Устройство для исследования фазовых переходов газа и жидкости

Устройство для исследования фазовых переходов газа и жидкости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

п33 È5979

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕИ ИЯ

И АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 08.01.73 (21) 1868223/26-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.05.76. Бюллетень № 20

Дата опубликования описания 23.06.76 (51) M. Кл е G 01N 25/08

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 543.275(088,8) (72) Авторы изобретения

Г. А. Кусляйкин и H. Ф. Шаронов (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

ГАЗА И ЖИДКОСТИ

Изобретение предназначено для исследования процессов тепло- и массообмена капли жидкости с окружающей средой, главным образом процессов интенсивного испарения в разреженную среду, и фазовых переходов, сопровождающих этот процесс.

Известно устройство для исследования фазовых переходов, содержащее термобарокамеру, термопару, формирователь капли жидкости, нагреватель, охладитель и патрубки для 10 подвода и вывода газа.

В известном устройстве практически невозможно получить даже незначительно перегретую по отношению к окружающей среде каплю с определенными, заранее заданными 15 начальными параметрами, так как уже сам процесс формирования капли сопровождается тепло- и массообменом с окружающей средой, что приводит к изменению ее температуры, массы, а в случае капли неоднородной жидко- 20 сти и ее химического состава. В случаях, когда исследуемая жидкость имеет большой коэффициент испарения, а также при исследовании испарения капли в весьма разреженную среду указанный недостаток оказывается 25 столь существенным, что проведение эксперимента становится невозможным, так как капля испаряется в процессе ее формирования.

Создание в термобарокамере на этапе образования капли условий, замедляющих тепло- и 30 массообменные процессы (повышение давления среды и насыщение ее парами исследуемой жидкости), и последующее изменение этих условий путем откачки камеры или сброса давления и удаления паров, например, вымораживаниех1 не дает положительного эффекта, так как термодинампческое состояние капли изменяется быстрее, чем окружающая среда принимает заданные параметры.

Цель изобретения — улучшение воспроизводимости и точности исследования.

В предлагаемом устройстве это достигается путем размещения термопары внутри расположенных в термобарокамере на одной оси трех трубок, две пз которых неподвижны, а третья может с помощью быстродействующего привода перемещаться вдоль оси по одной из неподвижных труб, как по направляющей, и на этой трубке установлен формирователь капли, причем эта трубка снабжена нагревателем и уплотнительными буртиками.

Этим достигается существенное уменьшение времени, в течение которого среда вокруг капли меняется от равновесной по отношению к капле до заданной, с3 щественно неравно33есной, и, таким образом, исключается заметное изменение начальных параметроз капли до введения ее в заданное неравновесное состояние. Устройство позволяет получать для экспериментального исследования каплю, в боль515979 шей степени неравновесную в исходном состоянии с окружающей ее средой, а также более точно задавать начальные параметры капли (например, температуру и состав) и тем самым позволяет осуществлять исследование фазовых переходов газа и жидкости в более широком диапазоне начальных параметров и с большей точностью.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

В термобарокамере 1, снабженной термостатирующими экранами 2 и 3, например с жидким азотом, расположена термопара 4 с термоспаем 5, размещенная внутри находящихся на одной горизонтальной оси двух неподвижных 6 и 7 и одной подвижной 8 трубок. На подвижной трубке, снабженной внутренним буртиком 9, размещен формирователь капли, состоящий в простейшем случае из резервуара 10 с исследуемой жидкостью и электроклапана 11. Формирователь капли и подвижная трубка 8 жестко соединены между собой рамкой 12 и могут перемещаться вдоль оси трубок с помощью быстродействующего электромагнитного привода 13. Неподвижные трубки 6 и 7 частично заполнены газонепроницаемым тепло- и электроизоляционным материалом и снабжены уплотнительными буртиками 14 и 15 с эластичными, например выполненными из вакуумной резины, уплотняющими прокладками 16 и 17. Для создания необходимого уплотняющего усилия на прокладках подвижная трубка 8 соединена со скользящей втулкой 18 привода через пружину 19.

Положение неподвижной трубки 7 может регулироваться незначительным перемещением ее вдоль оси с целью достижения лучшего уплотнения торца и буртика 9 трубки 8 одновременно с буртиками 15 и 14 неподвижных трубок. Механизм, с помощью которого осуществляется такая регулировка, прост и на чертеже не показан. Между наружной поверхностью примыкающего к уплотнительному буртику 14 участка 20 неподвижной направляющей трубки 7 и внутренним уплотнительным буртиком 9 подвижной трубки 8, а также между внутренней поверхностью этой подвижной трубки и уплотнительным оуртиком 14 имеются зазоры. Уплотнительный буртик 15 на неподвижной трубке 6 расположен на некотором расстоянии от ее среза, обращенного к термоспаю. Неподвижная трубка 6 снабжена отводом 21 для соединения полости трубок с устройством регулирования и измерения давления и состава среды, входящем в экспериментальную установку. На отводе 21 в месте его соединения с трубкой 6 установлен запорный орган, например клапан, внутренний объем которого не меняется при переходе из положения «Открыто» в положение «Закрыто».

С целью достижения возможности визуального наблюдения капли в процессе ее формирования подвижная трубка 8 вся или на участке, на котором установлен формирователь

65 капли, выполнена из прозрачного материала.

Этот же участок трубки (от ее уплотнительного буртика до среза) снабжен электрическим нагревателем (не показан), выполненным в виде провода, намотанного с некоторым шагом на наружную поверхность трубки, или в виде прозрачного слоя электропроводного вещества, нанесенного на поверхность трубки и соединенного с источником электрического тока.

В отдельных случаях, например при необходимости исследовать поведение капли в среде с весьма низкой температурой, должны быть снабжены нагревателями формирователь капли и отвод 21.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении, как это показано на чертеже, подвижная трубка 8 находится в положении, при котором ее уплотнительный буртик 9 и торец плотно прилегают к уплотнительным буртикам 15 и 14 неподвижных трубок и отделяют тем самым полость трубки 8 от остального объема термобарокамеры.

Среда в термобарокамере приводится в заданное состояние.

Через отвод 21 при открытом кране 22 с помощью устройства регулирования и измерения давления и состава среды, входящего в экспериментальную установку, в полость трубки 8 вводится необходимая среда, например пар жидкости, из которой должна состоять исследуемая капля.

Включается нагреватель, и в полости трубки 8 устанавливается необходимая начальная температура, а затем с помощью формирователя капли на термоспай 5 помещается исследуемая капля 23. Через короткое время капля входит в температурное равновесие с окружающей ее средой в полости трубки и может существовать в таком виде длительное время.

Введение капли в перегретое состояние осуществляется одновременным закрыванием крана 22 и перемещением подвижной трубки

8 с помощью быстродействующего привода 13 вдоль ее оси (вправо по схеме на чертеже), при этом капля сразу оказывается в неравновесной по отношению к ней среде, которая была заранее подготовлена в объеме термобарокамеры. Строго говоря, давление и состав среды в термобарокамере при этом изменяется по сравнению с исходным за счет распределения в ее объеме той среды, которая до перемещения трубки 8 находилась в ее полости, однако это изменение незначительно, так как термобаракамера имеет много больший объем, чем объем полости внутри трубки, причем, если это необходимо, такое изменение параметров может быть рассчитано и компенсировано изменением начальных параметров, например уменьшением давления в термобарокамере.

В начальный момент перемещения подвижной трубки давление в ее полости начинает падать более или менее равномерно по обе стороны от расположенной на термоспае кап515979

17 ли, потому что газообразная среда начинает вытекать из полости трубки как по зазору между трубками 6 и 8, так и по зазору между трубкой 8 и уплотнительным буртиком 14, затем между наружной поверхностью участка 20 трубки 7 и уплотнительным буртиком 9 и через отверстия 24 в трубке 8. Таким образом предотвращается сдувание капли с термоспая потоком газовой среды, вытекающей из полости трубки 8 в объем термобарокамеры.

При последующем смещении трубки 8 поток газовой среды направлен преимущественно в сторону меньшего сопротивления (влево по схеме на чертеже), однако плотность его уже недостаточна для сдувания капли. Одновременно с началом смещения трубки 8 или несколько раньше включается входящая в состав экспериментальной установки измерительная и регистрирующая аппаратура, например скоростная кинокамера, осциллограф для записи сигнала термопары, на спае которой размещена капля, и другая.

Полученная неравновесная с окружающей средой капля сообщается с элементами устройства только через провода термопары. Неконтролируемый теплоподвод к капле по проводам термопары (путем теплопроводности) и от нагретых элементов конструкции (излучением) тем меньше, чем длиннее участки проводов термопары от термоспая до трубок и чем дальше от капли расположены элементы устройства. С учетом этик обстоятельств в реальной конструкции устройства неподвижные трубки 6 и 7 расположены относительно далеко одна от другой; расстояние между этими трубками превышает диаметр подвижной трубки более чем в шесть раз.

Формула изобретения

Устройство для исследования фазовых переходов газа и жидкости, содсржащее формирователь капли жидкости, термобарокамеру с нагревателем, охладптелем, термопарой и па1з трубками для подвода газа, о т л и ч а ю щ е ее я тем, что, с целью улучшения воспроизводимости и точности исследования, термопара расположена внутри помешснной B термобарокамеру емкости, выполненной в виде трех

20 трубок, расголоженных на одной осн, две пз которых неподвижны и находятся на некотором расстоянии одна от другой, а третья насаI>3 3 K333HIlbIX Tph 6OK C возможностью перемещения вдоль оси так, что она

25 может перекрывать пространство между двумя неподвижными труокамн, причем эта третья трубка снабжена нагревателем, уплотнптельными буртиками, обеспечивающими герметичность емкости при перекрывании проз0 страпства между н подвижными трубками приводом и формирователем капли.