焦耳湯姆遜驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

焦耳—湯姆遜驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康慕苟鷾愤d效應(yīng)指的是氣體經(jīng)過(guò)節(jié)流過(guò)程，從高壓到低壓作不可逆絕熱膨脹時(shí)溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象。在常溫下，許多氣體在膨脹后溫度降低，稱為冷效應(yīng)或正效應(yīng)；溫度升高時(shí)稱為熱效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)。本設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)裝置，針對(duì)氮?dú)獾慕箿禂?shù)的測(cè)定，考慮到實(shí)際工作條件的限制，本實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)定參數(shù)范圍為：0-1.25MPa,20-400°C。實(shí)驗(yàn)裝置2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有以下幾部分組成：供氣系統(tǒng)，包括氣源以及供氣氣路；節(jié)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)；測(cè)量系統(tǒng)，包括壓力、溫度的測(cè)量；控制系統(tǒng)，包括由加熱器兩端的溫差來(lái)調(diào)控冷卻器中的冷卻工質(zhì)的循環(huán)。圖1給出了試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。儲(chǔ)氣耀￡控制器調(diào)節(jié)襯冷卻器Fp4t4p313圖1給出了試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。儲(chǔ)氣耀￡控制器調(diào)節(jié)襯冷卻器Fp4t4p313氣體收集裝置調(diào)節(jié)関1~t>tl-圖1試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2氮?dú)獾臒崃^(guò)程曲線圖2氮?dú)庋h(huán)P-v圖2.2試驗(yàn)供氣系統(tǒng)2.2.1氣源氣源的提供包括儲(chǔ)氣罐以及壓縮機(jī)以及回收裝置組成。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)要求，考慮到壓縮氣體的小時(shí)流量，設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)根據(jù)JB/T8867-2000選擇的儲(chǔ)氣罐容積為2m3,工作壓力為1.25Mp，儲(chǔ)氣罐的材料為碳鋼，所以該儲(chǔ)氣罐的型號(hào)為C—2/1.25。儲(chǔ)氣罐的基本參數(shù)在表1中給出。表1儲(chǔ)氣罐的基本參數(shù)型號(hào)公稱容積(mm)工作壓力(Mp)筒體內(nèi)徑Di(mm)筒體咼度H(mm)流量范圍m”minC-2/1.2521.251000220012-24該壓縮機(jī)能夠提供5MPa的壓力，同時(shí)，該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有氮?dú)獾幕厥障到y(tǒng)可以使氣體損失減到最小。圖1給出了系統(tǒng)的示意圖中，經(jīng)節(jié)流閥后的氮?dú)?，先進(jìn)入集氣箱，然后經(jīng)冷卻器恢復(fù)到加熱器加熱前的溫度，進(jìn)入壓縮機(jī)升壓，最后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，這樣就可以保證氮?dú)獾姆€(wěn)定循環(huán)流動(dòng)。2.2.2供氣管路壓縮機(jī)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間的管路設(shè)有儲(chǔ)氣罐和旁路組成的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，考慮到實(shí)驗(yàn)中氣體一般處于高壓狀態(tài)，所以我們選擇了鑄鐵作為管材管徑為100mm。通過(guò)調(diào)節(jié)旁路閥門可以調(diào)節(jié)工質(zhì)氣流進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)的壓力與流量。2.3實(shí)驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)段主要包括：加熱通道、節(jié)流通道兩個(gè)部分。工質(zhì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段后，經(jīng)熱電阻的加熱到一定溫度時(shí)，后通過(guò)節(jié)流段進(jìn)行節(jié)流過(guò)程，最后，工質(zhì)從試驗(yàn)臺(tái)出口后進(jìn)行回收。加熱通道本實(shí)驗(yàn)要求測(cè)溫范圍為20-400^,綜合考慮到加熱的充分性及溫度調(diào)節(jié)的靈敏性，決定采用型號(hào)為QLF-9050A的電加熱可調(diào)恒溫箱。該恒溫箱控溫范圍為100-400°C,溫度波動(dòng)土1°C,采用自適應(yīng)控溫技術(shù)進(jìn)行溫度控制，設(shè)定溫度后，儀表自行控制加熱功率，并顯示加熱狀態(tài)，控溫精確且穩(wěn)定。若超溫則啟動(dòng)報(bào)警裝置并自動(dòng)切斷加熱電源。恒溫箱由鍍鋅板構(gòu)成，箱體內(nèi)部與外殼間以玻璃纖維作保溫層材料，減少了熱量外傳。置于箱體內(nèi)部壁面的鎳鉻合金電加熱器對(duì)來(lái)流進(jìn)行加熱，內(nèi)部設(shè)置的專用風(fēng)機(jī)可以使氣體受熱均勻。箱門具備大視角觀察玻璃窗，便于用戶觀察。閥門節(jié)流閥要能滿足節(jié)范圍大，流量一壓差變化平滑，內(nèi)、外泄漏量小，調(diào)節(jié)力矩小，動(dòng)作靈敏等特點(diǎn)同時(shí)又要能夠在一定的高溫下工作,根據(jù)上述因素，選用L21W-40P型節(jié)流閥，該閥能夠在4MPa的壓力下工作，同時(shí)本實(shí)驗(yàn)還采用了電磁閥方便自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。2.4實(shí)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)的需要，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集包括4個(gè)測(cè)量系統(tǒng)：壓力測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、流量測(cè)量系統(tǒng)。壓力測(cè)量在實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)、出口布置總壓探針，壓力引壓管引出，然后接入壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量?？倝禾结槻贾梦恢迷趫D給出試驗(yàn)中所采用壓力傳感器為3051T型羅斯蒙特壓力傳感器。羅斯蒙特壓力變送器精度為0.075%，具有設(shè)計(jì)小巧、堅(jiān)固而質(zhì)輕，易于安裝等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器在工作時(shí)高、低壓側(cè)的隔離膜片和灌充液將過(guò)程壓力傳遞給灌充液，接著灌充液將壓力傳遞到傳感器中心的傳感膜片上。傳感膜片和電容極板之間電容的差值被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流，電壓或數(shù)字HART（高速可尋址遠(yuǎn)程發(fā)送器數(shù)據(jù)公路）輸出信號(hào)。溫度測(cè)量本實(shí)驗(yàn)臺(tái)在節(jié)流部分的進(jìn)、出口布置了熱電偶。溫度計(jì)采用鎳鉻—康銅熱電偶，該熱電偶的使用溫度為-200?900°C。靈敏度高，宜制成熱電堆，測(cè)量微小的溫度變化，還具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能優(yōu)異，價(jià)格便宜，能用于氧化性和惰性氣氛中的優(yōu)點(diǎn)。流量測(cè)量用電磁式流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的流量，并用傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。自動(dòng)控制系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)為保證pl、t1的恒定，可以采用冷卻器來(lái)補(bǔ)償加熱器引起的氣源溫度的變化(Q吸=0放)，從加熱器兩側(cè)測(cè)取溫度信號(hào)，由加熱器兩側(cè)的溫差可計(jì)算出Q吸=c1qAt,為保證tl的恒定，即Q吸=0放，可以算出冷卻器中的循環(huán)的冷卻劑的流量。本實(shí)驗(yàn)采用電磁閥控制，自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器、熱電偶和電磁流量計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和分析。通過(guò)系統(tǒng)流量、T2和P2以及壓縮機(jī)進(jìn)口的設(shè)定值計(jì)算出冷卻劑流量，并輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器以及運(yùn)算放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)冷卻劑管道的電磁閥，從而確保了冷卻器出口氣體溫度不變。實(shí)驗(yàn)步驟檢查各設(shè)備是否能正常工作。給儲(chǔ)氣罐充氣，直到兩個(gè)儲(chǔ)氣罐中的壓力都為1.25MP。打開(kāi)調(diào)壓閥1，同時(shí)開(kāi)啟電加熱器。調(diào)整加熱器電流，溫度設(shè)置為T1=473K。調(diào)整調(diào)節(jié)閥3(粗調(diào))和調(diào)節(jié)閥1(微調(diào))得到實(shí)驗(yàn)所需的初始?jí)毫?。調(diào)節(jié)P2,令其從0.1MPa開(kāi)始，每次增加0.1MPa直到1.2MPa為止。等待一段時(shí)間，使得參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，測(cè)定T2的值。將T1增加50K,直到673K為止，重復(fù)6-7。變化調(diào)節(jié)閥3和調(diào)節(jié)閥1,使系統(tǒng)初壓力以-0.1MPa的步長(zhǎng)