прецизније мерење пада напона на грејном елементу 4.

Могући примери материјала (проводника) за израду грејног елемента 4 дати су у табели 1.

У пожељном начину извођења, грејни елемент 4 је истовремено и детектор промене температуре - отпорни термометар чији се електрични отпор мења са променом температуре. Уопштено, детектор промене температуре детектује промену температуре у сензору 24 у облику игле и омогућава да се та промена измери. Пожељно је да детектор буде термопар или отпорни термометар који мора бити у стању да поднесе радну температуру грејног елемента 4. Детектор промене температуре може бити термопар и тада се промена температуре одређује мерењем напона на крајевима термопара. У другом извођењу, детектор температуре је отпорник, чији се електрични отпор мења са температуром. У том случају, промена температуре утврђује се мерењем пада напона на крајевима отпорника и јачине струје која тече кроз отпорник и прорачуном електричног отпора отпорника. Електрични изолатор 5 је материјал чији електрични отпор спречава проток електричне струје између елемената сензора 24 у облику игле. Електрични изолатор 5 може бити изабран од MgO праха, епоксидне смоле, итд.

Омотачи 2, 11 садрже све елементе сензора 24 у облику игле. Пожељно је да омотачи 2, 11 буду од материјала који може да заштити елементе сензора 24 од спољних утицаја који би могли да га оштете. Омотачи 2, 11 морају бити од од материјала чија је температура топљења виша од радне температуре грејног елемента 4. Омотачи 2, 11 могу на пример да буду од челика.

Омотач 2 мањег попречног пресека садржи грејни елемент 4 сензора 24 у облику игле, један напонски вод 3 и електрични изолатор 5. На крају сензора 24 у облику игле који долази у контакт са узорком течности 1 чија се топлотна провдљивост мери, налази се спој 6 настао тачкастим заваривањем омотача 2 мањег попречног пресека, грејног елемента 4 и напонског вода 3.

Омотач 11 већег попречног пресека обухвата и механички штити струјне водове 7, 8 и напонске водове 9, 10, као и и електрични изолатор 5.

Управљачки систем 12 је уређај, или скуп уређаја, који управља, командује, усмерава и регулише рад уређаја 25. У једном извођењу, управљачки систем 12 израђен је тако да управља или мери сигнале електричног напона, електричне струје и температуре. Управљачки систем 12 може да мери време испитивања и управља напоном доведеним на сензор 24 у облику игле. Пожељно је да управљачки систем има кориснички екран који приказује температуру сензора 24 у облику игле. У једном извођењу, пожељно је да управљачки систем 12 има кориснички екран који приказује јачине струје, напоне и друге променљиве које генерише или мери. Управљачки систем 12 такође мора бити калибрисан како би измерене величине могле да се користе за прецизан прорачун топлотне проводљивости узорка течности.

Управљачки систем 12 је електронски уређај. Пожељно, управљачки систем 12 је рачунар или микроконтролер или комбинација рачунара и микроконтролера.

Управљачки систем 12 садржи вишеканални волтметар 23. Такође је пожељно да то буде дигитални волтметар (аналогно дигитални конвертор), за мерење напона на елементима сензора 24 у облику игле и другим елементима уређаја 25. Управљачки систем 12 одређује вредност која је у функционалној вези са променом температуре детектора промене температуре и на основу познатих карактеристика тог сензора 24 прорачунава вредност промене. У једном извођењу, детектор промене температуре је термопар чији се напон мери и промена температуре прорачунава на основу температурног коефицијента термоелектричног потенцијала. У другом извођењу, детектор промене температуре је отпорни термометар чији се електрични отпор мери и промена температуре прорачунава на основу вредности температурног коефицијента електричне отпорности. У пожељном извођењу, грејни елемент 4 је истовремено и отпорник чија промена електричног отпора омогућава прорачун промене температуре сензора 24 у облику игле. Поред тога, управљачки систем 12 садржи извор 19 електричне струје којим се може задати напон на крајевима грејног елемента 4.

Пожељно је да управљачки систем 12 буде програмабилан, да може да управља процесом мерења, сачува измерене вредности и врши математичке прорачуне. Пожељно је да управљачки систем 12 израчунава вредност топлотне проводљивости (к) течности 1 користећи релацију

где је I електрична струја, V електрични напон, R електрични отпор, L дужина, а индекси се односе на грејни елемент (w) 4 и редно повезани стандардни отпорник (s) 16.

У пожељном извођењу, грејни елемент 4 је електрично повезан са управљачким системом 12 преко два пара проводника: струјним водовима 7, 8 који представљају проводнике већег пречника и ниског електричног отпора и кроз које тече електрична струја за загревање грејног елемента 4 Џуловим ефектом, и напонским водовима 3, 9, 10 који представљају проводнике који омогућавају прецизно мерење напона на крајевима грејног елемента 4. Јачина електричне струје која протиче кроз грејни елемент 4 одређује се мерењем пада напона на стандардном отпорнику 16 (слика 3) редно везаном са грејним елементом 4. Из мерених вредности јачине струје и пада напона на грејном елементу 4 могуће је прецизно израчунати снагу грејања по јединици дужине грејног елемента 4, као и електрични отпор грејног елемента 4 који зависи од његове температуре и зато омогућава детекцију и прорачун промене температуре грејног елемента 4. Из снаге грејања и брзине промене температуре сензора 24 у облику игле на већ описани начин могуће је прорачунати топлотну проводљивост узорка течности 1 у коју је уроњен сензор 24 у облику игле.

У пожељном извођењу, сензор 24 у облику игле могуће је израдити користећи коаксијални термопар типа К (Ј, следствено), чији вод од Алумела (гвожђа) има улогу грејног елемента 4 и детектора промене температуре.

Слика 1 је приказ уређаја 25 са детаљаним приказом уздужног пресека сензора 24 у облику игле, који је уроњен у узорак течности 1 и напонским водовима 3, 9, 10 и струјним водовима 7, 8 прикључен на управљачки систем 12. Сензор 24 се састоји од омотача 2 мањег попречног пресека и омотача 11 већег попречног пресека, грејног елемента 4, електричног изолатора 5, струјних водова 7, 8 и напонских водова 3, 9 ,10, као што је већ описано.

Узорак течности 1 је у контакту са сензором 24 у облику игле, који обухвата омотач 2 мањег попречног пресека, омотач 11 већег попречног пресека, грејни елемент 4, електрични изолатор 5, струјне водове 7, 8 и напонске водове 3, 9, 10. Грејни елемент 4 је тачкастим заваривањем спојен са напонским водом 3 и омотачем 2 мањег попречног пресека на једном његовом крају, на месту споја 6 који долази у контакт са узорком течности 1 чија се топлотна проводљивост мери. Управљачки систем 12 је повезан са сензором 24 у облику игле преко струјних водова 7, 8 и напонских водова 3, 9, 10. Омотач 2 мањег попречног

1

пресека садржи грејни елемент 4 и један напонски вод 3. Омотач 11 већег попречног пресека садржи струјне водове 7, 8 и напонске водове 3, 9, 10 сензора 24 у облику игле.

Слике 2а-2ц приказује једно извођење сензора 24 у облику игле са посудом за узорак течности 1. На слици 2а приказан је омотач 2 који је мањег попречног пресека у односу на омотач 11 који је већег попречног пресека. Сензор 24 у облику игле је на погодан начин учвршћен на спојни елемент 13 који је повезан са сензором 24 у облику игле. Резервоар 14 (слика 26) течног узорка 1 пожељно је епрувета. На резервоар 14 је на погодан начин учвршћен спојни елемент 15 који је повезан са резервоаром 14. Склоп сензора 24 у облику игле и посуде за узорак течности 1 приказан је на слици 2ц.

Слика 3 приказује принципијелну шему управљачког система 12 и повезивање управљачког система 12 и сензора 24 у облику игле. Грејни елемент 4 сензора 24 у облику игле напаја се из извора 19 електричне струје кроз струјни вод 8 који је редно везан са стандардним отпорником 16 и где је струјни вод 7 заварен за омотач 2 мањег попречног пресека сензора 24 у облику игле. Дигиталне команде за укључивање и искључивање напајања до извора 19 електричне струје долазе по дигиталним управљачким линијама 21 (или дигитални сигнали, слика 3). Систем 20 за прикупљање података преко напонских водова 9, 10, 17 и 18 прикупља и чува податке о напонима на крајевима грејног елемента 4 и стандардног отпорника 16.

Уређај 25 може бити опремљен већим бројем сензора 24 у облику игле и резервоара за узорак течности 1. Неопходно је да управљачки систем 12 садржи вишеканални дигитални волтметар 23 који омогућава истовремено мерење и бележење напонских сигнала са више стандардних отпорника 16 и грејних елемената 4. Такође је неопходно да извор 19 електричне струје има довољан капацитет за генерисање топлоте Џуловим ефектом у потребном броју сензора 24 у облику игле. Управљачки систем 12 мора бити програмиран тако да омогући прикупљање и обраду података са више сензора 24 у облику игле.

Начин индустријске или друге примене проналаска

Топлотна проводност је поред густине, вискозности и специфичног топлотног капацитета једно од основних термофизичких својстава неопходних за пројектовање опреме и контролу процеса и производа у рафинеријама нафте, петрохемијским постројењима и хемијској индустрији. Типичан пример је производња расхладних средстава за моторе са унутрашњим сагоревањем (антифриз) где топлотна проводност представља најважнију карактеристику производа.

Уређај представљен овим проналаском, је погодан за индустријску примену јер омогућава брзо и једноставно одређивање топлотне проводности већег броја узорака у жељеном температурном опсегу. Такође, уређај је могуће користити у истраживању и развоју нових грејних и расхладних флуида за примену у топлотним уређајима као и нових растварача (за различите сепарационе процесе, пречишћавање димних гасова и сл.), што захтева комплетну термофизичку карактеризацију укључујући и одређивање топлотне проводности.

Claims (8)

Патентни захтеви

1. Уређај (25) за мерење топлотне проводљивости течности (1) који садржи најмање један сензор (24) у облику игле за мерење топлотне проводљивости течности (1), најмање једну посуду (14) за узорак течности (1) и управљачки систем (12), који садржи најмање један извор (19) електричне струје и најмање један волтметар (23) за мерење и бележење промене електричног напона услед промене температуре течности (1), назначен тиме што сензор (24) садржи

- омотач, који се састоји од два дела (2, 11), од којих

- омотач (2) мањег попречног пресека садржи грејни елемент (4), који је истовремено детектор промене температуре, електрични изолатор (5) и напонски вод (3), при чему су омотач (2), грејни елемент (4) и напонски вод (3) на крају сензора (24), који долазе у контакт с узорком течности (1), спојени са спојем (6);

- омотач (11) већег попречног пресека садржи два струјна вода (7, 8), и два напонска вода (9, 10),

- при чему је грејни елемент (4) преко струјних водова (7, 8) повезан са извором (19) електричне енергије управљачког система (12);

- при чему је грејни елемент (4) преко напонских водова (3, 9, 10) повезан са волтметром (23) управљачког система (12);

- при чему су грејни елемент (4), струјни водови (7, 8) и напонски водови (3, 9, 10) изоловани међусобно и од омотача (2, 11), осим на споју (6), са изолатором (5), и - при чему је попречни пресек грејног елемента (4) мањи од попречног пресека струјних водова (7, 8) за омогућавање загревања грејног елемента (4) електричном енергијом из извора (19) електричне енергије.

2. Уређај (25) за мерење топлотне проводљивости течности (1) према захтеву 1 назначен тиме што је грејни елемент (4) термоелемент од алумела и гвожђа.

3. Уређај (25) за мерење топлотне проводљивости течности (1) према захтеву 1 или 2 назначен тиме што је грејни елемент (4) отпорни термометар.

4. Уређај (25) за мерење топлотне проводљивости течности (1) према захтевима 1 до 3 назначен тиме што је електрични изолатор (5) изабран од Mgo праха или епоксидне смоле.

5. Уређај (25) за мерење топлотне проводљивости течности (1) према захтеву 1, назначен тиме што је извор (19) електричне струје програмиран извор за пропуштање електричне струје кроз грејни елемент (4) у унапред заданом временском интервалу.

6. Уређај (25) за мерење топлотне проводљивости течности (1) према захтеву 1, назначен тиме што је волтметар (23) програмирани вишеканални волтметар за омогућавање истовременог мерења И бележења напонских сигнала са стандардних отпорника (16) и грејних елемената (4).

7. Уређај (25) за мерење топлотне проводљивости течности (1) према захтеву 1, назначен тиме што управљачки систем (12) садржи и модул за прорачун топлотне проводљивости течности (1) на основу промене температуре сензора (24).

8. Уређај (25) за мерење топлотне проводљивости течности (1) према захтеву 1 и 7, назначен тиме што управљачки систем (12) садржи и кориснички екран за приказе температуре сензора, јачине струје и/или напона.