焦耳汤姆逊验证实验设计

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：0-1.25MPa，20-400℃。

2 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。

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/T 8867-2000选择的储气罐容积为23

m，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

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。

2.3.1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℃，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。

2.3.2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。

2.4.1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。

2.4.2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℃。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。

2.4.3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。

2.4.4自动控制系统

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。

3实验步骤

1)检查各设备是否能正常工作。

2)给储气罐充气，直到两个储气罐中的压力都为1.25MP。

3)打开调压阀1，同时开启电加热器。

4)调整加热器电流，温度设置为T1=473K。

5)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。

6)调节P2，令其从0.1MPa开始，每次增加0.1MPa直到1.2MPa为止。

7)等待一段时间，使得参数达到稳定，测定T2的值。

8)将T1增加50K，直到673K为止，重复6-7。

9)变化调节阀3和调节阀1，使系统初压力以-0.1MPa的步长变化，直到0.1MPa。

10)重复6-8。

4数据整理

将测试得到的各组实验数据画在T-P坐标纸上，T为纵坐标，P为横坐标，描出实验曲线，连接各条曲线上斜率为0的点，得到转回曲线，压力等于零的线与转回曲线的上交点为最大转回温度，下交点为最小转回温度。