Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Обработка результатов измерений в холодильной технике. Лабораторный практикум
.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
ИЗМЕРЕНИЙ В ХОЛОДИЛЬНОЙ
ТЕХНИКЕ
Лабораторный практикум
Казань
Издательство КНИТУ
2016
1
УДК 621.56, 621.57
Рецензенты:
начальник отдела расчетов и испытаний
центробежных компрессоров ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа», канд. техн. наук
А. Т. Лунев
доц. каф. радиоэлектроники и информационноизмерительной техники КНИТУ-КАИ
им. А. Н. Туполева А. Ю. Кирсанов
ISBN 978-5-7882-1868-7
©
Ибраев А. М., Визгалов С. В.,
Приданцев А. С., Сайфетдинов А. Г., 2016
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2016
ББК 31.392:30.10я7
Авторы: А. М. Ибраев, С. В. Визгалов, А. С. Приданцев,
А. Г. Сайфетдинов
Обработка результатов измерений в холодильной технике :
лабораторный практикум / сост.: А. М. Ибраев [и др.]; М-во образ. и
науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во
КНИТУ, 2016. – 80 с.
ISBN 978-5-7882-1868-7
Лабораторный практикум содержит описание некоторых
физических явлений и процессов, применяемых в холодильной
технике, лабораторных установок, методов проведения эксперимента,
обработки и анализа экспериментальных результатов.
Предназначен для студентов, обучающихся по направлениям
бакалавриата 14.03.01 «Ядерная энергетика и теплофизика» и 16.03.03
«Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения»,
изучающих дисциплину «Основы научных исследований в
холодильной технике».
Подготовлен на кафедре холодильной техники и технологий.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического
университета
2
Лабораторная работа № 1
Т)(Е
21
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Цель работы: Изучить явление термоэлектрического эффекта
термопарного спая и его использование в холодильной технике для
создания термоэлектрических холодильников и измерения температур
термопарами. Ознакомиться с типами и конструкциями
термоэлектрических холодильников. Выполнить градуировку хромелькопелевой термопары, анализ погрешностей эксперимента и
регрессионный анализ полученных зависимостей.
Занятие №1. Изучение термоэлектрического эффекта
1 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Эффект термоэлектрического охлаждения, открытый
французским физиком Пельтье в 1834 г., заключается в том, что при
пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух
разнородных проводников или полупроводников, в месте их
соединения выделяется или поглощается некоторое количество
теплоты, которое пропорционально силе тока. Такой элемент принято
также называть термопарой. Тепловой поток, называемый теплотой
Пельтье, определяется по уравнению
Qп = p × I,
где p – коэффициент Пельтье; I – сила тока.
Для измерения температур в технике широкое применение
находят термопары, которые используют эффект возникновения
термо-э.д.с., а при замыкании цепи термотока в термопарных спаях
находящихся при температуре отличной от температуры окружающей
среды [1, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Это явление открыто Зеебеком в 1821 году.
При этом имеется однозначная зависимость величины термо-э.д.с от
разности температур окружающей среды и температуры среды в
которой находится спай термопары. Эта зависимость называется
функцией преобразования, а чаще тарировочной или градуировочной
характеристикой термопары. Аналитически функция преобразования
определяется формулой Зеебека:
,
где α1,α2 – коэффициенты термо-э.д.с. материалов проводов
термопары.
3
Оба эффекта имеют общую физическую природу и связаны
х21
Т)(
между собой. Так коэффициент Пельтье связан с коэффициентами
термо-э.д.с. формулой Томпсона
,
где Тх – температура холодного спая.
Выделение или поглощение теплоты Пельтье зависит от
направления тока и термотока, который возник бы при нагревании
места соединения проводников. При совпадении направления тока в
проводниках теплота Пельтье поглощается, а в противном случае
выделяется. Если спаев несколько, выделение теплоты на одном спае
всегда сопровождается поглощением ее на другом, и наоборот.
Причина возникновения эффекта Пельтье состоит в том, что
средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока из одного
проводника в другой, различна. Это наглядно подтверждается на
примере контакта электронного полупроводника и металла.
Предположим, что направление тока соответствует направлению
перехода электронов из полупроводника в металл. Так как
энергетический уровень свободных электронов полупроводника
значительно выше уровня свободных электронов металла, при
переходе из полупроводника в металл электроны, сталкиваясь с
атомами металла, отдают им свою избыточную энергию.
Это приводит к выделению теплоты Пельтье и повышению
температуры спая. При противоположном направлении тока весь
процесс идет в обратном направлении и теплота Пельтье поглощается.
Долгое время эффект термоэлектрического охлаждения не
находил практического применения из-за отсутствия достаточно
эффективных материалов термоэлементов, и только после ряда
открытий в области полупроводниковой техники появилась
возможность эффективно использовать это явление на практике.
Холодильники с термоэлектрическим охлаждением не имеют
движущихся и трущихся частей, бесшумны в работе, позволяют точно
регулировать температуру, надежны.
Термоэлектрические холодильники в основном применяются в
автотранспорте. Их технические характеристики приведены в
таблице 1.
Принципиальная схема работы термоэлектрического
холодильника показана на рисунке 1а.
4
Таблица 1- Техническая характеристика
Параметр
ХАТЭ-
12
ХАТЭ-
12М
ХАТЭ-
24 У4
«Холо-
док»
ХТЭП-
13.8ПР
Номинальное
напряжение, В
12
12
24
12
12
Потребляемая
мощность, Вт
- в основном режиме
50
65
170
35
45
- во вспомогательном
режиме
-
30 - 25
30
- в режиме нагрева
- - -
40
50
Разность
температур
окружающей
среды
и в камере, °С
18
19
28
26
26
Температура в
камере в
режиме
нагрева, °С
- - -
60
60
Объем камеры,
дмЗ
12
12 8 9,2
13,8
Масса, кг
6 7 15 6 6,8
некоторых термоэлектрических холодильников
Термобатарея, состоящая из пар двух различных
полупроводниковых термоэлементов, размещается в толщине одной из
стенок холодильной камеры так, чтобы холодные спаи были обращены
в холодильную камеру, а горячие – в более теплую окружающую
среду. Спаи термоэлементов выполняются в виде коммутационных
пластин, хорошо проводящих электрический ток. Эти пластины
обычно соединяются с ребристыми радиаторами, которые
увеличивают поверхность и, следовательно, интенсивность передачи
тепла к холодным спаям из холодильной камеры и от горячих спаев в
окружающую среду.
5
Рис. 1. Принципиальная схема работы термоэлектрического
холодильника
К конечным элементам термобатареи подключается источник
постоянного тока. При этом в зависимости от назначения
холодильника в качестве источника постоянного тока может служить
электрический аккумулятор (батарея) или генератор постоянного тока.
В стационарных условиях эксплуатации постоянный ток питания
термобатареи получается обычно с использованием выпрямителя,
подключаемого к сети переменного тока.
При направлении постоянного тока, указанном на рисунке 1б
стрелками, ток со стороны холодных спаев термобатареи оказывается
направленным от термоэлемента n – проводимостью к термоэлементу
p – проводимостью, а со стороны горячих спаев наоборот - от p к n.
Разность направлений движения зарядов постоянного тока через два
термоэлемента из различных материалов и вызывает перепад
температур на их концах. Если направление постоянного тока
изменить на противоположное, то в верхних спаях термобатареи ток
будет идти от р к n и они будут уже нагреваться, а не охлаждаться, как
ранее. Таким образом, изменяя направление питающего постоянного
тока, можно легко изменить режим работы термобатареи с охлаждения
на нагревание воздуха в среде ограниченного объема.
Аппарат термоэлектрического охлаждения представляет собой
батарею (см. рисунок 2а), состоящую из отдельных последовательно
спаянных между собой полупроводниковых термоэлементов.
6
Термоэлемент (см. рисунок 2б) имеет два полупроводника в
виде прямоугольных или цилиндрических брусков. Один из
полупроводников сделан из сплава свинца и теллура другой – из
сплава теллура и сурьмы. Применяются также сплавы висмута и
селена.
Рис. 2. Термобатарея (а) и термоэлемент (б)
Полупроводники последовательно соединены спаянными с
ними медными пластинками. При прохождении постоянного тока
через спаи одни из них (верхние или нижние в зависимости от
направлена тока) будут поглощать, а другие выделять некоторое
количество тепла. Таким образом, тепло переносится электрическим
током, то есть движущимися электронами.
Термопары, применяемые для измерения температур,
стараются выполнять из материалов, имеющих значительные по
величине и противоположные по знаку коэффициенты термо-э.д.с..
Эти коэффициенты практически постоянные величины (незначительно
изменяются от температуры), а, следовательно, тарировочные
характеристики практически линейные функции.
Тарировочная характеристика зависит только от материалов, из
которых выполняется термопара и не зависит от диаметра и длины
термопарных проводов. Коэффициенты термо-э.д.с. некоторых
материалов приведены в таблице 2.
В качестве материалов термопар широкое применение
получили специальные сплавы, которые с одной стороны позволяют
получать высокие значения термо-э.д.с. (что повышает точность
измерений), а с другой стороны позволяют обеспечить устойчивую
работу термопары широком диапазоне температур.
7
Наиболее распространенными в технике термопарами являются
Металлы
α, мкВ/К
Полупроводники
α, мкВ/К
Висмут
Константан
Копель
Никель
Нихром
Алюмель
Палладий
Платина
Свинец
Серебро
Золото
Цинк
Вольфрам
Молибден
Железо
Хромель
Сурьма
– 68,0
– 65,0
– 38,0
– 20,8
– 18,0
– 16,3
– 8,9
– 4,4
– 0,0
+2,7
+2,9
+3,1
+3,6
+7,6
+15,0
+24,0
+43,0
Те2S
MoS
WO3
Fe2O3
Fe3O4
CoSb3
Bi–Te–Se
Pb–Te–Se
CuS
FeS
Bi2Te3
Bi2Se3
SbZn
CoO
Te2S
Se
Cu2O
–780
–770
–740
–613
–430
–200
–170
–160
–7
+26
+170
+200
+200
+450
+800
+1000
+1200
хромель - копелевые, хромель-алюмелевые, медь-константановые и
платина-родиевые.
Таблица 2 – Характеристики металлов и сплавов
исследований) рекомендуется выполнять градуировку (тарировку)
каждой используемой термопары.
распространенными в холодильной технике [2]. Характер их
применения и градуировочная характеристика в виде
стандартизованной таблицы определены в ГОСТ 3044–77.
Достоинство этих термопар наивысшая, по сравнению с другими
типами измерительных термопар, чувствительность (коэффициент
преобразования). Недостатком является плохая воспроизводимость
функции преобразования термопарами, выполненными из проводов
принадлежащих к различным партиям.
использования при температурах до 600°С и для кратковременного до
Для повышения точности измерений (особенно для научных
Хромель-копелевые термопары являются наиболее
Хромель-копелевые термопары применяются для длительного
8
800°С. Термопары устойчиво работают в окислительной среде и чуть
менее устойчиво в восстановительной. Положительным электродом
здесь является хромель. Хромель состоит 89% никеля; 9,8% хрома; 1%
железа; 0,2% марганца. Отрицательный электрод – копель состоит из
43 – 44% никеля и 57–58% меди. Плотность хромеля – 8,72 г/см3,
копеля – 8,89 г/см3.
Электроды термопары изготавливают из тонких проводов
диаметром 0,2 – 3,2 мм. Для научных исследований волочением через
фильеры изготавливают еще более тонкие провода диаметром 7 – 8
микрон.
Хромель-алюмелевые термопары применяются при
длительном использовании при температурах до 1000°С и для
кратковременном до 1300°С. А платина-родиевые термопары
наиболее устойчивы к повышенным температурам и применяются для
длительном использовании при температурах до 1300°С и для
кратковременного до 1600°С.
Медь-константановые термопары не имеют стандартизованных
градуировочных таблиц, но в силу ряда достоинств находят
применение в лабораторной практике для измерений в области
температур от минус 200 до плюс 300°С. Основное достоинство это
постоянство термоэлектрических свойств термопары.
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка (см. рисунок 3) представляет
собой емкость 1 с водой, в крышку которой вмонтирован держатель 2 с
двенадцатью хромель-копелевыми термопарами. Спаи термопар
электрически изолированы и закреплены по три штуки на каждой из
четырех сторон рамки 3 держателя. Расположение спаев в одной
плоскости и непосредственной близости друг от друга позволяет
сделать допущение о том, что все они находятся в зоне с одной и той
же температурой окружающей их среды (воды). Сигнал с термопар ΔΕ
подается на измерение на цифровой вольтметр 6 через
двенадцатиканальный переключатель 5. Температура воды tw
измеряется лабораторным ртутным стеклянным термометром 4 марки
ТЛ-4 с ценой деления 0,1°С. Термометр крепится в крышке емкости в
гильзе открытого типа. В нижней части емкости установлен
электрический нагреватель 7 с возможностью регулирования
9
напряжения питающего тока с помощью лабораторного
автотрансформатора 8. Изменяя напряжение с помощью ручки
автотрансформатора, можно регулировать темп набора температуры. В
работе замеряется так же температура воздуха (термометром 9) в зоне
соединения термопарных проводов с проводами цифрового вольтметра
tв.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки
1 – емкость с водой; 2 – термопарный держатель; 3 – рамка
термопарного держателя; 4, 9 – термометры; 5 – термопарный
переключатель; 6 – цифровой вольтметр; 7 - электрический
нагреватель; 8 - лабораторный автотрансформатор
3 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1. Подсоединить к контактам термопарного переключателя
цифровой вольтметр В7-21А. Подсоединить лабораторный
автотрансформатор к контактам нагревательного элемента. Провести
первый замер термо-э.д.с. термопар и показаний термометра при
комнатной температуре воды без включения автотрансформатора.
Произвести запись в протокол (таблица 3).
3.2. Включить автотрансформатор в сеть, установить
температуру воды примерно на 5 °С превышающую первоначальную
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]