Тепловые преобразователи

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Тепловые преобразователи

Работу выполнила

Курашина О.В.

Электромеханический факультет

Группа № 3025/1

2007г.

Оглавление

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ИХ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

3. УДЛИНИТЕЛЬНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ, ПОГРЕШНОСТИ ТЕРМОПАР

4. ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ, ОСНОВЫ ИХ РАСЧЕТА И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

5. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

6. РАЗНОВИДНОСТИ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что вся теплота, поступающая к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания Q_TC и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающей в единицу времени теплоты равно количеству отдаваемой теплоты. Теплота, поступающая к преобразователю, является суммой количества теплоты Q_Э, создаваемой в результате выделения в нем электрической мощности и количества теплоты Q_T0,поступающей в преобразователь или отдаваемой им в результате теплообмена с окружающей средой;

Теплосодержание при неизменном агрегатном состоянии вещества зависит от массы т и удельной теплоемкости с материала преобразователя и связано с температурой в преобразователя формулой Q_TC = тсθ.

Теплообмен осуществляется тремя различными способами.

При теплообмене посредством теплопроводности перенос тепловой энергии происходит только путем взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру. Теплообмен путем теплопроводности в чистом виде имеет место только в твердых телах.

Теплообмен посредством конвекции совершается путем перемещения материальных частиц и может иметь место только в жидкостях или газах. Если причиной движения потоков жидкости или газа является неодинаковая плотность среды, вызванная разностью температур, то говорят о естественной конвекции. Движение потоков под действием внешних причин вызывает вынужденную конвекцию

Третьим способом теплообмена является теплообмен посредством излучения. Тепловое излучение представляет собой поток электромагнитных волн, излучаемых телом за счет его тепловой энергии и полностью или частично поглощаемых другими телами.

На практике обычно имеет место комбинация различных способов теплообмена, которые могут быть учтены приводимыми ниже формулами.

Теплопроводность. Распространение теплоты путем теплопроводности определяется законом Фурье q= —К grad в, где q— тепловой поток, представляющий собой коли-чество теплоты, переданной в единицу времени через единицу поверхности, Вт/м²;

grad Q = dQ/dl— градиент температуры; λ— теплопроводность, Вт/(м-К).

Теплопроводность зависит от природы и физического состояния вещества. В анизотропных телах она зависит, кроме того, от направления распространения теплоты. Лучшими проводниками теплоты являются металлы. Наименьшей теплопроводностью обладают газы. Для газов теплопроводность зависит не только от состава газа, но и от температуры и при большом разрежении — от давления.

Полный тепловой поток, создаваемый разностью температур, определяется формулой

,                                                              (1)

где G_Q — тепловая проводимость среды; R_Q- тепловое (или термическое) сопротивление среды.

Тепловая проводимость среды зависит от теплопроводности, определяемой по справочным данным из геометрических соотношений, и для ее расчета можно использовать аналогичные формулы электрической проводимости, заменив удельную проводимость теплопроводностью.

Тепловая проводимость плоской стенки G_Q = lS/d, где S— площадь стенки; d — толщина стенки.

Тепловая проводимость цилиндрической стенки

,

где l— длина цилиндра; d₁, d₂— диаметры соответственно внешней и внутренней стенок цилиндра.

Конвекция. Полный тепловой поток в результате теплоотдачи определяется формулой Ньютона

,                                                                            (2)

где x — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²-К); S — поверхность тела; ΔQ — разность температур окружающей среды и тела. Коэффициент теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции рассчитывается на основании теорий теплового и геометрического подобий.

При искусственной конвекции при поперечном омывании цилиндра (рис. 1, а) коэффициент теплоотдачи для газов выражается формулой

                                                            (3)

где d— диаметр цилиндра; υ— скорость движения газа; ν — кинематическая вязкость, равная абсолютной вязкости, отнесенной к плотности вещества; λ— теплопроводность газа; сип являются функциями скорости газа и размеров цилиндра и определяются по предвари тельно рассчитанной величине, называемой критерием Рейнольдса, Re = vd/v, из табл. 11-1.

а) б)

90° 70° 50° 30° 10°

Рис. 1

Таблица 1 Таблица 2

При расчете коэффициента теплоотдачи для жидкости в формулу. (3) входит критерий Прандтля Рг:

.

Критерий Прандтля Рг = v/aзависит от кинематической вязкости ν и температуропроводности а, физический смысл которой состоит в том, что она является мерой скорости выравнивания температур различных точек жидкости. Температуропроводность зависит от теплопроводности λ, плотности у и удельной теплоемкости вещества с и определяется формулой а = λ/(су).

Приведенные формулы для теплоотдачи цилиндра в поперечном потоке справедливы только для случая, когда угол ψ, составленный осью цилиндра и направлением потока и называемый углом атаки, равен 90°. Зависимость коэффициента теплоотдачи от угла атаки представлена на рис. 1,б.

В табл. 2 и 3 приведены основные параметры соответственно сухого воздуха при Р = 10⁵ Па и воды, необходимые для расчета коэффициентов теплоотдачи. Температура, при которой определены параметры в табл. 11-2 и 11-3, считается как среднеарифметическая температура тела и среды.

Таблица 3

Тепловое излучение свойственно всем телам, и каждое из них непрерывно излучает и поглощает энергию. Разность между излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергией отлична от нуля, если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой энергией, различна. По закону Стефана — Больцмана полное количество энергии, излучаемой в единицу времени единицей поверхности, имеющей температуру Q, равно , где σ_о = 5,7- 10^-8 Вт/(м²-К⁴) — константа излучения абсолютно черного тела.

В технических расчетах этот закон применяется в более удобной
форме: Е_о= С_о (Q/100)⁴, где С_о — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела: С_о = 5,7 Вт/(м²-К⁴). Закон Стефана — Больцмана применим и к реальным серым телам, но их коэффициент лучеиспускания С рассчитывается с учетом относительной излучательной
способности или степени черноты тела ε, т. е. С = С_оε.    
Значение ε изменяется в пределах от нуля до единицы.

Количество поглощаемой телом лучистой энергии также зависит от степени черноты тела и определяется формулой Е = εE_эф, где Е_зф — извне падающее эффективное излучение окружающих тел. При выводе формул лучистого теплообмена между телами необходимо учитывать, кроме лучеиспускательной, поглощательной и отражательной способности тел, их размеры и направление излучений. Относительно простые формулы могут быть приведены только для теплообмена между плоскими параллельными поверхностями и между двумя поверхностями в замкнутом пространстве, когда одна из поверхностей охватывает другую, обязательно выпуклую поверхность (рис. 1, в).

В первом случае количество теплоты на 1 м² площади в одну секунду равно

 .

Для уменьшения лучеиспускания тела при заданных температурах уменьшают его степень черноты и применяют экран.

Уравнение теплового баланса преобразователей при неизменном агрегатном состоянии среды и постоянной температуре тел определяется как

,

где q_э= i²R— теплота Джоуля—Ленца, выделяющаяся в преобразователе; q’_тп, q_тп , q_конв и q_л.и— тепловые потоки соответственно в результате теплопроводности через преобра-зователь, через окружающую среду, вследствие конвекции и теплового излучения. Эти тепловые потоки пказаны на рис. 2.

Выражая соответствующими формулами все виды тепловых потерь, уравнение теплового баланса можно представить как

 (4)

Q_cr

где Q_а , Q_ср, Q_ст — соответственно температуры внешней среды, окружающей преобразователь, и стенок.

 Как видно из этого уравнения, температура преобразователя зависит от температуры окружающей среды, от коэффициента теплоотдачи x, зависящего от скорости движения окружающей среды, от тепловой проводимости среды, определяемой ее свойствами, от геометрической формы окружающих тел и расстояния их до преобразователя.

Подчеркнув соответствующий эффект и сделав пренебрежимо малыми все остальные, тепловые преобразователи можно использовать для измерения температуры среды, скорости ее движения, концентрации вещества, изменяющего теплопроводность среды, и перемещения.

Принцип действия соответствующих преобразователей проиллюстрирован рис. 3.

Устройство датчика термоанемометра, служащего для измерения скорости газового потока, показано на рис. 3, а. Нить 1 нагревается до 200—800 °С протекающим по ней током и одновременно охлаждается обдувающим ее газовым потоком. Если эффект сноса теплоты превосходит другие охлаждающие факторы, то уравнение теплового баланса (4) может быть представлено в виде . Поскольку коэффициент теплоотдачи является функцией скорости x = f(υ), то из приведенного уравнения следует, что в режиме заданного тока I = const температура нити Q = f(υ), является функцией скорости, а в режиме заданной температуры Q = const требуемое изменение тока ΔI будет функцией скорости ΔI = j (υ). В датчике, показанном на рис. 3, а, нить выполнена из платиновой проволоки (диаметр 5—20 мкм, длина 2—10 мм), сопротивление которой меняется с температурой, и припаяна к двум манганиновым стерженькам 2. Сквозь ручку 3 пропущены выводы 4 для включения датчика в измерительную цепь.

На рис. 11-3, б дано принципиальное устройство преобразователя газоанализатора. Платиновая проволока 1, подогреваемая протекающим по ней током до температуры Q = 100 ¸ 200 °С, натянута по оси камеры. В камеру через канал поступает с очень малой скоростью исследуемая газовая смесь. Размеры камеры и проволоки и скорость протекания газа выбраны таким образом, чтобы можно было пренебречь всеми тепловыми потерями, кроме тепловых потерь в результате теплопроводности окружающей среды. Тогда уравнение (4) может быть представлено в виде . Коэффициент теплопроводности газа зависит от состава газа, и, следовательно, при токе I = const температура проволоки и ее сопротивление зависят от состава газа. В частности, для смеси воздуха с углекислым газом, теплопроводность которого меньше теплопроводности воздуха, температура нити будет тем выше, чем больше концентрация углекислого газа.

Рис. 11-3

Переходный процесс нагревания или охлаждения тела описывается уравнением теплового баланса. В стадии регулярного теплового режима в уравнении (4) появляется член, учитывающий дополнительную теплоту, идущую на повышение теплосодержания тела:

                            (5)

Если пренебречь потерями на излучение, то из уравнения (5) видно, что тепловой преобразователь является апериодическим преобразователем с постоянной времени

Т = mc/x_å ,

где x_å = G'_е+ G_Q+xS— суммарный коэффициент теплопередачи, определяемый теплопроводностью и конвекцией. Необходимо обратить внимание на то, что постоянная времени теплового преобразователя зависит от условий охлаждения и будет различной для одного и того же пpeобразователя, находящегося в воздухе и в жидкости, в спокойной жидкости и в движущейся жидкости и т. д. Чем больше x_å, тем быстрее протекает переходный процесс. При больших x_å и малых постоянных времени Т необходимо учитывать стадию дорегулярного режима, которой при описании переходного процесса обычно можно пренебречь.; В этом случае для оценки переходного процесса нельзя пользоваться уравнением (5) и нужно прибегать к специальной литературе.В стадии регулярного теплового режима температура преобразователя' в операторной форме определяется уравнением

.

Переходный процесс в преобразователе при внезапном скачкообразном изменении температуры на величину ΔQ_ср описывается уравнением

где Q₀ — начальная температура преобразователя.

В большинстве случаев при описании переходного процесса пренебрегают статической погрешностью из-за наличия теплопроводности через преобразователь G« и выражают переходный процесс уравнением

(6)

Переходный процесс при внезапном изменении одного из коэффициентов теплоотдачи, например при изменении x вследствие изменения скорости движения окружающей среды, описывается уравнением

где

2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ИХ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 4, а), причем температуру Q₁одного места соединения сделать отличной от температуры Q_О другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой S: (термо-ЭДС) и представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников:

.

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, — термоэлектродами, а места их соединения — спаями.

Термо-ЭДС при небольшом перепаде температур между спаями можно считать пропорциональной разности температур: Е_АВ= S_ABAQ.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников, значение термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников, Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то не возникает никаких паразитных термо-ЭДС.

Можно разомкнуть контур в месте контактирования термоэлектродов А и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис. 4,6). Значение термо-ЭДС в этом случае определится как Е = Е_АВ(Q₁) + Е_ВС(Q₀) + Е_СА(Qо) = Е_АВ(Q₁) + Е_ВА(Q₀) = = Е_АВ(Q₁) — Е_АВ(Q₀), так как если два любых проводника А и В имеют по отношению к третьему С термо-ЭДС Е_Ас и Е_Вс, то термо-ЭДС термопары А В = Е_АВ= Е_АС + Е_СВ.

Можно разорвать также один из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник в место разрыва (рис. 4, в). Значение термо-ЭДС в этом случае будет тем же, что и в предыдущем. Действительно,

Е = Е_АВ(Q_х) Ч- Е_вс(Q₁) + Е_Св (Q_а) + Е_ВА(Q_в) =

= Е_АВ(Q₁) - Е_АВ(Q_в).

Таким образом, прибор для измерения термо-ЭДС может быть включен как между свободными концами термопары, так и в разрыв одного из термоэлектродов.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то теплота выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и нагревание или охлаждение спая зависит от направления тока через спай.

Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разности потенциалов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохождении тока по этому проводнику. Однако ЭДС Томсона и дополнительная тепловая мощность настолько малы, что в практических расчетах ими обычно пренебрегают.

КПД термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при DQ = 300 °С не превышает h= 13%, а при DQ = 100 °С , h = 5%).

КПД термоэлектрического подогревателя или холодильника также очень мал: для холодильника КПД при температурном перепаде 5 °С составляет 9%, а при перепаде 40°С — только 0,6%.

Тепловой баланс охлаждаемого в результате эффекта Пельтье спая определяется уравнением

где П₁₂I — теплота, поглощаемая в спае за счет эффекта Пельтье; I — ток через спай; П₁₂ — коэффициент Пельтье, зависящий от материалов спая; I²R— выделяющаяся в термоэлементе теплота Джоуля, часть которой поступает на холодный спай; G'e(Q_нагр — Q_0ХЛ) — тепловой поток, обусловленный разностью температур нагреваемого и охлаждаемого спаев;' G'_Q— тепловая проводимость термоэлемента;Gе (Qокр — Qохл) — тепловой поток, возникающий в результате теплообмена между, окружающей средой и охлаждаемым спаем.

Как видно из приведенного уравнения, температура холодного спая будет уменьшаться при увеличении тока за счет эффекта Пельтье, в то же время с увеличением тока увеличивается теплота Джоуля, и эффект нагревания при больших токах снижает эффект охлаждения. Поэтому минимальная температура холодного спая достигается при некотором оптимальном токе.

В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур. Кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток.

Таблица 4

Материалы, применяемые для термопар. В табл. 4 приведены термо-ЭДС, которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая Q₁ = 100 °С и температуре свободных концов Q₀ = 0 °С. Зависимость термо-ЭДС от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры.

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой — отрицательную термо-ЭДС. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д.).

Материалы, применяемые в промышленных термопарах, обусловлены ГОСТ 6616—74. Однако используется и ряд специальных термопар, например при измерениях тепловой радиации, для измерений температуры нагревателей в термоанемометрах и вакуумметра, в термоэлементах термоэлектрических амперметров, вольтметров и ваттметров.

Термопары этого типа работают при сравнительно небольших температурах, но для повышения чувствительности преобразователей мощности в температуру должны обладать минимальной теплоемкостью и минимальным коэффициентом теплоотдачи. Поэтому такие термопары выполняются из тонкой проволоки диаметром d  5  10 мкм.

Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образующих термобатарею. На рис. 6 показан чувствительный элемент радиационного пирометра. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение; свободные концы — на массивном медном кольце, служащем токоотводом и прикрытом экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.

3. УДЛИНИТЕЛЬНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ, ПОГРЕШНОСТИ ТЕРМОПАР

Удлинительные термоэлектроды. Свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре (рис. 7). Однако не всегда возможно сделать термоэлектроды термопары настолько длинными и гибкими, чтобы ее свободные концы размещались в достаточном удалении от рабочего спая. Кроме того, при использовании благородных металлов делать длинные термоэлектроды экономически невыгодно, поэтому приходится применять провода из другого материала. Соединительные провода А₁и В₁(рис. 7), идущие от зажимов в головке термопары до сосуда объемом V, тем пературу в котором желательно поддерживать постоянной, называют удлинительными термоэлектродами. Далее для соединения с измерительным прибором можно использовать обычные провода.

Чтобы при включении удлиниnельных термоэлектродов из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов, не изменилась термо-ЭДС термопары, необходимо выполнить два условия. Первое — места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам в головке термопары должны иметь одинаковую температуру. И второе — удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны основной термопаре, т. е. иметь ту же термо-ЭДС в диапазоне возможных температур места соединения термоэлектродов в головке термопары (примерно в диапазоне от 0 до 200 °С).

Для термопары платинородий — платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, термоидентичную термопаре платинородий — платина в пределах до 150 °С. Для термопары хромель — алюмель удлинительные термоэлектроды изготовляются из меди и константана. Для термопары хромель — копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов.

При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает весьма существенная погрешность.

Погрешность, обусловленная изменением температуры свободных концов термопары. Градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов, равной нулю. Если при практическом использовании термоэлектрического термометра температура свободных концов будет отличаться от 0 °С на величину + Q₀, то измеренная ЭДС будет меньше и необходимо ввести соответствующую поправку в показания термометра.

Однако следует иметь в виду, что из-за нелинейной зависимости между ЭДС термопары и температурой рабочего спая поправка DQ к показаниям указателя Q', градуированного непосредственно в градусах, не будет равна температуре Q₀ свободных концов, что очевидно из рис. 9.

Для определения температуры необходимо воспользоваться градуировочной таблицей для данной термопары, определить ЭДС .Е как Е = Е_изм+ DЕ (Q₀) и затем по скорректированному таким образом значению Е найти Q. Приближенно значение погрешности может быть определено как

DQ = kQ₀,

где k— поправочный коэффициент на температуру свободных концов. Значение kразлично для каждого участка кривой, поэтому градуировочную кривую разделяют на участки по 100 °С и для каждого участка определяют значение k.

В качестве примера устройства автоматического введения поправки на. температуру свободных концов на рис. 10 схематично показано устройство типа КТ-0,8. В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из п