Учебно-методический комплекс дисциплины «теплотехнический эксперимент» (стр. 9 )

Фотоколориметрические газоанализаторы применяются для измерения микроконцентрации газов (0,01 % и менее). В основе колориметрического метода лежит зависимость поглощения излучения от плотности окраса индикаторного раствора. В фотоколориметрические газоанализаторы газовая смесь барботирует через индикаторный раствор, который обладает избирательной реакцией с анализируемым компонентом газовой смеси, приводящей к образованию цветовых соединений в растворе. Таким образом, концентрация анализируемого компонента определяет интенсивность окраски раствора, которая измеряется по поглощению лучистой энергии с помощью фоточувствительных элементов. Приборы этого типа могут быть непрерывного и периодического действия.

Термический анализ представляет собой метод физико-химического анализа, основанный на регистрации тепловых эффектов превращений, протекающих в исследуемом образце в условиях программируемого изменения температуры.

Качественный термический анализ является одним из наиболее распространенных методов, используемых, например, при построении диаграмм фазовых равновесий.

Количественный термический анализ широко используется для определения теплофизических характеристик веществ (энтальпии, энтропии, теплоемкости и т. д.).

Наибольшее распространение получил метод дифференциального термического анализа (ДТА), заключающийся в одновременной регистрации температуры исследуемого образца и разности температур исследуемого вещества и эталона, находящихся в одинаковых тепловых условиях.

Наряду с ДТА, широко развит метод исследования вещества и процессов, происходящих при изменении массы, который носит название термовесового или термогравиметрического анализа (ТГА). Метод заключается в регистрации изменения массы образца при изменении условий, в которой находится навеска исследуемого вещества.

Некоторые характерные задачи, решаемые при использовании метода ДТА

-определение температур фазовых переходов 1-го рода (плавления, кристаллизации, кипения и проч.);

-определение теплофизических характеристик веществ (энтальпии, энтропии, теплоемкости и т. д.);

-изучение тепловых эффектов химического взаимодействия конденсированных веществ или конденсированных веществ и газовой фазы (окисление, восстановление и проч.).

Некоторые характерные задачи, решаемые при использовании метода ТГА

-определение растворимости газов в твердом или жидком веществе при изменении температуры и состава газовой фазы;

-исследование скорости и глубины взаимодействия конденсированных веществ или конденсированных веществ и газовой фазы (окисление, восстановление и проч.) при изменении температуры и состава газовой фазы;

-изучение условий термического или химического разложения (диссоциации) природных и синтетических химических соединений;

-изучение химической стойкости веществ к воздействию ряда газов при изменении температуры среды.

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции:

методы технических средств контроля качества воды, пара, конденсата и концентрации растворов.

Вопросы для самоконтроля

1 На чем основано действие термохимических и термокондуктометрических газоанализаторов?

2 На чем основано действие оптических газоанализаторов?

3 Описать методику подготовки газовых проб для анализа.

4 Как осуществляется анализ состава многокомпонентных жидкостей и газов?

5 Какие существуют методы технических средств контроля качества воды, пара, конденсата и концентрации растворов?

6 Для чего предназначен прибор фотоколориметр?

7 Что понимают под термическим анализом?

Рекомендуемая литература

Краткий справочник по теплотехническим измерениям. -  М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.

Теплотехнические измерения  и приборы. – М.: Энергия, 1978. – 704 с. 

Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общей ред. и . – М.: издательство МЭИ, 2007. – 564 с.

Электронная энциклопедия энергетики.

Модуль 2. Методы экспериментальных исследований

Лекция 7

(1 час; 8 неделя)

Тема. Методы экспериментального изучения процессов

тепло– и массообмена

Вопросы

1 Экспериментальное исследование полей температуры, давления, скорости. Зондовые и бесконтактные методы измерения.

2 Методы исследования полей плотности и концентрации в потоках жидкости, газа и структуры двухфазных потоков.

3 Экспериментальное исследование конвективного тепло-и массообмена, тепломеры и датчики тепловых потоков. Измерение нестационарных тепловых потоков.

4 Методы определения коэффициентов теплоотдачи. Определение коэффициентов теплоотдачи методами стационарного и регулярного режимов. Альфакалориметры, Определение коэффициентов сопротивления трения при внешнем обтекании тел внутри каналов.

5 Методы определения характеристик массообмена.

Натурные исследования проводятся на действующем объекте с целью изучения его характеристик или отдельных частей под влиянием всей совокупности протекающих в нем и в окружающей среде процессов. Мо­дельные исследования проводятся на спе­циально создаваемых стендах - эксперимен­тальных установках (ЭУ) с целью детального изучения отдельных процессов, протекающих в реальных объектах. В особо ответственных случаях (например, при изучении надежности ядерных энергетических реакторов) создают­ся крупномасштабные ЭУ, максимально при­ближенные к натурным объектам. Опы­тный участок (ОУ) или ячейка - основная часть ЭУ, в которой реализуется иссле­дуемый процесс тепло - или массообмена.

Моделирование подразделяется на физи­ческое и по методу аналогий. По отношению к процессам в натурных объектах в ОУ осу­ществляется их моделирование на основе правил подобия:

- процессы в ОУ и в натур­ном объекте должны быть одинаковой физи­ческой природы (при физическом моделиро­вании) или же могут быть разной физиче­ской природы, но должны описываться оди­наковыми математическими уравнениями (при моделировании по методу аналогий);

- условия однозначности для процессов в ОУ и в натурном объекте должны быть подобными;

- безразмерные комплексы, со­ставленные из размерных величин, входящих в описание условий однозначности, должны быть равны или изменяться в одинаковых пределах.

Измерение полей температуры произво­дится в основном подвижными зондами, на конце которых располагаются датчики тем­пературы: термоэлектрические преобразова­тели, термопреобразователи. Чувстви­тельный элемент датчика (спай термоэлек­трического преобразователя, нить или плен­ка термопреобразователя сопротивления) на­ходится в контакте с исследуемой жид­костью.

Форма и размер чувствительного элемен­та определяются особенностями исследуемо­го поля температуры.

Модельная жидкость (МЖ), заменяю­щая рабочую среду натурного объекта, под­бирается из соображений удобства при со­блюдении правил моделирования. Учиты­вается доступность, нетоксичность, хорошая изученность теплофизических свойств. Во многих случаях в качестве МЖ используется вода. Если для изучаемого процесса харак­терна существенная зависимость от индиви­дуальных особенностей рабочей жидкости в сочетании со свойствами поверхности об­текаемого тела (например, при кипении), то при проведении таких исследований исполь­зуют рабочую жидкость и материал поверх­ности натурного объекта.

Метод аналогий применяют в случае, когда удается подобрать процесс, существен­но легче осуществляемый экспериментально, чем натурный, и когда экспериментальные измерения проводят с большей точностью, чем в натурных условиях. Так, для исследо­вания температурных полей в твердых телах и неподвижных жидкостях широкое распро­странение получили электрические модели (электроинтеграторы). Решение таких задач в строгой математической постановке осу­ществляется с использованием ЭВМ. На электрических моделях можно получить предварительные сведения об изучаемых по­лях. Результаты измерений можно также ис­пользовать в итерационных расчетах на ЭВМ в качестве первого приближения.

Измерение полей температуры произво­дится в основном подвижными зондами, на конце которых располагаются датчики тем­пературы: термоэлектрические преобразова­тели, термопреобразователи. Чувстви­тельный элемент датчика (спай термоэлек­трического преобразователя, нить или плен­ка термопреобразователя сопротивления) на­ходится в контакте с исследуемой жид­костью.

Форма и размер чувствительного элемен­та определяются особенностями исследуемо­го поля температуры. Размер чувствительного элемента датчика дl связан с градиентом температуры в исследуемой области течения.

Под теплопроводностью понимается обмен тепловой энергией между непосредственно соприкасающимися разнонагретыми частицами тела. Здесь имеет место молекулярный перенос тепла.

Конвективный теплообмен осуществляется путем перемещения конечных масс тела в пространстве, которые являются в этом случае носителями тепловой энергии (молярный перенос тепла). Такой процесс переноса тепла может иметь место только в жидкостях и газах.

В основе теплового излучения лежит процесс передачи энергии электромагнитными волнами.

В зависимости от конкретных условий отдельные способы передачи тепла могут сочетаться по-разному.

При изучении процессов тепло - и массообмена применяются два метода исследований: аналитический и экспериментальный. Первый из них, основанный на положениях теоретической физики, для установления количественных закономерностей исследуемого явления использует общие законы, которые позволяют установить не менее общую связь между отдельными параметрами в виде математической модели. Этой моделью служит дифференциальное уравнение или система дифференциальных уравнений. Во многих практических случаях их решение оказывается трудным, а часто и невозможным. Получены точные решения лишь для некоторых простых частных случаев. Рассматривая наиболее общие стороны процесса, теоретическая физика оказывается не в состоянии определить значения отдельных конкретных параметров, характеризующих то или иное явление. Вместе с тем, она во многих случаях позволяет сознательно организовать и провести экспериментальное исследование. Экспериментальный же метод дает возможность получать физические параметры единичного явления с большой достоверностью, а также устанавливать непосредственную связь между изучаемыми величинами. Однако полученные экспериментальные данные отдельного опыта не могут быть использованы для других явлений, если они в какой-то мере отличаются от изучаемого. В этом состоит основной недостаток экспериментального метода — он требует постановки самостоятельных исследований для каждого явления или процесса.