Учебно-методический комплекс дисциплины «Теплотехнический эксперимент» для специальности «6М071700» — «Теплоэнергетика» (стр. 10 )

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.

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

температурное поле, зондовый метод измерения, бесконтактный метод измерения.

Вопросы для самоконтроля

1 Что понимают под температурным полем?

2 Что понимают под зондовым методом измерения?

3 Что понимают под бесконтактным методом измерения?

4 Какие существуют методы экспериментального исследования теплообменных процессов?

5 Какими методами определяют коэффициент теплоотдачи?

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 8

(2 часа; 9, 10 недели)

Тема. Экспериментальные исследования теплофизических свойств веществ

1 Теоретические основы методов определения тепловых свойств различных материалов.

2 Измерение коэффициентов теплопроводности технических материалов и металлов методами стационарного теплового потока.

3 Измерения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости материалов, основанные на нестационарном, гармоническом и аперодическом тепловом режиме. 

4 Учет нелинейных факторов при теплофизических измерениях.

5 Определение плотности твердых тел, жидкостей и газов.

6 Определение калорических свойств твердых тел, жидкостей, газов и паров.

7 Определение теплоты сгорания твердого, жидкого и газообразного топлива.

8 Определение вязкости. Вискозиметры.

9 Определение термодинамических свойств фазового равновесия: давления насыщенных паров, температур, теплоты плавления и парообразования.

10 Изучение оптических свойств веществ.

11 Определение коэффициента теплового излучения. 

Теплофизические свойства принято де­лить на несколько групп. Первую группу составляют равновесные теплофизические свойства веществ, являющиеся функциями состояния физических тел. К этой группе принято относить так называемые термоди­намические свойства, которые в свою оче­редь подразделяются на термические и кало­рические.

К термическим свойствам относится плотность вещества с (или удельный объем х), выраженная как функция давления р и температуры Т. Наиболее общим выраже­нием этой зависимости является термическое уравнение состояния.

(1)

К термическим свойствам относят также и любые частные производные, составленные из этих трех величин.

К термическим свойствам с некоторой условностью относят поверхностное натяже­ние у.

К калорическим свойствам относятся внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, энергии Гиббса и Гельмгольца, теплоемко­сти.

Ко второй группе теплофизических свойств веществ относятся транспортные, или переносные, свойства. Эти свойства ха­рактеризуют неравновесные процессы в фи­зических средах. К ним относятся теплопро­водность, вязкость, диффузия и так называе­мые перекрестные эффекты - термодиффузия и концентрационная теплопроводность. Среди названных наиболее важными являются первые два.

В рамках допущений феноменологиче­ских теорий коэффициенты переноса одно­значно определяются физической природой вещества и параметрами состояния. С этой точки зрения они являются свойствами ве­ществ.

В соответствии с определением плот­ность с равна

,

(2)

где V – полный объем, занимаемый веще­ством;

m – масса.

Величина, обратная плотности, назы­вается удельным объемом: х = l/с.

При определении плотности методом гидростатического вмешивания вы­полняются три взвешивания. Образец под­вешивается на весах на тонкой проволоке. При первом взвешивании определяется вес образца в воздухе G1, при втором - вес образца G2 в жидкости (обычно в воде), при третьем - вес проволоки G3 погруженной в ту же жидкость. Плотность образца равна:

(3)

Ошибка при тщательных измерениях не пре­вышает (0,001ч0,0001) %.

Метод пикнометра широко приме­няется для определения плотности сыпучих материалов, нерастворимых в жидкости. Пикнометр - сосуд (стеклянный, кварцевый и др.) с трубкой для заполнения его жид­костью. На трубке обычно наносится риска, фиксирующая некоторый объем пикнометра. Для массовых лабораторных измерений раз­работаны пикнометры вместимостью от 1 до 100 см3.

При использовании метода пикнометра выполняются три взвешивания. При первом взвешивании определяется вес исследуемого сыпучего материала G1 в воздухе, при втором – вес пикнометра G2, заполненного жидкостью до риски. Перед третьим взвешиванием исследуемый сыпучий материал загружается в пикнометр, а излишки жидкости удаляют так, чтобы ее уровень находился напротив риски: затем определяется вес пикнометра G3.

Плотность исследуемого сыпучего материала. Плотность жидкостей и газов исследуется как функция температуры и давления.

Метод гидростатического взвешивания для жидкостей основан на определении веса твердого тела (поплавка) в воздухе, воде и исследуемой жидкости.

Метод пьезометра переменного объема относится к хорошо разработанным и широко используемых в исследовательской практике. Пьезометр – сосуд, способный выдерживать  полное давление в опыте.

Основная задача, возникающая в процессе планирования теплофизического эксперимента - это определение коэффициентов уравнения, описывающего исследуемое свойство - относится ко второму направлению. Она сводится к поиску оптимального в смысле того или иного критерия оптимальности плана, позволяющего найти искомые коэффициенты с наибольшей точностью при минимальном числе измерений.

Постановка такой задачи целесообразна лишь в таком эксперименте, в процессе которого не преследуется цель обнаружить какие-либо особенности в поведении вещества, а решается задача количественного описания поведения теплофизических свойств того или иного вещества.

Подобные эксперименты в настоящее время проводятся во многих научно-исследовательских лабораториях и на их проведение отвлекаются значительные силы и средства. Оптимизация затрат на проведение таких исследований позволит теми же силами провести значительно больший объем экспериментальных исследований [3].

Определение параметров плавления и кипения UO2

Проблема конструирования уравнения состояния диоксида урана в широком диапазоне температур и давлений сталкивается с недостатком экспериментальных данных по температурной зависимости давления его насыщенных паров в области давлений свыше 2 М Па. На установке, описанной выше, в Институте выполнены эксперименты до давлений 80 МПа и получены новые данные по температурной зависимости давления насыщенных паров диоксида урана на кривой равновесия жидкость-пар в не исследованном диапазоне параметров. Эти измерения могут быть использованы для прогнозирования и предотвращения возможного сценария тяжелой аварии реактора на быстрых нейтронах, сопровождающейся разрушением их активной зоны, поскольку для этого требуются надежные данные по термодинамическим свойствам реакторных материалов в возможно более широком диапазоне пераметров, вплоть до критических