Патент на изобретение №2178883

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ФАЗ ТРЕХФАЗНОЙ ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технической физике. Сущность способа заключается в следующем: число фаз трехфазной среды последовательно уменьшают путем нагрева при постоянном объеме. Одновременно измеряют и регистрируют давление и температуру. Переход трехфазной среды в двухфазную определяют по началу роста давления и температуры. В этот момент измеряют количество тепла, затраченное на перевод трехфазной среды в двухфазную. Переход двухфазной среды в однофазную определяют по изменению характера зависимости давления от температуры. Содержание фаз находят по удельному объему, энтропии и известным свойствам фаз с помощью соотношений аддитивности. Технический результат – расширение области применения. 2 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к способам определения концентрации фаз в многофазных средах.

Известен способ определения степени сухости водяного пара, включающий осушение и перегрев пара при постоянном удельном объеме, непрерывное измерение давления и регистрацию начального давления пара, регистрацию давления, соответствующего моменту перехода пара из сухого насыщенного состояния в перегретый и определения степени сухости пара по отношению начального давления к давлению, соответствующему моменту фазового перехода пара (авт. свид. СССР 1626141, МКИ 5 G 01 N 25/56, опубл. 07.02.91. БИ 5).

Недостатком данного способа, является ограниченная область применения, так как способ непригоден, если анализируемая среда содержит более двух фаз.

Данный способ не позволяет определять содержание фаз в трехфазной среде.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу (прототипом) является способ измерения качественных характеристик пара (степени сухости), заключающийся в отборе пробы, нагревании при постоянном объеме до получения перегретого пара или жидкости, охлаждении и регистрации температуры и давления пара во время охлаждения, определении удельного объема пара и расчете степени сухости (патент США 4295368, МКИ, 3 G 01 К 17/00, опубл. 20.10.81 т. 1011, 3).

Указанный способ также непригоден для трехфазных сред.

Заявляемое изобретение направлено на расширение области применения и решает задачу определения содержания твердой, жидкой и газообразной фаз в однокомпонентной среде, например в шугообразном веществе.

Для решения данной задачи в способе определения содержания фаз трехфазной однокомпонентной среды, включающем отбор пробы, уменьшение числа фаз и перевод в однофазное состояние путем нагрева при постоянном объеме, непрерывное измерение давления и температуры, измеряют количество тепла, затраченное на перевод трехфазной среды в двухфазную, определяют энтропию трехфазной среды, удельный объем по температуре, соответствующей моменту перехода в однофазное состояние, и по этим данным рассчитывают содержание фаз.

На фиг. 1 представлена диаграмма энтропия – удельный объем (s-v) нормального вещества. На фиг. 2 показана схема устройства определения содержания фаз в трехфазной среде.

Трехфазные среды применяют, например, в качестве горючего ракетных двигателей (шугообразное горючее) и в системах охлаждения в качестве аккумуляторов холода. При использовании трехфазных сред необходимо знать количества твердой, жидкой и газообразной фаз в смеси. Эти данные позволяют определить плотность смеси, время хранения, рассчитать перекачивающие и регулирующие устройства.

Одновременное существование трех фаз однокомпонентной среды возможно лишь при вполне определенных давлении и температуре, соответствующих давлению и температуре тройной точки. Так как при равновесии давления и температуры всех трех фаз одинаковы, то в диаграмме давление-температура (p – Т) это состояние изображается точкой, а в диаграммах температура-энтропия (Т – s) и давление-удельный объем (p – v) – линией. В системе координат, в которой обе переменные различны для всех трех фаз, тройная точка изображается некоторой частью плоскости. Трехфазная шуга может существовать лишь внутри фундаментального треугольника SLV (фиг. 1), во всех точках которого давления и температуры одинаковы, различны только количества каждой фазы. Три угла треугольника соответствуют твердому состоянию, жидкому и парообразному (Шпильрайн Э. Э. и Кессельман П. М. Основы теории теплофизических свойств веществ. – М. : Энергия, 1977, с. 91).

При подводе тепла при постоянном объеме энтропия смеси увеличивается, а давление и температура не меняются до тех пор, пока в смеси присутствуют три фазы. Как только линия процесса пересечет границу фундаментального треугольника (т. 2), число сосуществующих фаз уменьшится по крайней мере на единицу. Давление и температура начнут увеличиваться в соответствии с уравнением кривой фазового равновесия.

В зависимости от начального положения точки 1 линия процесса изохорного подвода тепла может пересекать сторону LV (линии I и II на фиг. 1). При этом трехфазная система превратится в двухфазную систему жидкость-пар. При пересечении стороны SL (линия III на фиг. 1) трехфазная система превратится в двухфазную систему жидкость-твердое тело. Если линия процесса пройдет через точку L (линия IV на фиг. 1), исчезнут сразу две фазы – твердая и парообразная, и трехфазная система превратится в однофазную (жидкую).

Тип образовавшейся системы определяют по известным для данного вещества уравнениям кривых фазового равновесия жидкость-пар и твердое тело-жидкость.

Дальнейший изохорный подвод тепла приводит к переходу двухфазной системы в однофазную (т. 3. фиг. 1). Здесь возможны два случая: 1) однофазная система представляет собой пар (линия I); 2) однофазная система представляет собой жидкость (линии II и III). Фазовое состояние однофазной системы определяют по характеру изменения давления от температуры вдоль изохоры из неравенства

где v”= const – изохора пара, v’= const – изохора жидкости, а производная dp/dT взята по кривой фазового равновесия жидкость-пар (Шпильрайн Э. Э. и Кессельман П. М. Основы теории теплофизических свойств веществ. – М. : Энергия, 1977, с. 79).

В момент перехода двухфазной системы в однофазную происходит резкое изменение величины производной давления от температуры. Удельный объем в этот момент равен удельному объему сухого насыщенного пара v” или насыщенной жидкости v’, или удельному объему жидкости на линии затвердевания v*, которые являются известными для данного вещества функциями температуры (или давления).

Свойства среды в состоянии, соответствующем точкам 1, 2, 3 на фиг. 1, рассчитывают по соотношениям:
точка 1: v₁= x₁v”₁+y₁v’₁+(1-x₁-y₁)v₁ ^T, s₁= x₁s”₁+y₁s’₁+(1-x₁-y₁)s₁ ^T; точка 2: v₂= (1-y₂)v”₂+y₂v’₂, или v₂= y₂v’₂+(1-y₂)v₂ ^T, или v₂= v’₂, s₂= s”₁+y₂(s’₁-s”₁), или s₂= s₁ ^T+y₂(s’₁-s₁ ^T), или s₂= s’₂;
точка 3: v₃= v”₃, или v₃= v’₃, или v₃= v*₃. Так как процесс изохорный v₃= v₂= v₁. Кроме того, s₁ = s₂– q/T_тт q = Q/m, m= V/v₁, где V – известный объем пробы, Q – количество тепла, подведенное к пробе в процессе перехода из трехфазного состояния в двухфазное, Т_TT – температура тройной точки, m – масса пробы, х и y – относительное содержание пара и жидкости в шуге, соответственно. Удельные объемы и энтропия фаз при температуре тройной точки (v”₁, s”₁; v’₁, s’₁; v₁ ^T, s₁ ^T) являются известными величинами, поэтому система уравнений для точек 1, 2, 3 позволяет однозначно определить содержание фаз трехфазной среды.

Устройство, реализующее способ (фиг. 2), включает: камеру постоянного объема 1, нагреватель 2, источник тепловой энергии 3, регулятор мощности 4, измеритель количества подведенного тепла 5, датчик давления с регистрирующим прибором 6, датчик температуры с регистрирующим прибором 7, дифференцирующий блок 8, запоминающее устройство 9.

Устройство работает следующим образом. Отбирают пробу трехфазной среды в камеру постоянного объема 1. С помощью нагревателя 2 с источником тепловой энергии 3 и регулятором мощности 4 осуществляют подогрев пробы при непрерывном измерении и регистрации давления датчиком 6 и температуры датчиком 7. В тот момент, когда давление и температура начнут изменяться, измеряют измерителем 5 и запоминают с помощью запоминающего устройства 9 количество тепла, затраченное на выход из трехфазной области. С помощью дифференцирующего блока 8 определяют значение производной dp/dT и тип двухфазной системы. Как только значение производной резко изменится, что свидетельствует о выходе в однофазную область, запоминают температуру Т₃, по которой находят удельный объем пробы. Соотношение фаз рассчитывают по измеренным значениям V, Q и T₃ по уравнениям для точек 1, 2, 3.

Для оценки точности способа был выполнен расчет погрешности определения содержания жидкости в трехфазном диоксиде углерода СО₂ при объеме камеры постоянного объема V= 10^-3 м³, абсолютной погрешности измерения объема 10^-6 м³, абсолютной погрешности измерения температуры 0,1 К, абсолютной погрешности измерения количества тепла 10^-3 Дж и содержании жидкости в трехфазной смеси y= 0,5. Относительная погрешность определения содержания жидкости составила 0,92% при переходе трехфазной системы в двухфазную систему твердое тело-жидкость и 0,99% при переходе в двухфазную систему жидкость-пар. При этом масса пробы составила соответственно 1,182 кг и 1,0273 кг, количества тепла, необходимые для перевода в двухфазное состояние, 1,14510⁵ Дж и 1,0110⁵ Дж.

Формула изобретения

Способ определения содержания фаз трехфазной однокомпонентной среды, включающий отбор пробы, уменьшение числа фаз и перевод в однофазное состояние путем нагрева при постоянном объеме, непрерывное измерение давления и температуры, отличающийся тем, что измеряют количество тепла, затраченное на перевод трехфазной среды в двухфазную, определяют значение производной dp/dT и тип двухфазной системы, по температуре, соответствующей моменту перехода в однофазное состояние, определяют удельный объем, определяют энтропию трехфазной среды и по этим данным с привлечением системы уравнений, характеризующих свойства трехфазной однокомпонентной среды, рассчитывают содержание фаз.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 18.02.2003

Номер и год публикации бюллетеня: 14-2004

Извещение опубликовано: 20.05.2004

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.10.2004 БИ: 30/2004