В.В. Назаревич Параметры и функции состояния рабочего тела. Приборы для измерения параметров состояния
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра стационарных и транспортных машин
ПАРАМЕТРЫ И ФУНКЦИИ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ
Методические указания к лабораторной работе по курсам «Термодинамика» и «Теплоснабжение и тепловое хозяйство шахт» для студентов специальности 150200 «Автомобили и автомобильное хозяйство», специальности 170100 «Горные машины и оборудование»
Составители В.В. Назаревич С.Ю. Харченко
Утверждены на заседании кафедры Протокол № 176 от 15.09.2000
Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией специальности 170100 Протокол № 1 от 21.09.2000
Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУКузГТУ
Кемерово 2002
1
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Уяснить смысл основных параметров, функций состояния и функций процесса рабочего тела. Изучить типы и конструкции приборов, применяемых в термодинамике для измерения температуры, давления и плотности рабочего тела.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Взаимные преобразования тепла и механической работы в тепловых машинах происходят при помощи рабочих тел. Рабочее тело может быть по своему агрегатному состоянию твёрдым, жидким, газообразным. В тепловых машинах наибольшее распространение в качестве рабочего тела получили пар и газ.
Состояние рабочего тела характеризуется параметрами и функциями состояния.
3.ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ
3.1.Состояние рабочего тела характеризуется основными термодинамическими параметрами: удельным объёмом V , температурой T , давлением P .
3.2.Удельный объём
3.2.1. Удельный объём υ– это объём единицы массы вещества. Если объём тела обозначить через V , м3, а массу через M , кг, то удель-
ный объём будет равен υ = MV , м3/кг.
Величина, обратная удельному объёму, т.е. масса единицы объёма вещества, называется плотностью ρ:
ρ = MV , кг/м3.
Как видно, величины υ и ρ взаимно-обратные, и поэтому υρ =1.
2
ВСИ удельный объём υ измеряют в м3/кг, а плотность вещества
ρв кг/м3. Значения плотности вещества при нормальных физических
условиях приведены в справочных таблицах.
3.2.2. Методы экспериментального определения удельных объёмов жидкостей, газов и паров весьма различны, в зависимости от требуемой точности результатов измерения и физических свойств исследуемого вещества.
Рис. 1. Схема пьезометра постоянного объема
Наибольшее распространение на практике получил метод пьезометров.
Для примера рассмотрим принципиальную схему пьезометра постоянного объёма (рис.1), предназначенного для измерения объёмов и жидкостей паров веществ, находящихся при комнатных условиях в жидком состоянии.
Исследуемую жидкость или пар помещают в сосуд известного объёма V – пьезометр 1. Температуру T и давление P вещества во время опыта измеряют термометром 2 и манометром 6. После замера T и P исследуемое вещество выпускают через вентиль 5 в бюксу 4, предварительно охлаждая еë в холодильнике 3. Взвесив бюксу, удельный объём можно определить из выражения:
υ= Vоп ,
Моп
где Von – полный объём, м3, занимаемый веществом при температуре
Ton и давлении Pon во время опыта; Mon – масса вещества, кг, по результатам взвешивания.
Для измерения плотности вещества также существуют различные методы и установки. Например, для измерения плотности вещества при атмосферном давлении и любых температурах можно использовать установку, представленную на рис.2.
В сосуд 1 с исследуемой жидкостью по трубке 4 подаётся из баллона 3 под избыточным давлением газ, не взаимодействующий с жидкостью. Давление газа фиксируется жидкостным манометром 2. Вели-
3
чина избыточного давления будет зависеть от плотности жидкости. Чем выше плотность, тем выше избыточное давление, под которым газ будет выходить из жидкости.
Измерив h при различных глубинах H погружения трубки 4 в сосуд 1, определим плотность ρ исследуемой жидкости:
ρж = |
h1 −h2 |
ρм, |
ρж = |
∆h |
ρм, |
|
∆Η |
||||||
|
||||||
|
H1 − H2 |
|
|
|||
где ρм – плотность жидкости в манометре.
Рис.2. Схема плотномера при постоянном давлении
Для сравнения удельных объёмов и плотностей различных газов удельный объём, как правило, относят к нормальным условиям, которым соответствует температура 0 °С и давление 760 мм рт. ст. (0,1013 МН/м2). В этом случае в размерность добавляется индекс (н) (нормальный), т.е. νн=нм3/кг, ρн=кг/нм3.
3.3.Температура
3.3.1.Температура – есть мера интенсивности неупорядоченного теплового движения молекул. Числовая величина температуры однозначно связана с величиной средней кинетической энергии молекул вещества, следовательно, можно записать
T = 32K MW2 2 ,
где T – абсолютная температура; МW2 2 – средняя кинетическая энер-
гия поступательного движения молекул; K – константа Больцмана, равная 1,3805.10-23 Дж/(моль·К).
Практически невозможно непосредственно измерить кинетическую энергию молекул вещества. Поэтому для измерения температуры
4
используют различные косвенные методы, основанные на изменении каких-либо физических свойств вещества, в связи с колебанием температуры: расширение тел от нагревания в жидкостных или изменение давления при постоянном объёме в газовых термометрах; изменение электрического сопротивления проводника при нагревании в термометрах сопротивления; изменение электродвижущей силы в цепи термопары при нагревании или охлаждении её спая. В оптических приборах используют свойство тел излучать тепловые и световые лучи в раскалённом состоянии.
Международной шкалой температур, утверждённой в 1968 году (МШТ-68), принята термодинамическая шкала (абсолютная) с единицей температуры градус Кельвина. Обозначается в международной системе символом T , К. Кроме МШТ-68 широко используется Международная практическая шкала (МПШТ-68) с единицей температуры градус Цельсия, обозначается символом t , °С.
Измерение температур можно производить как в градусах Кельвина, так и в градусах Цельсия в зависимости от принятого начала отсчёта (положение нуля по шкале).
В так называемой реперной (тройной) точке воды, где равновесно существуют твёрдая, жидкая и газообразная фазы, температура в градусах Кельвина равна 273,16 °К, а в градусах Цельсия 0,01 °С.
Следовательно, между температурами, отсчитанными по указанным двум шкалам, существует соотношение
Т=t°C+273,15 К.
Измерение температуры может осуществляться различными методами и приборами. Каждый метод имеет свои особенности, определяемые как принципом, так и применяемыми средствами измерений и схемами их подключения.
3.3.2.Приборы для измерения температуры
3.3.2.1.Жидкостно-стеклянные термометры применяют для из-
мерения температур в пределах от –190 до +700 °С.
Принцип их действия основан на тепловом расширении жидкости
встеклянном сосуде. В качестве термометрического вещества чаще всего применяют ртуть и этиловый спирт. В термометрах для замера
низких температур от –190 до +20 °С применяют пентан.
5
Конструктивно термометры делятся на палочные и с вложенной шкалой (рис.3).
Рис.3. Термометр жидкостно-стеклянный: а) палочный; б) со вложенной шкалой
Палочные термометры имеют толстостенный капилляр. Деления шкалы у этих термометров наносят непосредственно на внешней стороне капилляра. Во второй конструкции деления сделаны на пластине из молочного стекла, помещённой позади капиллярной трубки. Технические термометры изготавливают только со вложенной шкалой.
Для удобства установки термометров их хвостовая часть может быть прямой или изогнутой под углом.
Стеклянные термометры просты, достаточно точны и дешёвы. Недостатком их является малая прочность (хрупкость).
3.3.2.2. Манометрические термометры применяют для измере-
ния температур в пределах от –50 до +550 °С. Погрешность их не превышает ±1,5%.
Принцип их действия основан либо на изменении давления при постоянном объёме, либо на изменении объёма при постоянном давлении рабочего вещества в зависимости от температуры. В первом случае в качестве рабочего вещества применяют жидкости (ртуть, ксилол, метиловый спирт, глицерин и др.), во втором – пары и газы (ацетон, метилхлорид, этилхлорид, азот).
Манометрические термометры позволяют производить передачу показаний на расстояние до 60м и часто используются как самопишущие. Эти термометры просты по устройству, стойки к вибрациям. Недостатком их является возможность утечек рабочего вещества, что связано с необходимостью частых проверок, а иногда ремонтов.
Манометрический термометр (рис. 4) состоит из термобаллона 1, капилляра 2, трубчатой пружины 3 и передаточного механизма 4.
6
Рис. 4. Манометрический термометр
При нагревании термобаллона давление рабочего вещества увеличивается, отклоняя пружину 3, которая отградуирована в °С.
Капилляр манометрических термометров изготавливают из меди или стали с внутренним диаметром 0,15-0,5 мм.
Для устранения влияния температуры окружающей среды в жидкостных манометрических термометрах применяют различные компенсационные устройства. Например, используют капилляр большего, чем обычно, диаметра и внутрь его вставляют проволоку из специального сплава с отличным от капилляра коэффициентом расширения. При такой конструкции прибора изменение температуры окружающей среды вызывает изменение объёма рабочей жидкости и пропорциональное изменение объёма капилляра.
3.3.2.3. Электрические термометры сопротивления (рис.5)
применяются в промышленности для измерения температур в пределах от – 120 до 550°С, в отдельных случаях от –200 до +700 °С.
Рис. 5. Термометр сопротивления:
1 – защитная кварцевая трубка; 2 – кварцевый каркас; 3 – спираль из платиновой проволоки; 4 – выводы; 5 – изоляционная прокладка; 6 – контактные винты
7
Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве веществ изменять своё электрическое сопротивление с изменением температуры, которая измеряется уравновешенным электрическим мостом или потенциометром.
Термометры сопротивления имеют высокую точность измерения, дают возможность централизовать контроль температуры путём присоединения нескольких термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору, позволяют производить автоматическую запись измеряемой температуры.
Теплочувствительный элемент термометров изготавливают из проволоки чистых металлов (медь, никель, платина), которая наматывается на каркас из слюды плавленого кварца, фарфора или пластмассы.
3.3.2.4. Термоэлектрические термометры или термопары ши-
роко применяют для измерения температур в пределах от +200 до 1300 °С. Принцип действия их основан на замере электроизмерительным прибором электродвижущей силы (термоЭДС), создаваемой термопарой.
Термоэлектрические термометры имеют достаточно высокую степень точности, позволяют централизовать контроль температуры путём присоединения нескольких термопар через переключатель к одному измерительному прибору. Термопары в комплекте с самопишущими потенциометрами дают возможность производить автоматическую запись измеряемой температуры. Термопара (рис.6) представляет собой два разнородных проводника, например КОПЕЛЬ-1 и ХРОМЕЛЬ, имеющих один чистый спай (спай, осуществляемый угольными электродами в аргоновой среде). При нагревании спая в нём возникает термоЭДС, величина которой пропорциональна температуре. Если концы термопары соединить через микроамперметр 3, через последний потечёт микроток, величина которого будет пропорциональна температуре. Если микроамперметр оттарировать по температуре, то получается термоэлектрический термометр.
8
Практические измерения осуществляют одновременно двумя термопарами (рис.7). Один горячий спай помещают в среду с измеряемой температурой, второй холодный спай оставляют свободным в окружающей среде или помещают в сосуд с водой со льдом. При такой схеме измерения исключается погрешность измеряемой температуры на температуру окружающей среды, поскольку мА будет показывать разность температур между горячим и холодным спаями.
ИЗМЕРЯЕМАЯ |
ОКРУЖАЮЩАЯ |
||
СФЕРА |
СРЕДА |
||
|
|
|
|
|
мА |
ГОРЯЧИЙ |
ХОЛОДНЫЙ |
СПАЙ |
СПАЙ |
Рис.7. Схема измерения температуры термопарой
Для изготовления термопар применяют различные материалы, в связи с этим и термопары разделяются на:
–термопары из благородных металлов (платинородий-платина) – отличаются большим постоянством градуировки;
–термопары из неблагородных металлов (медь-копель, хромельалюмель), которые широко применяются в технике;
–Термопары из металлических в паре с неметаллическими и химическими соединениями (вольфрам-гранит), используются для измерения
температур жидких металлов (до 1900 °С).
3.3.2.5. Пирометры применяются для измерения температур выше 800°С. По принципу действия различают:
9
а) пирометры излучения, принцип действия их основан на измерении интенсивности (яркости) излучения раскалёнными телами. Интенсивность излучения пропорциональна температуре.
Практически все пирометры излучения имеют стеклянную или кварцевую оптическую систему. В зависимости от метода измерения пирометры излучения разделяются.
2 |
8 |
|
3 |
7 5 |
|
4 6
11
|
А |
10 |
9 |
Рис. 8. Принципиальная схема квазимонохроматического пирометра излучения
Квазимонохроматический пирометр с исчезающей нитью
(рис.8). Излучение от объекта измерения 1 проходит через объектив 2 и фокусируется в плоскости 3. В этой же плоскости расположена нить пирометрической лампы 4, яркость свечения которой можно регулировать до яркости свечения измеряемого объекта. Сравнение ведется по цвету излучения. Изображение объекта измерения и нити пирометрической лампы может быть рассмотрено наблюдателем 6 (пирометристом) через окуляр 5. Между нитью пирометрической лампы и окуляром располагается красный светофильтр 7. Между объективом и нитью пирометрической лампы может вводиться поглощающее стекло 8. Для изменения накала нити применяется реостат 9, который изменяет ток, проходящий через нить пирометрической лампы от источника питания 10. Значение тока измеряется прибором 11, отградуированным в значениях яркостной температуры.
Пирометры полного излучения являются наиболее простыми по устройству. Комплект пирометра состоит из первичного преобразователя (телескопа) и вторичного прибора. В качестве чувствительного элемента, воспринимающего излучение, применяются чаще всего термобатареи из нескольких термоэлектрических термометров или специальных термозависимых резисторов – балометров;