焦耳汤姆逊验证实验设计.doc

焦耳—汤姆逊验证实验
1实验目的
焦耳汤姆逊效应指的是气体经过节流过程,从高压到低压作不可逆绝热膨胀时温度发生变化的现象。在常温下,许多气体在膨胀后温度降低,称为冷效应或正效应;温度升高时称为热效应或负效应。
本设计的主要目的是设计一套实验装置,针对氮气的焦汤系数的测定,考虑到实际工作条件的限制,本实验装置的测定参数范围为:0-,20-400℃。
2 实验装置

本实验系统主要有以下几部分组成:供气系统,包括气源以及供气气路;节流实验台;测量系统,包括压力、温度的测量;控制系统,包括由加热器两端的温差来调控冷却器中的冷却工质的循环。
图1给出了试验系统示意图。
图1试验系统示意图
图2氮气的热力过程曲线

图2氮气循环P-v图


气源的提供包括储气罐以及压缩机以及回收装置组成。
根据本实验要求,考虑到压缩气体的小时流量,设计本实验根据JB/T 8867-2000选择的储气罐容积为2,,储气罐的材料为碳钢,所以该储气罐的型号为C—2/。储气罐的基本参数在表1中给出。
表1储气罐的基本参数
型号
公称容积
(mm)
工作压力
(Mp)
筒体内径
Di(mm)
筒体高度H
(mm)
流量范围m3/min
C-2/
2

1000
2200
12-24
该压缩机能够提供5MPa的压力,同时,该系统还设计有氮气的回收系统可以使气体损失减到最小。
图1给出了系统的示意图中,经节流阀后的氮气,先进入集气箱,然后经冷却器恢复到加热器加热前的温度,进入压缩机升压,最后进入储气罐,这样就可以保证氮气的稳定循环流动。

压缩机与实验台之间的管路设有储气罐和旁路组成的压力调节系统,考虑到实验中气体一般处于高压状态,所以我们选择了铸铁作为管材管径为100mm。通过调节旁路阀门可以调节工质气流进入试验台的压力与流量。
实验段
实验段主要包括:加热通道、节流通道两个部分。
工质进入实验段后,经热电阻的加热到一定温度时,后通过节流段进行节流过程,最后,工质从试验台出口后进行回收。

本实验要求测温范围为20-400℃,综合考虑到加热的充分性及温度调节的灵敏性,决定采用型号为QLF-9050A的电加热可调恒温箱。
该恒温箱控温范围为100-400℃,温度波动±1℃,采用自适应控温技术进行温度控制,设定温度后,仪表自行控制加热功率,并显示加热状态,控温精确且稳定。若超温则启动报警装置并自动切断加热电源。恒温箱由镀锌板构成,箱体内部与外壳间以玻璃纤维作保温层材料,减少了热量外传。置于箱体内部壁面的镍铬合金电加热器对来流进行加热,内部设置的专用风机可以使气体受热均匀。箱门具备大视角观察玻璃窗,便于用户观察。

节流阀要能满足节范围大,流量一压差变化平滑,内、外泄漏量小,调节力矩小,动作灵敏等特点同时又要能够在一定的高温下工作,根据上述因素,选用L21W-40P型节流阀,该阀能够在4MPa的压力下工作,同时本实验还采用了电磁阀方便自动控制系统的调节。

根据实验台的结构以及试验的需要,实验数据采集包括4个测量系统:压力测量系统、温度测量系统、流量测量系统。

在实验台进、出口布置总压探针,压力引压管引出,然后接入压力传感器进行测量。总压探针布置位置在图给出
试验中所采用压力传感器为3051T型罗斯蒙特压力传感器。
%,具有设计小巧、坚固而质轻,易于安装等优点。该传感器在工作时高、低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给灌充液,接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流,电压或数字HART(高速可寻址远程发送器数据公路)输出信号。

本实验台在节流部分的进、出口布置了热电偶。温度计采用镍铬—康铜热电偶,该热电偶的使用温度为-200~900
℃。灵敏度高,宜制成热电堆,测量微小的温度变化,还具有稳定性好,抗氧化性能优异,价格便宜,能用于氧化性和惰性气氛中的优点。

用电磁式流量计测量系统的流量,并用传感器将其转化为电信号。

本实验为保证p1、t1的恒定,可以采用冷却器来补偿加热器引起的气源温度的变化(Q吸=Q放),从加热器两侧测取温度信号,由加热器两侧的温差可计算出Q吸=c1 q △t,为保证t1的恒定,即Q吸=Q放,可以算出冷却器中的循环的冷却剂的流量。本实验采用电磁阀控制,自动控制系统根据压力传感器、热