焦耳汤姆逊验证实验设计

焦耳—汤姆逊验证实验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：0-1.25MPa,20-400°C。实验装置2.1实验系统的设计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。储气耀£控制器调节襯冷却器Fp4t4p313图1给出了试验系统示意图。储气耀£控制器调节襯冷却器Fp4t4p313气体收集裝置调节関1~t>tl-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2.2试验供气系统2.2.1气源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/T8867-2000选择的储气罐容积为2m3,工作压力为1.25Mp，储气罐的材料为碳钢，所以该储气罐的型号为C—2/1.25。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)筒体咼度H(mm)流量范围m”minC-2/1.2521.251000220012-24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。2.2.2供气管路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。2.3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。加热通道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°C,温度波动土1°C,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。阀门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。2.4实台测量系统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。压力测量在实验台进、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。罗斯蒙特压力变送器精度为0.075%，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。温度测量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°C。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。流量测量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。自动控制系统本实验为保证pl、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=0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=c1qAt,为保证tl的恒定，即Q吸=0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、热电偶和电磁流量计测得的数据通过A/D转换后输入到计算机，进行数据的采集、存储和分析。通过系统流量、T2和P2以及压缩机进口的设定值计算出冷却剂流量，并输出数字信号，经过D/A转换器以及运算放大器来驱动冷却剂管道的电磁阀，从而确保了冷却器出口气体温度不变。实验步骤检查各设备是否能正常工作。给储气罐充气，直到两个储气罐中的压力都为1.25MP。打开调压阀1，同时开启电加热器。调整加热器电流，温度设置为T1=473K。调整调节阀3(粗调)和调节阀1(微调)得到实验所需的初始压力。调节P2,令其从0.1MPa开始，每次增加0.1MPa直到1.2MPa为止。等待一段时间，使得参数达到稳定，测定T2的值。将T1增加50K,直到673K为止，重复6-7。变化调节阀3和调节阀1,使系统初压力以-0.1MPa的步长