Методы и средства измерения количества тепла

Жидкостные калориметры

Этот тип калориметра, наиболее широко употребляемый в тех­нике, прост по конструкции и удобен в обслуживании. Коли­чество тепла, получаемое в результате реакции, вызванной извне, сначала передается реакционному сосуду (в котором про­текала реакция), а затем жидкостной ванне. Жидкость в ванне непрерывно перемешивается при помощи крыльчатки, подъем­ного винта или насосов, что ускоряет выравнивание температур. Ванна в максимально возможной степени теплоизо­лирована (экранирована) от окружающей среды. Изменение тем­пературы жидкостной ванны является мерой определяемого количества тепла. Теплоемкость нагреваемых масс должна быть не слишком большой, чтобы обеспечить достаточное изме­нение температуры и чтобы процесс измерения продолжался не слишком долго (из-за чего возрастают потери тепла).

Рисунок Устройство жидкостного калориметра.

При высоких требованиях к постоянству окружающих усло­вий можно весь калориметр поместить в еще одну ванну и стабили­зировать температуру в ней о высокой точностью, используя контур регулирования. Это не­обходимо в первую очередь в тех случаях, когда требуется провести опыт при температу­рах, значительно отличающихся от температуры окружающей среды.

Для проведения анализов при низких температурах (при­мерно до -150°С) в качестве охлаждающей среды применяют жидкий азот. При этом необ­ходимо обращать внимание на то, чтобы на пробы или сосуды с пробами при их смене не осаж­дался иней из окружающего влажного воздуха, так как его слой может оказать влияние на процесс измерения. Чтобы избежать этого, когда калориметр открыт, пробу и сосуд с пробами обдувают холодным газообразным азотом.

Калориметры с металлическим телом

Рисунок Схема устройства металлическогно калориметра.

Если требуется провести калориметрические исследования в более широком диапазоне температур, то жидкостные калориметры уже непригодны. В подходящих для этой цели калориметрах с металлическим телом передаваемое количество тепла воспринимается металлическим блоком (из серебра, меди, алюми­ния), который обычно имеет темпе­ратуру окружающей среды. Такой калориметр предназна­чен главным образом для опреде­ления удельной теплоемкости с, Дж/(кг*К), жидких и твердых ве­ществ.

Пробу сначала охлаждают вне калориметра в холодильной установке или нагревают в печи и после достижения установивше­гося состояния опускают (роня­ют) в отверстие металлического блока. По способу работы такой прибор называют калори­метром свободного падения, а по характеру термодинамических процессов в нем его иногда именуют калориметром смещения.

Количество тепла, передаваемого при таком смешении от пробы (с параметрами m1, c1, ) металлическому блоку (m2, c2, ), вызывает изменение температуры блока, поддающееся измерению. Это позволяет определить обычно неизвестное значение удельной теплоемкости пробы для идеальных условий (при отсутствии теплообмена е окружающей средой) из выражения:

Сам металлический блок располагается в вакуумированном со­суде Дьюара, а иногда в жидкостной ванне. В последнем случае для получения теплоемкости калориметра Ск к теплоемкости ме­таллического блока С2 нужно прибавить теплоемкость ванны Cw:

CK=C2+CW=c2m2+cWmW .

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Наиболее часто калориметры используют в режиме неизменности условий окружающей среды. Это относится в первую очередь к большинству калориметров горения, время реакции в которых' очень мало. В то время как температура внутренних частей ка­лориметра изменяется вследствие протекания реакции, темпера­тура окружающего воздуха остается постоянной. Во многих случаях в качестве окружающей среды используют термостатиро­ванную ванну с целью избежать влияния на измеряемую вели­чину внешних помех — колебаний температуры в помещении, излучения, скозняка и т. д.

Преимуществом этой измерительной схемы являются сравнительно малые затраты на аппаратуру, с помощью которой можно выполнить преобладающую часть калориметрических из­мерений. Основным недостатком следует считать теплообмен кало­риметра с окружающей средой, что усложняет расшифровку ре­зультатов. Этот способ измерения всегда называют изоперибольным (диатермическим). В любом случае его нельзя называть изо­термическим, сущность которого заключается в том, что темпера­тура калориметра во время протекания реакции остается по­стоянной, как, например, калориметров, предназначенных для измерения фазовых превращений.

Адиабатический метод

Если удается исключить теплообмен с окружающей средой, т. е. обеспечить адиабатическое протекание процесса, то проведение эксперимента и расшифровка результатов упрощается, а результат измерения получается более точным, так как отпадает необходимость в непрерывной записи изменения температуры и в вычислении поправок. Кроме того, в этом случае можно допу­стить несколько больший подъем температуры в калориметрическом сосуде; у неадиабатических приборов это неприемлемо вследствие увеличения тепловых потерь.

Чтобы исключить теплообмен между калориметрическим со­судом и его непосредственным окружением (обычно жидкостной ванной), температуру ванны необходимо все время корректи­ровать п соответствии с- изменениями температуры внутри сосуда. При помощи электронного регулятора (схемы слежения) мо­жно постоянно поддерживать разность этих температур практи­чески равной нулю. Это повышает стоимость измерительной аппа­ратуры в зависимости от требуемой точности измерений.

Элементы аппаратуры должны быть быстродействующими и сохранять стабильность в течение длительного времени (иметь минимальный дрейф). Зона нечувствительности контура следящего регулирования должна быть в пределах от ±10-3 до ±10-5 К. В качестве измерительных устройств можно использовать любые малоинерционные электрические контактные термометры, которые при включении в мостовую схему дают импульс регулятору на изменение мощности нагрева. Нагрев осуществляется либо с по­мощью электрической спирали сопротивления, либо прямым способом в жидкостной ванне, которая благодаря слабой диссо­циации действует как нагревательное сопротивление (так назы­ваемый электролитический нагрев). Этот второй способ практиче­ски безынерционен. Результат можно получать при помощи уже имеющихся средств для электрического измерения температуры или же по дополнительно устанавливаемому жидкостному термо­метру (Бекмана).

Адиабатический метод измерения пригоден для изучения главным образом медленных процессов е тепловыми эффектами. При быстрых изменениях количества тепла (в калориметрах го­рения) инерционность выравнивания температур оказывает такое неблагоприятное влияние, что не достигается даже точность обыч­ных неадиабатических методов. Однако, обеспечивая малую тепло­емкость нагревательных элементов и датчиков температуры и осу­ществляя интенсивное перемешивание жидкости ванны, можно получить малые значения различных постоянных времени (умень­шить инерционность).

Компенсационный метод

Используя дифференциальные или сдвоенные калориметры, ос­нованные на принципе компенсации, удается в значительной мере исключить внешние воздействия на процесс измерения. Два иден­тичных калориметрических сосуда с идентичными вспомогательными устройствами помещены в окружающую среду о одинако­выми условиями. В одном сосуде протекает исследуемый процесс с тепловым эффектом, а другой сосуд с помощью следящей системы регулирования нагревается таким образом, что потери тепла в окружающую среду для обоих сосудов одинаковы. Поэтому подводимую мощность нагрева можно поставить в прямую за­висимость от количества тепла , высвобождающегося при ис­следуемом процессе. При этом экспериментальная задача измере­ния переходит в другую область и сводится к очень точному опре­делению подводимой электрической мощности нагрева (Вт*с, Дж):

Дифференциальный калориметр применяется, в частности, при адиабатических условиях окружающей среды, прежде всего тогда, когда следует ожидать очень малых или очень медленных изменений количества тепла. При эндотермических процессах достаточно иметь один калориметрический сосуд. Подвод тепла контролируется с таким расчетом, чтобы температура в сосуде все время оставалась одной и той же (изотермический метод). Недостатком дифференциальных калориметров являются боль­шие затраты на аппаратуру и на средства техники измерений.

КАЛОРИМЕТРЫ ГОРЕНИЯ

Топливо, применяемое в теплосиловом хозяйстве, ксследуют с целью определения его теплоты сгорания Н (Дж/кг). Этот пока­затель нужен для определения коэффициентов полезного действия, исследования экономичности и расчетов за израсходованную энер­гию в различных установках, а также для оптимального управле­ния процессом горения. Значительные колебания в составе горю­чих компонентов нередко обусловливают необходимость непре­рывного определения теплоты сгорания.

При полном сгорании вещества выделяется некоторое коли­чество тепла Q (тепло сгорания). Если разделить его на массу т (или на объем при нормальных условиях Vn), то получится (удель­ная) теплота сгорания:

или .

В зависимости от состояния продуктов сгорания различают два вида теплоты сгорания: высшую Н0 и низшую Ни , которые называют также теплотой горения и те­плотворной способностью. При определении низшей теплоты сгорания Ни вода, образующаяся при химических реакциях, должна находиться в парообразном состоянии. Разность обеих теплот Н0 — Ни соответствует теплоте парообразования сконденсиро­вавшейся воды (индекс КО — конденсата) r, которая равна 2,441 МДж/кг.

Для твердых и жидких топлив получающееся количество воды можно определить на основе элементарного анализа, а при сжигании газообразных топлив — измерением количества конден­сата.

В промышленных топках тем­пература продуктов сгорания всегда превышает точку кипения воды. Поэтому обычно представ­ляет интерес только низшая теп­лота сгорания Ни, поскольку теп­лота конденсации воды не мо­жет быть использована.

Калориметры горения для твердых и жидких веществ

Для быстро протекающих процес­сов горения разработана специ­альная форма жидкостного кало­риметра - так называемая калориметрическая бомба Бертло (рис. 3).

Рисунок Устройство калориметрической бомбы.

Сжигание малого, точно отмеренного количества вещества происходит при постоянном объеме в герметичной бомбе в атмосфере возможно более чистого кислорода под давлением ~30 ат (3 МПа). Запол­ненная бомба помещается в жидкостную ванну калориметра, кото­рая и воспринимает выделяющееся тепло горения.

Твердые вещества обычно прессуют в брикеты (таблетки) малых размеров и очень точно взвешивают. Плохо горящие ве­щества целесообразно перемешивать с хорошо горящими жидко­стями с известной теплотой сгорания (например, бензойной ки­слотой). Жидкие вещества помещают в чашечки (лодочки) из платины или кварца или в малые пластмассовые капсулы. На крышке, закрепляемой к корпусу бомбы болтами, расположены все устройства, необходимые для исследования: клапаны для подачи кислорода и отвода продуктов сгорания, держатели для проб и электрический запальник. Зажигание осуществляют подводом электричества к тонкой платиновой проволоке. Подводи­мое для зажигания тепло должно быть точно измерено, чтобы его можно было учесть при расшифровке результатов эксперимента. В калориметрической бомбе определяют высшую теплоту сго­рания Н0. При поверке определяют тепловой эквивалент калори­метра Ск сжиганием эталонного вещества (например, бензойной кислоты) или при помощи электрического нагревательного уст­ройства.

Калориметр горения для газообразных веществ

Для определения теплоты сгорания газообразных сред существуют различные способы. Все они в отличие от калориметрической бомбы для твердых и жидких веществ основаны на непрерывном изме­рении. Применяемый принцип измерения весьма прост. Исследу­емый газ непрерывно сжигают в горелке при постоянном давле­нии. Все выделяемое при сгорании тепло поглощается либо пото­ком охлаждающей среды в теплообменнике (влажный или тепло-обменный калориметр), либо посредством смешивания продуктов сгорания с потоком воздуха с известным расходом (су­хой или смешивающий калориметр). Обычно определяют низшую теплоту сгорания Нu. Чтобы определить высшую теплоту сгорания Н0, необходимо сконденсировать водяной пар (индекс КО), содержащийся в отходящих газах. Зная массовые расходы потоков и разность температур на входе (индекс е) и выходе (ин­декс а) калориметра, можно по уравнению теплового баланса вычислить соответствующую теплоту сгорания.

Требуемая подготовка газа во всех газовых калориметрах в принципе одинакова. Перед сжиганием газ (индекс G) сначала очищают от твердых механических примесей (в фильтре) и ув­лажняют (до насыщения влагой, 100 %), а затем доводят до заданных значений предварительного давления (при помощи редук­ционного клапана) и температуры охлаждающей среды (индекс К). Необходимый для горения воздух (индекс L) тоже увлажняют и доводят до температуры охлаждающей среды.

В зависимости от требуемой точности и допустимых затрат на измерительную аппаратуру некоторые из этих условий мо­гут не выполняться. Калориметры следует поверять на эталон­ном газе (например, на водороде), чтобы установить отклонение от уравнения для идеального состояния калориметра. Для теплооб-менного (влажного) калориметра упомянутое уравнение имеет вид

где и — массовые расходы охлаждающей среды и топлива, кг/с; ск — удельная теплоемкость охлаждающей среды, Дж/(кг*К); — прирост температуры охлаждающей среды, К.

Рисунок Устройство влажного (а) и сухого (б) калориметров для газообразного топлива.

Повышение температуры обычно составляет 5—15 К. Ввиду большой термической массы теплообменные калориметры имеют очень большую постоянную времени, которая может до­ходить до нескольких минут. Поэтому они менее удобны для ис­пользования в замкнутой цепи регулирования в качестве датчика, чем сухие (смешивающие) калориметры, постоянная времени которых составляет всего несколько секунд. Зато достижимая точность теплообменных калориметров сравнительно вы­сока. Их погрешность не превышает ±0,25—1%, так что их можно использовать также для лабораторных работ и для по­верок. Сухие калориметры (смешивающие) имеют погрешность от ±1 до ±2 % верхнего предела диапазона измерений.

Конструктивные исполнения калориметров различных изго­товителей различаются прежде всего вспомогательными и предо­хранительными устройствами, чувствительными элементами и вы­числительными схемами, обеспечивающими компенсацию погреш­ностей. Так, в теплообменных калориметрах различными спосо­бами поддерживается постоянство отношения расходов газа и охлаждающей среды (см. приведенное выше уравнение калори­метра), благодаря чему высшая теплота сгорания Н0 , непосред­ственно зависит только от повышения температуры .

В сухих калориметрах повышение температуры измеряют либо непосредственно при помощи электрических контактных термометров, либо косвенно с помощью дилатомет­рического датчика — расширяющейся трубы, расположенной в потоке отходящих газов. В калориметре фирмы ADOS термическое удлинение дилатометрической трубы непосредственно соответст­вует теплоте сгорания и может быть преобразовано в любой сиг­нал с помощью рычажной передачи и измерителя длины. В кало­риметре фирмы Reinecke удлинение стержня используется как измерительный сигнал в цепи регулирования, которая управляет расходом охлаждающего воздуха с таким расчетом, чтобы повы­шение его температуры оставалось практически постоянным. Контур регулирования при этом получается чисто пропорцио­нальным, однако в нем неизбежно некоторое остаточное отклоне­ние. При этом расход охлаждающего воздуха или удлинение дила­тометрической трубы (стержня) являются мерой определяемой теплоты сгорания. Необходимой предпосылкой для получения достаточной точности во всех сухих калориметрах является хо­рошее перемешивание охлаждающего воздуха и продуктов сгора­ния.

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ

Тепло как вид энергии передается тремя способами: через твердое тело (теплопроводностью), жидкими ила газообразными средами (конвекцией) и без участия материи (излучением). В технике почти всегда в передаче тепла участвуют все три составляющие; тем не менее во многих случаях можно получить результаты приемле­мой точности, измеряя только одну составляющую.

Измерение теплового потока при теплопроводности

Передача тепла через теплопроводные стенки имеет важное зна­чение во многих областях техники (теплообменники всех видов, теплоизоляция и т. д.). При этом представляют интерес не столько текущий контроль производственных величин, сколько резуль­таты однократных измерений, используемых для оценки нагруз­ки, проверки выполнения гарантируемых показателей и эконо­мичности.

Согласно законам стационарной теплопроводности, тепловой поток определяется по следующим формулам (Дж/с):

• через плоскопараллельную пластину с площадью поверхности А (рис. 5, а):
• через стенку цилиндрической трубы длиной L, (см. рис. 5, б):

Поскольку коэффициент теплопровод­ности стенки [Дж/(м*с*К)] и ее геометрические размеры из­вестны, измерение теплового потока сводится к измерению раз­ности температур. Однако эта методика требует очень точного определения температур поверхностей. Погрешности, связанные с изменением условий теплопередачи при установке температурных чув­ствительных элементов на поверхно­стях, могут быть довольно большими. Поэтому для более точных измере­ний рекомендуются методы, приводи­мые ниже, при которых одновремен­но используются и теплопровод­ность, и теплоотдача.

Измерение тепловых потоков при теплопередаче (теплоотдаче в сочетании с теплопроводностью)

Для упомянутой в предыдущем разделе плоской стенки справед­лив следующий закон теплопередачи (Дж/с):

,

где в коэффициенте теплопередачи k 1Дж/(м2*с*К)] наряду с ко­эффициентом теплопроводности [Дж/Дм*с*К)] учтены также и коэффициенты теплоотдачи и [Дж/(м2*c*К)] обеих сторон стенки.

На плоскую стенку, через которую проходит измеряемый тепловой поток, накладывают небольшую тонкую пластинку, температуру поверхности которой определяют встроенными тонко­пленочными термопарами. Преимущество измерения таким спо­собом заключается в том, что при этом не требуется знать терми­ческие свойства стенки, а соответствующие свойства пластинки могут быть сведены при градуировке к одной постоянной вели­чине. Такие чувствительные элементы имеют размер примерно 30x30x0,5 мм; диапазон измерения охватывает тепловые потоки от 10 до 100 000 Вт/м2; погрешность составляет 2—5 %.

Рисунок Принцип работы измерителя теплового потока.

При усовершенствовании этого метода измерений вместо накладываемой пластинки применяют резиновые маты. Приклеивая их к неплоским поверхностям или обертывая ими криволинейную поверхность, можно определить теплоотдачу и от поверхности сравнительно большой площади, например от трубы, сосуда и т. п. Термопары встраивают в обе поверхности мата с та­ким расчетом, чтобы их горячие с холодные спаи располагались точно один против другого (рис. 6). И в этом случае плот­ность теплового потока в соответствии с градуировкой пропорцио­нальна разности температур. Однако накладываемые маты не­сколько нарушают первоначальный теплообмен, что становится заметным при точных измере­ниях. Поэтому такой способ измерения применяют главным образом для определения тер­модинамических констант веще­ства, когда нарушение тепло­вого потока не оказывает влия­ния на результат измерения.

Измерение тепловых потоков в текущих средах.

Значительная часть тепловой энергии передается жидкой или газообразной средами (водой, паром и т. п.), движущимися в замк­нутой трубопроводной сети. Однако по сравнению с передачей электрической энергии по проводам расстояние, на которое может быть передана тепловая энергия, ограничено. Для теплотехниче­ских исследований всех видов нагревательных и холодильных систем нужно измерять выделение и потребление тепла.

Тепловой поток Ф (Дж/с), передаваемый потоком среды — теплоносителя (кг/с) через контрольное сечение площадью А (м2)в определенной зоне, для которой составлен тепловой баланс (в зоне процесса, рис. 7), равен

.

Количество тепла, отданного за отрезок времени t2 - t1 определится как интеграл (Дж):

где — разность теплосодержаний (энтальпий, Дж/кг) тепло­носителя на входе (индекс е) и на выходе (индекс а) зоны теплового баланса.

Поскольку в общем случае величина энтальпии представляет интерес только в сопоставлении с определенным уровнем, например с энтальпией при температуре окружающей среды, все изме­рения тепловых потоков являются в сущности разностными изме­рениями.

Отдельные энтальпии, входящие в общее уравнение, можно выразить через соответствующие температуры и удельные теп­лоемкости;

, Дж/с.

Таким образом, измерение теплового потока непосредственно сводится к измерению температур и массовых расходов. Во многих случаях измеряют не массовый , а объемный расход тепло­носителя ; при этом полученный результат будет отличаться только на величину плотности теплоносителя р. Удельные тепло­емкости сi, сами являются функциями температуры . Однако ввиду узости диапазона измерения многих приборов их обычно можно считать постоянными величинами без большого ущерба для точности. Удельная теплоемкость должна быть известна. Для жидкостей уравнение теплового потока еще более упро­щается, так как их удельные теплоемкости не зависят от давления:

, Дж/с.

Во всех уравнениях такого вида необходимо принимать во внимание знаки величин в зависимости от того, подводится или отводится тепло, является ли процесс эндотермическим или экзо­термическим, происходит ли охлаждение или нагрев.