Устройство для измерения теплопроводности флюидонасыщенных под давлением пористых тел

Авторы патента:

Кузнецов Михаил Александрович (RU)

Григорьев Евгений Борисович (RU)

Богданов Андрей Владимирович (RU)

Лазарев Алексей Сергеевич (RU)

G01N25/18 - путем определения коэффициента теплопроводности (с помощью калориметрических измерений G01N 25/20; путем измерения сопротивления электрически нагреваемого тела G01N 27/18)

Владельцы патента RU 2492455:

Кузнецов Михаил Александрович (RU)

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в промысловой геофизике для оценки глубинных тепловых полей, процессов мембранного разделения в химической промышленности и других отраслях. Заявлено устройство для измерения теплопроводности флюидонасыщенных пористых тел при поровом давлении до 100 МПа и температурах 200÷500 К, реализующее стационарный способ плоского слоя, в котором нагреватель и холодильник являются конструктивными силовыми элементами измерительного автоклава. Образец помещается между нагревателем и холодильником с использованием прокладок из пластичного материала для обеспечения теплового контакта между ними. Устройство также содержит трубку для вакуумирования полости с образцом. Стенки полости, содержащей образец, выполнены предварительно отполированными. Технический результат: повышение точности измерения теплопроводности флюидонасыщенных пористых тел. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам измерения теплофизических свойств веществ при температурах до 500 K и давлениях до 100 МПа, и может быть использовано в геофизике для оценки глубинных тепловых полей, процессов мембранного разделения в химической промышленности и других отраслях.

Аналог предлагаемого устройства представлен в работе Курбанова А.А. Теплопроводность газо- водо- и нефтенасыщенных горных пород в условиях моделирующих глубинные залегания пластов // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. С.107-112. Устройство реализует стационарный метод плоского слоя. Давление до 150 МПа на исследуемый образец создается в термостатированном автоклаве, заполненном передающей давление жидкостью. При этом в автоклав помещается также электрический нагреватель, создающий тепловой поток, холодильник, термопары для измерения разности температур нагревателя и холодильника и абсолютной температуры опыта, система компенсации и измерения потерь тепла нагревателя. Это требует использования сложных устройств герметизации входящих в автоклав измерительных коммуникаций, приводит к возникновению дополнительных погрешностей из-за неконтролируемого теплопереноса через коммуникации и механического воздействия давления на материал термоэлектродов.

Прототип предлагаемого устройства описан в работе Эмирова С.Н. Экспериментальное исследование теплопроводности полупроводников и горных пород при высоких давлениях и температурах: дис. … докт. техн. наук. - Махачкала, 1997. - 306 с. Отличается от аналога тем, что давление до 350 МПа на образец создается газом (аргоном). В прототипе использована более совершенная методика учета погрешностей измерения теплопроводности, но основные недостатки аналога сохранились. Кроме того прототип требует использования сложного компрессорного оборудования и взрывоопасен. И аналог и прототип устройства труднореализуемы из-за необходимости поддержания высокого давления в достаточно большом объеме.

Техническая задача изобретения - измерение теплопроводности флюидонасыщенных пористых тел при температурах от 200 до 500 K и давлении до 100 МПа с погрешностью не хуже 3%.

Для решения технической задачи изобретения предлагается сделать нагреватель 2 и холодильник 3 конструктивными силовыми элементами измерительной ячейки устройства (фиг.1), реализующего стационарный метод плоского слоя. При этом давление создается только в объеме цилиндрического образца 1, а измерительные термопары 6 и 7 и электрический нагреватель 5 оказываются разгружены от давления, что значительно упрощает аппаратурное оформление опыта и повышает его точность за счет снижения неконтролируемых переносов тепла и исключения влияния давления на термоЭДС измерительных термопар.

Технический результат изобретения - повышение точности определения теплопроводности флюидонасыщенного под давлением пористого образца.

Для осуществления изобретения предлагается устройство (фиг.1) состоящее из цилиндрической обечайки 4, изготовленной из нержавеющей хромоникелевой стали со сравнительно низкой теплопроводностью. Днища 2 и 3 изготавливаются из прокатной меди с высокой теплопроводностью и являются одновременно нагревателем и холодильником образца 1. При диаметре образца d=30 мм и его длине l=20 мм толщина стенок обечайки и днищ должна быть не менее 10 мм. В одно из днищ в радиальное сквозное отверстие помещается электрический нагреватель 5. Для измерения температуры днища 2 (нагревателя) и днища 3 (холодильника) используются термопары 7 и 6, помещенные в радиальные глухие отверстия. В обечайку 4 вварена трубка 9 через которую образец 1 вакуумируется, а затем насыщается исследуемым флюидом под давлением.

Устройство работает следующим образом. Между днищем и обечайками помещаются прокладки 8 из пластичного материала (отожженная медь, фторопласт и т.д.), что обеспечивает надежный тепловой контакт нагревателя 2, холодильника 3 с образцом 1. Конструкция стягивается шпильками 10 и помещается в термостат. Теплота Q, выделяемая электрическим нагревателем 5 создает тепловые потоки:

Q=UI=Q₁+Q₂+Q_пот1+Q_пот2+Q_пот3

где

U - напряжение;

J - сила тока;

Q₁ - тепловой поток через образец 1;

Q₂ - тепловой поток через обечайку 4;

Q_пот1 - осевой поток неконтролируемых потерь тепла от нагревателя;

Q_пот2 - радиальный поток неконтролируемых потерь тепла от нагревателя;

Q_пот3 - радиальный поток неконтролируемых потерь тепла от обечайки.

Для учета тепловых потоков Q₂, Q_пот1, Q_пот2 и Q_пот3 предварительно выполняют тарировку устройства без образца 1 при температуре от 200 до 500 K и фиксированной разности температур нагревателя и холодильника T₁-T₂. При этом полость для образца 1 вакуумируется через трубку 9, а ее внутренние поверхности предварительно полируются. Таким образом, тепло в полости 1 не передается ни теплопроводностью, ни конвекцией, ни излучением т.е. Q₁=0 и характер зависимости Q₀=F(T) определяется только изменением теплопроводностей материала обечайки 4 и теплоизолирующего материала вокруг устройства в рабочем температурном интервале от 200 до 500 K.

Температура опыта:

$Т = Т_{т е р м .} + \frac{Т_{1} - Т_{2}}{2}$

где

Q₀=U₀I₀=Q₂+Q_пот1+Q_пот2+Q_пот3 - количество тепла, необходимого в опыте без образца для поддержания фиксированной разности T₁-T₂ для текущей T;

Т_терм. - температура в термостате;

T₁ - температура нагревателя, измеренная термопарой 7;

T₂ - температура холодильника, измеренная термопарой 6.

После определения зависимости Q₀=F(T) в устройство помещается образец 1 через который устанавливается тепловой поток Q₁. Это приводит к охлаждению нагревателя 2 и нагреву холодильника 3. Следовательно, для поддержания фиксированной разности T₁-Т₂ к электрическому нагревателю 5 необходимо подвести дополнительно:

Q₁=Q-Q₀=UI-U₀I₀

Тогда для текущей T и порового давления P получаем рабочую формулу:

$λ = \frac{(U I - U_{0} I_{0}) l}{(T_{1} - T_{2}) S}$

где

l - длина образца 1, м;

S - площадь поперечного сечения образца, м²;

λ - теплопроводность образца, Вт/м·К.

Фиг.1: Принципиальная схема устройства.

1 - образец; 2 - днище (нагреватель); 3 - днище (холодильник); 4 - цилиндрическая обечайка; 5 - электрический нагреватель; 6 - термопара холодильника; 7 - термбпара нагревателя; 8 - прокладки из пластичного материала; 9 - трубка для вакуумирования и создания порового давления в образце; 10 - шпильки.

1. Устройство для измерения теплопроводности флюидонасыщенных пористых тел при поровом давлении до 100 МПа и температурах 200÷500 К, реализующее стационарный способ плоского слоя, в котором нагреватель и холодильник являются конструктивными силовыми элементами измерительного автоклава, отличающееся тем, что образец помещается между нагревателем и холодильником с использованием прокладок из пластичного материала для обеспечения теплового контакта между ними.

2. Устройство для измерения теплопроводности по п.1, отличающееся наличием трубки для вакуумирования полости с образцом.

3. Устройство для измерения теплопроводности по п.1, отличающееся тем, что стенки полости, содержащей образец, выполнены предварительно отполированными.

Изобретение относится к области исследования теплофизических свойств материалов и может быть использовано при определении коэффициента эффективности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий - u.

Способ определения теплопроводности твердого тела активным методом теплового неразрушающего контроля // 2488102

Изобретение относится к стационарным способам определения теплопроводности плоских однослойных конструкций и может быть использовано в строительстве и теплоэнергетике.

Установка для испытаний теплозащиты летательного аппарата // 2486497

Изобретение относится к области тепловых испытаний и может быть использовано для испытаний теплозащиты летательных аппаратов (ЛА) для определения ее теплофизических свойств и работоспособности.

Способ определения теплопроводности материалов // 2478940

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплопроводности материалов. .

Способ измерения коэффициента температуропроводности теплоизоляционных материалов методом регулярного режима третьего рода // 2478939

Изобретение относится к области тепловых испытаний теплоизоляционных материалов. .

Способ измерения удельного сопротивления теплопередаче через объект (варианты) и устройство для его осуществления // 2478938

Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.

Способ измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект (варианты) и устройство для его осуществления // 2478937

Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.

Способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий // 2478936

Изобретение относится к области исследования и анализа теплофизических свойств материалов и может быть использовано при определении коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий - u.

Устройство измерения сопротивления теплопередаче строительной конструкции // 2476866

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при определении сопротивления теплопередаче строительной конструкции. .

Способ измерения интегрального коэффициента излучения поверхности теплозащитных материалов // 2468360

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при определении коэффициента излучения поверхности материалов. .

Способ определения характеристик порового пространства и теплопроводности матрицы пористых материалов // 2492456

Изобретение относится к области изучения физических свойств пористых неоднородных материалов и может быть использовано для определения характеристик порового пространства и теплопроводности образцов горных пород и минералов

Способ неразрушающего определения температурных характеристик структурных переходов в полимерных материалах // 2493558

Изобретение относится к области физико-химического анализа и может быть использовано при тепловых испытаниях. Исследуемое тело приводят в тепловой контакт с эталонным телом по плоскости, в которой находится локальный круглый нагреватель. Через равные промежутки времени измеряют разность значений температуры между нагревателем и точкой плоскости контакта исследуемого и эталонного тел. Испытания заканчивают при превышении контролируемым динамическим параметром заданного значения. Строят зависимость текущего значения тепловой активности от температуры исследуемого тела. Структурные переходы в полимерных материалах определяют по наличию пиков на зависимости текущего значения тепловой активности от температуры исследуемого тела. 1 табл., 9 ил.

Устройство для определения коэффициента теплопроводности материала // 2495409

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при прогнозировании эксплуатационных характеристик композиционных материалов. Заявлено устройство для определения коэффициента теплопроводности материала методом плоского горизонтального слоя, содержащее элемент, исключающий боковые тепловые потери, измерительный блок с нагревателем, измерительную ячейку, предназначенную для расположения образца исследуемого материала и выполненную в виде двух функционально независимых элементов, одного с функцией нагрева, другого - охлаждения, которые расположены соосно и с заданным зазором, обеспечивающим тепловой контакт, термопару, подключенную к измерительному блоку. Элемент измерительной ячейки с функцией охлаждения выполнен в виде соосно расположенных друг в друге колец внутреннего и внешнего. Кольца внутреннее и внешнее и объем между ними выполнены с возможностью заполнения одной и той же легко испаряющейся жидкостью с углом смачивания на образце исследуемого материала не более 90°. Расположены упомянутые кольца на лицевой стороне образца исследуемого материала, а термопара расположена с противоположной стороны образца исследуемого материала. Технический результат: повышение точности экспресс-измерений для определения коэффициента теплопроводности материала. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий // 2497105

Использование: для неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий. Сущность: заключается в том, что перпендикулярно поверхности исследуемого изделия воздействуют импульсом высокочастотного электромагнитного поля СВЧ-диапазона по линии заданной длины, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела по плоскости, перпендикулярной плоскости внешней поверхности исследуемого объекта и уходящей внутрь него, причем для организации такого воздействия электромагнитное излучение рупорной антенны СВЧ-генератора фокусируют с использованием рупорно-линзовой антенны в линию заданной длины, измеряют в заданный момент времени после воздействия импульса СВЧ-излучения избыточную температуру на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого изделия в двух точках, находящихся, соответственно, на расстояниях x1 и x2 от плоскости высокочастотного электромагнитного воздействия, длину волны и мощность электромагнитного СВЧ-излучения задают такими, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля была не менее, чем на порядок больше заданных расстояний x1 и x2 до точек контроля температуры, имея информацию о мощности теплового воздействия на исследуемое изделие в плоскости СВЧ-нагрева и измеренных в заданный момент времени значений избыточных температур в точках контроля, искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений. Технический результат: повышение оперативности и точности определения теплофизических характеристик строительных материалов. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

Способ неразрушающего контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий // 2497106

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения физических свойств материалов путем тепловых и электрических измерений, и может быть использовано для оперативного контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий и сооружений в натурных условиях. Способ неразрущающего контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий заключается в том, что измеряют фактические значения теплопроводности внутреннего и наружного поверхностных слоев конструкции. Затем вычисляют значения сопротивлений теплопередаче этих слоев по формулам: Rв=δв/λв и Rн=δн/λн, где Rв и Rн - значения сопротивлений теплопередаче внутреннего и наружного поверхностных слоев конструкции, соответственно; δв и δн - толщина внутреннего и наружного поверхностных слоев, соответственно; λв и λн - теплопроводность внутреннего и наружного поверхностных слоев, соответственно. Далее вычисляют значение сопротивления теплопередаче теплоизоляционного слоя по формуле: Rт=Rк-1/αв-1/αн-Rв-Rн, где Rт - сопротивление теплопередаче теплоизоляционного слоя; Rk - общее сопротивление теплопередаче конструкции; αв, αн - коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей конструкции, соответственно. Затем вычисляют фактическое значение теплопроводности материала теплоизоляционного слоя конструкции по формуле: λт,=δт/Rт, где λт - теплопроводность материала; δт - толщина слоя. После чего определяют фактическое значение влажности материала теплоизоляционного слоя по формуле: Wт=(λт-λ0)/Δλw, где Wt - влажность материала; λ0 теплопроводность материала в сухом состоянии; Δλw - приращение теплопроводности материала на 1% влажности. Техническим результатом изобретения является определение теплофизических характеристик теплоизоляционного слоя многослойных строительных конструкций без нарушения их целостности. 1 з.п. ф-лы.

Способ определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов // 2501002

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных керамических и стеклообразных материалов с учетом их прозрачности. Способ включает нестационарный нагрев поверхности образца в виде пластины радиационными импульсами, измерение температуры в не менее трех точках по толщине образца с последующим вычислением искомой величины посредством решения коэффициентной обратной задачи теплопроводности. Интервалы между импульсами составляют 5-10 секунд, при этом измерение температуры производится синхронно в момент окончания импульса. Технический результат: снижение погрешности определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов более чем в 2 раза. 2 ил.

Газоизмерительное устройство и способ его работы // 2502066

Изобретение относится к газоизмерительному устройство для измерения присутствия заданного газа в текучей среде. Устройство содержит датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, причем чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа, причем электрическое свойство чувствительного элемента измеряется газоизмерительным устройством; и цепь управления, имеющую контроллер нагревательного элемента, связанный с нагревательным элементом и измеряющий его электрическое свойство, причем цепь управления имеет источник энергии подогрева, подающий энергию к нагревательному элементу, причем контроллер нагревательного элемента связан с источником энергии подогрева и регулирует его работу в зависимости от измерения электрического свойства нагревательного элемента; средство импульсной модуляции, соединенное с контроллером нагревательного элемента, источником энергии подогрева для управления величиной энергии, подаваемому к нагревательному элементу. При этом средство импульсной модуляции выполнено с возможностью формирования первого набора импульсов энергии, имеющего определенную продолжительность, и второго набора импульсов энергии, имеющего другую, более короткую продолжительность для поддержания температуры нагревательного элемента, по существу, на постоянном уровне. Также изобретение относится к способу изготовления и способу работы газоизмерительного устройства. Предлагаемое устройство изготавливается и эксплуатируется рентабельным и надежным образом. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ определения теплопроводности сыпучих материалов при нестационарном тепловом режиме // 2502988

Изобретение относится к нестационарным способам определения теплопроводности сыпучих материалов и может применяться при изучении термических свойств почв, рыхлых горных пород, сыпучих строительных и прочих дисперсных материалов. Сущность способа заключается в предварительном нагреве до требуемой температуры металлической пластины и ее последующем погружении в слой сыпучего материала, расположенного в опытной площадке, которая изнутри покрыта слоем теплогидроизоляции. Контроль за равномерным нагревом металлической пластины до требуемой температуры осуществляют бесконтактным способом с помощью инфракрасного термометра. Нижняя кромка металлической пластины заточена под углом 45°. Термопреобразователи, установленные в сыпучем материале и в толще металлической пластины по центру, регистрируют с определенной дискретностью и продолжительностью во времени тепловые режимы нагрева сыпучего материала и охлаждения металлической пластины. С учетом измеренных параметров рассчитывают коэффициент теплопроводности сыпучего материала. Технический результат: повышение точности измерения коэффициента теплопроводности сыпучего материала при нестационарном тепловом режиме. 5 ил.

Способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме // 2502989

Изобретение относится к нестационарным способам определения температуропроводности твердых тел и может применяться в строительстве и теплоэнергетике при проведении тепловых испытаний однородных строительных объектов, теплопроводных и теплоизоляционных материалов. Сущность заявленного способа заключается в нагреве твердого тела с помощью бесконтактного теплового воздействия на переднюю лицевую поверхность последнего источником инфракрасного излучения. Температурное поле твердого тела регистрируют с помощью системы термопреобразователей в течение нестационарного теплового режима, определяемого расчетным способом. По экспериментальным данным строят одномерное нестационарное температурное поле твердого тела. По результатам построения температурного поля твердого тела в режиме нагрева и дифференциальному уравнению теплопроводности вычисляют коэффициент температуропроводности твердого тела. Технический результат: повышение точности измерения коэффициента температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме. 6 ил.

Способ определения теплопроводности керна // 2503956

Использование: для определения теплопроводности керна. Сущность: заключается в том, что подготавливают образец керна и рентгеновский микрокомпьютерный томограф для сканирования указанного образца керна и получения изображения для каждого сканирования, сканируют указанный образец керна, передают для обработки трехмерное сканированное изображение с томографа на компьютер, предназначенный для анализа изображений, задают толщину слоя внутри полученного трехмерного сканированного изображения для анализа, определяют слой с максимальной теплостойкостью внутри полученного трехмерного сканированного изображения и определяют эффективную теплопроводность образца керна. Технический результат: обеспечение возможности быстрой оценки эффективной теплопроводности, не требующей численного решения уравнения теплопроводности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.