Размещено на http://www.allbest.ru

1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ

Для анализа процессов тепломассообмена, протекающего при работе реактивного двигателя, исключительно важное значение имеет значение фактического уровня тепловых потоков: суммарного и его составляющих - лучистого и конвективного. Достоверные данные об уровне тепловых потоков можно получить путём измерений. Измерительные преобразователи тепловых потоков устанавливаются в наиболее теплонапряжённых местах, а также в местах, где материал деталей подвергается значительному уносу массы при работе двигателя. Измерение суммарных тепловых потоков обычно производится с помощью калориметрических и термопарных измерительных преобразователей. Действие преобразователей калориметрического типа основано на определении скорости нарастания температуры (во времени) в металлических дисках, пластинах или оболочках, одна поверхность которых подвергается воздействию теплового потока, а другая является теплоизолированной. Принцип работы термопарных преобразователей заключается в появлении термоэлектродвижущей силы при возникновении теплового градиента в направлении теплового потока.

1.1 Полупроводниковый преобразователь теплового потока

Из компонентов теплового потока чаще всего определяется лучистый тепловой поток. Для его измерения используются различного виды радиометры. Конвективный тепловой поток оценивается по разности между полным и лучистым тепловыми потоками. На рисунке 1 показана конструкция полупроводникового измерительного преобразователя теплового потока. преобразователь предназначен для измерения квазистационарных тепловых потоков с поверхностью до 10МВт/м².

Рисунок 1 - Конструкция полупроводникового преобразователя теплового потока термопарный преобразователь аппаратура калориметр

Принцип его действия заключается в следующем. Тепловая энергия через медную шайбу 2 подводится к термочувствительному элементу 4, расположенному в квадратном глухом отверстии 2 шайбы. Термочувствительный элемент, изготовленный из монокристаллов германия, припаивается к дну отверстия свинцово- оловянным припоем. Тепловой контакт между боковыми поверхностями термочувствительного элемента 5 и отверстия 2 отводится охлаждающей водой, подаваемой через трубку 1 между коаксиальными охлаждающими рёбрами 5 и вытекающей через трубку 1. Выходной сигнал снимается с термочувствительного элемента через припаянные к нему константановые проволочки 3, к которым припаиваются медные проволочки большего диаметра. Медная шайба припаивается серебром к наружной оболочке 5; к ней же припаивается и верхняя крышка. Диаметр преобразователя равен 11мм. Выходной сигнал при поверхностной плотности теплового потока 10МВТ/м² составляет 16 мВ. Теплочувствительный элемент преобразователя действует как дифференциальная термопара.

1.2 Микропреобразователь локальных тепловых потоков

Для определения теплового потока в металлических стенках можно использовать измерительный микропреобразователь, показанный на рисунке 2. Преобразователь предназначен для измерения тепловых потоков с поверхностной плотностью 1200 МВТ/м².

Чувствительным элементом преобразователя является дифференциальная термопара, средний термоэлектрод 2 который выполнен из константа, крайние термоэлектроды 1 и 3 изготовлены из материала, однородного с материалом стенки 6. Чувствительный элемент покрывается тонким (30..50 мкм) слоем теплоизоляции и помещается в стальной капилляр 4, который вставляется в последующей развальцовской в пробку 5. Пробка 5 изготавливается из материала, однородного с материалом стенки 6 и запрессовывается в неё так, чтобы обеспечивать контакт электрода 1 со стенкой 6 и отсутствовала газовая прослойка между контактирующими поверхностями. При перепаде температур по на вправлению теплового потока q (между холодным и горячем) спаями 7 термоэлектродов 1, 2 и 3 создаётся термоэлектродвижущая сила, и электрический сигнал подаётся на измерительный прибор. Погрешность измерений не превышает 3 %.

1.3 Радиометр с узким углом обзора

Схема радиометра для измерения лучистого теплового потока показана на рисунке 3. Радиометр размещается во внутренней полости стенки 1. Конструкция корпуса 2 радиометра такова, что благодаря ограничению угла обзора исключается влияние боковых стенок полости. Корундовое окно 4 (линза) предохраняет чувствительный элемент от воздействия конвективного нагрева. Чувствительный элемент 5 выполнен из константановой фольги и подключен к токосъёмнику 7 с помощью медной проволоки 3. Принцип действия радиометра заключается в том, что разность температур центра зачернённого чувствительного элемента и медного теплоотводящего корпуса 2 обеспечивает появление термоэлектродвижущей силы, которая линейно зависит от уровня теплового потока. Для охлаждения корпус и линза продуваются через отверстие 6 газообразным азотом. Погрешность измерений теплового потока этим радиометром не превышает 5 %

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КАЛОРИМЕТРИИ

2.1 Классификация и устройство калориметров

Применяемые в калориметрии методы измерений и аппаратура необычайно разнообразны, поскольку подход к решению калориметрических задач диктуется исследуемым процессом и условиями его проведения. Определение количества теплоты выделившейся (или поглотившейся) в том или ином процессе, проводят в специальном приборе - калориметре. Совокупность частей калориметра, между которыми распределяется все тепло, подлежащее измерению, называют калориметрической системой. Калориметрические измерения, как правило, состоят в наблюдении за изменением температуры калориметрической системы во время опыта. Часто в целях сокращения термин «калориметрическая система» условно заменяют термином «калориметр», который, таким образом, употребляется в двух смыслах.

Создание полной классификации калориметров вряд ли возможно ввиду многообразия, как приборов, так и калориметрических методов. Поэтому основы калориметрии излагают, обычно рассматривая наиболее типичные и распространенные калориметры [1- 3]. Их часто различают по назначению, рабочему интервалу температур, числу реакционных камер и т.д.

Собственно калориметр, как правило, означает сосуд, в котором происходят измеряемые тепловые явления. Выделяющаяся или поглощающаяся в этом сосуде теплота вызывает изменение температуры калориметра, вследствие чего возникает теплообмен с внешней средой. Теплообмен имеет место между поверхностью калориметрического сосуда (внутренней оболочкой) и поверхностью полости (внешней оболочкой), в которой помещен этот сосуд. Тепловой поток W, который устанавливается между обеими оболочками, тем больше, чем больше разность температур ?T и чем больше теплопроводность л среды, их разделяющей.

При постоянном температурном режиме

W = л·?T

В этом уравнении, напоминающем закон Ома, л представляет основную характеристику используемого прибора и может служить для классификации различных типов калориметров. Именно тепловые условия работы калориметров являются общим признаком их классификации.

С этой точки зрения и исходя из анализа работ по калориметрии и микрокалориметрии, наиболее распространена следующая классификация калориметров: адиабатические, изотермические (с постоянной температурой), диатермические (с переменной температурой), теплопроводящие и проточные (по тепловым условиям измерений и взаимодействию реакционной камеры с внешней средой).

2.2 Адиабатические калориметры

В адиабатических калориметрах теплообмен реакционной камеры (калориметрической системы) с окружающей средой отсутствует (или он минимален), т.е. л ? 0.

В этом случае внутренняя и внешняя оболочки отделены друг от друга почти совершенным термическим изолятором, так что калориметр является не проницаемым для тепла. В этих условиях теплота Q выделяемая в калориметре с начала опыта, практически вся идет на нагревание его содержимого. В конце опыта температура калориметра становится выше начальной на ?T и Q = C·?T, где С -- теплоемкость калориметра. Такой прибор является интегратором, суммирующим все количество теплоты, выделяющееся в нем в ходе опыта: теплоту реакции, механического перемешивания, испарения и т.д. Для обеспечения условий минимального теплообмена пространство между реакционной камерой и внешней оболочкой калориметра вакуумируют. При этом наиболее эффективно использование одного или нескольких охватывающих калориметрическую систему экранов, температура которых в процессе измерения поддерживается равной температуре внешней поверхности калориметрической системы. Равенство температур обеспечивается терморегулятором с датчиком разности температур и электрическим нагревателем. Практически адиабатические оболочки могут быть представлены сосудами Дьюара, применяемыми главным образом при температурах ниже окружающей. Однако они не могут быть использованы для опытов, продолжительность которых имеет порядок нескольких часов; к тому же теплоемкость сосудов Дьюара плохо определяется, так как она зависит от продолжительности опыта.

Адиабатический метод, предложенный впервые французским ученым Персоном (1849), был введен в практику Ричардсом (1905) и в настоящее время широко применяется. Однако адиабатические калориметры обладают относительно большой инерцией и функционируют при температуре, меняющейся в течение опыта. Изучаемый объект, будь то химический или живой, находится, следо- вательно, в экспериментальных условиях, меняющихся во время производимых операций. В результате трудно вывести действительный ритм тепловыделения для постоянных условий.

2.3 Изотермические калориметры

В изотермических калориметрах теплопроводность калориметра л очень велика и теплота не аккумулируется в калориметре, а быстро переходит во внешнюю среду. Разность температур ?T здесь всегда очень мала. Её измерение очень затруднено и неточно. Она представляет к тому же мало интереса. В этом методе требуется уже не термометр, а прибор для измерения величины, пропорциональной потоку выделяемой теплоты. О количестве теплоты изотермических калориметрах судят по количеству вещества, изменившего свое агрегатное состояние (плавящееся твердое тело или испаряющаяся жидкость).

Изотермические калориметры часто применяют для определения тепловых эффектов длительных процессов и имеют специфическое назначение. В калориметрии к этой категории принято относить калориметры, в которых мерой энергии является количество вещества, изменившего агрегатное состояние (например, "ледяной" калориметр Бунзена) [1, 2]. Однако, к этому же типу можно отнести и такие калориметры, в которых эндотермический тепловой эффект компенсируют электрической энергией, а экзотермический -- эффектом Пельтье (рис. 1а).

а) б)

Размещено на http://www.allbest.ru

X=1% Y=99% X=0% Y=100%

Рисунок- 1. Схема различных типов калориметров: а) -- теплопроводящий калориметр Тиана- Кальве. Наибольшая часть выделившейся теплоты выводится из зоны А к внешней оболочке по термопарам, которые окружают калориметрический сосуд. Измеряют термоэлектродвижущую силу термобатарей, пропорциональную теряемой тепловой мощности. б) -- калориметр изотермический. Вся теплота, выделившаяся в калориметре, используется для плавления определенного количества легко плавящегося вещества. Образующуюся в результате плавления жидкость собирают и взвешивают. А -- зона выделения теплоты; В -- изолирующие части; С -- внешний блок, хорошо проводящий тепло; D -- лед или другое легко плавящееся вещество; К -- термопары, связанные с гальванометром G; Е--градуировка прибора; X-часть теплоты, оставшаяся в калориметрической камере; Y- часть теплоты, рассеявшаяся в окружающую среду.

Ледяной калориметр Бунзена -- наиболее совершенный тип изотермического калориметра. На рис. 1б изображен изотермический прибор типа ледяного калориметра Бунзена. В этом приборе определяют вес льда, тающего в калориметре под влиянием теплоты изучаемого процесса. По весу льда, растаявшего с начала опыта, определяют, после соответствующих пересчетов, общее количество выделившейся теплоты Q. Прибор функционирует в этих условиях и как интегратор, давая Q в функции времени ф. Лед, используемый в аппарате Бунзена, может быть заменен каким-либо другим легко плавящимся веществом, если необходимо производить опыты при температурах, отличных от 0°С. Так в изотермическом калориметре типа Метьюза теплота Q, выделяемая в калориметре, определяется по массе четыреххлористого углерода, испарившегося при его нормальной температуре кипения T=369+-0,05K.

К сожалению, калориметры типа Бунзена, Метьюза или Юнкерса очень сложны в обращении. К тому же проточные калориметры не удовлетворяют требованиям нулевого метода и нуждаются в двойном контроле: расхода жидкости и разности двух температур, и лишь приблизительно изотермичны. Кроме того изотермические или полуизотермические калориметры проявляют слишком большую термическую инертность, недопустимую в приборах-осциллографах, которые должны обеспечить надежность в измерениях выделяющейся теплоты. Действительно, плавление льда происходит медленно, а равновесие, устанавливающееся в проточном методе, происходит лишь с очень большим запаздыванием.

2.4 Диатермические калориметры

В диатермических (с переменной температурой) калориметрах количество теплоты определяется по изменению температуры калориметрической системы. Здесь калориметрический сосуд или блок обычно размещают в гнезде, которое находится в среде с регулируемой температурой, или же окружают калориметрическую систему регулируемыми экранами. Окружающие калориметрическую систему устройства образуют оболочку калориметра. По режиму проведения измерений калориметры переменной температуры можно разделить на калориметры с изотермической оболочкой («изопериболические») и калориметры с адиабатической оболочкой. Способ учета теплообмена калориметра с окружающей средой всецело определяется режимом проведения измерений.

К этому типу можно отнести кондуктивные микрокалориметры, в которых между реакционной камерой и термостатом (окружающей средой) размещено вещество с известным коэффициентом теплопроводности или датчики, равномерно охватывающие реакционную камеру.

Дифференциальные сканирующие калориметры (ДСК), в сущности, относятся к категории калориметров переменной температуры с непрерывным вводом энергии, работающих в адиабатическом режиме. Но в связи с тем, что ДСК в последнее время получили очень широкое распространение и выпускаются приборостроительной промышленностью в больших количествах и во многих конструктивных вариантах, обычно их рассматривают как особый тип калориметрической аппаратуры.

2.5 Теплопроводящие калориметры

Теплопроводящие калориметры или калориметры Кальве также принято рассматривать как особый тип калориметров. В них реакционные камеры (две или три) окружены дифференциально включенными измерительными термобатареями (рис. 1а). Действие калориметра основано на измерении термоэлектродвижущей силы, возникающей в термобатарее при прохождении через неё теплового потока от реакционной камеры к массивному металлическому калориметрическому блоку термостата калориметра или наоборот. Температура калориметрической реакционной камеры при этом незначительно изменяется, однако эти калориметры нельзя назвать диатермическими или строго изотермическими. Поэтому калориметры подобного типа называют ещё калориметрами теплового потока [6]. При компенсации экзотермического теплового эффекта теплотой Пельтье они принимают общие черты с калориметрами постоянной температуры. Тем не менее, и в этом случае им свойственна принципиальная особенность, характерная только для этого типа приборов: нескомпенсированную теплотой Пельтье часть выделяемой энергии находят в них путем измерения мощности теплового потока, возникающего между рабочей ячейкой и внешней оболочкой.

2.6 Проточные калориметры

В проточных калориметрах (как правило, ими являются микрокалориметры) тепловой эффект определяется по известным удельной теплоёмкости и массе газа или жидкости, уносящих тепло из реакционной камеры, их разогреву или охлаждении при теплообмене.

Приведенное выше краткое описание основных типов калориметров является, конечно, далеко не полным, но все же дает общее представление о наиболее распространенной калориметрической аппаратуре.

Специфика научных термохимических исследований такова, что наиболее распространенными в лабораторной практике до сих пор остаются калориметры с переменной температурой [3]. Существуют различные типы калориметров переменной температуры, отличающиеся конструкцией, способом измерений, назначением и т.д.

В жидкостных калориметрах основной частью является калориметрический сосуд, наполненный жидкостью, в который помещают реакционную камеру для проведения исследуемого процесса. В качестве калориметрической жидкости обычно служит чистая вода, если измерения проводят в области комнатных температур. Но нередко применяют водные растворы или органические жидкости.

В массивных, или анероидных, калориметрах роль среды, воспринимающей измеряемую энергию, выполняет массивный блок, изготовленный из металла с высокой температуропроводностью (обычно медь, алюминий или серебро). Массивные калориметры чаще применяются при высокотемпературных термохимических исследованиях.

Как жидкостные, так и массивные калориметры могут быть двойными, или дифференциальными. В двойных калориметрах один из калориметрических сосудов (или блоков) используют для проведения в нем изучаемого процесса, а второй, идентичный ему, сосуд служит для сравнения известного и неизвестного количества энергии. Например, в рабочей калориметрической системе проводят химическую реакцию, а другую систему с таким же энергетическим эквивалентом нагревают электрическим током, добиваясь одинаковой скорости нагрева.

Калориметры-контейнеры, часто применяемые для измерения теплоемкости веществ в широком интервале температур, также относятся к категории калориметров переменной температуры. Калориметр-контейнер обычно представляет собой тонкостенный металлический сосуд, а средой, воспринимающей вводимую энергию, в этом случае является находящееся в нем вещество.

Выводы

Важным фактором, влияющим на окончательный результат измерений, является надёжная работа автоматических регуляторов температуры изотермических или адиабатических оболочек. В адиабатическом калориметре температура оболочки регулируется так, чтобы она была всегда близка к меняющейся температуре калориметрической системы. Адиабатическая оболочка -- лёгкая металлическая ширма, снабженная нагревателем, -- уменьшает теплообмен настолько, что температура калориметра меняется лишь на несколько десятитысячных град/мин. Часто это позволяет снизить теплообмен за время калориметрического опыта до незначительной величины, которой можно пренебречь. В случае необходимости в результаты непосредственных измерений вводится поправка на теплообмен, метод расчёта которой основан на законе теплообмена Ньютона -- пропорциональности теплового потока между калориметром и оболочкой разности их температур, если эта разность невелика (до 3--4 °C).

Для калориметра с изотермической оболочкой теплоты химической реакции могут быть определены с погрешностью до 0,01 %. Если размеры калориметра малы, температура его изменяется более чем на 2--3 °C и исследуемый процесс продолжителен, то при изотермической оболочке поправка на теплообмен может составить 15--20 % от измеряемой величины и существенно ограничить точность измерений. В этих случаях целесообразнее применять адиабатическую оболочку.

При помощи адиабатического калориметра определяют теплоёмкость твёрдых и жидких веществ в области от 0,1 до 1000 К. При комнатных и более низких температурах адиабатический калориметр, защищённый вакуумной рубашкой, погружают в сосуд Дьюара, заполненный жидким гелием, водородом или азотом. При повышенных температурах (выше 100°C) калориметр помещают в термостатированную электрическую печь.

Исходя из анализа калориметров разного типа, можно прийти к выводу, что наиболее удобным и эффективным калориметром является - адиабатический калориметр.

Размещено на Allbest.ru