Принцип работы теплосчетчика. Что такое калориметр в физике? Определение, использование Сфера применения приборов учета тепла

Необходимость оперативного определения расхода теплоты и теплопотерь с особой остротой выявилась в последнее время, когда на передний план выступило требование экономии топливно-энергетических ресурсов. Измеряют расход теплоты с помощью теплосчётчиков . При этом решается задача в соответствии с алгоритмом:

Q = V Т C T t (T 1 - T 2) , МДж,

где: Q - количество теплоты, отданное теплоносителем за время t ;

V Т - объёмный расход теплоносителя (воды), м 3 /с;

Т 1 ; T 2 - температура теплоносителя на входе и выходе потребителя, 0 С;

С Т - удельная теплоёмкость теплоносителя, МДж/м 3 .

В простейшем случае схема теплосчётчика должна содержать датчик расхода теплоносителя (водомер), два датчика температуры и вычислительный блок, реализующий вышеприведенный алгоритм (рис. 5.7).

В промышленных системах требуются более сложные схемы теплосчётчиков, которые учитывают изменение энтальпии теплоносителя и расход теплоты для горячего водоснабжения.

Индивидуальные тепломеры , широко распространённые в ряде европейских стран, оценивают расход теплоты индивидуальными потребителями, например - радиаторами центрального отопления (см. рис. 5.8). Они содержат чувствительный элемент - стеклянную градуированную трубочку, заполненную тетралином. Систематический её нагрев приводит к испарению жидкости, по которому и судят о расходе теплоты. Расчет расхода тепла производится при помощи компьютера, в базу данных которого предварительно заносят характеристики каждого радиатора.

Рис. 5.7. Схема простейшего теплосчётчика: 1-подающий (прямой) трубопровод; 2-отводящий (обратный) трубопровод; 3-водомер; 4-датчик температуры теплоносителя; 5-датчик температуры использованного теплоносителя.

Рис. 5.8. Индивидуальный тепломер на радиаторе центрального отопления.

Различают три основных способа управления процессами теплоснабжения и электроснабжения - ручное, автоматическое и полуавтоматическое. Для их реализации используются различные приборы и устройства. Наиболее часто встречающиеся это: ручные краны, задвижки, выключатели, переключатели и регуляторы различных параметров. Рассмотрим некоторые из них.

Электромагнитные клапаны - это устройства, в которых перемещение клапана обеспечивается за счёт электромагнита (рис. 5.9). Электромагнитный клапан обеспечивает, как правило, два положения - открытое и закрытое.

Открывается клапан при наличии управляющего электрического напряжения от цепи управления. При его отсутствии клапан удерживается в закрытом состоянии за счёт действия пружины.

Рис. 5.9. Электромагнитный клапан: 1-трубопровод; 2-клапан; 3-подвижный сердечник; 4-соленоид; 5-пружина.

Электромеханический кран (задвижка) содержит в качестве рабочего органа кран или задвижку. Приводится в действие рабочий орган с помощью электродвигателя, реечного, кулачкового механизмов или червячной передачи. Для увеличения усилия и уменьшения скорости действия крана служит редуктор (рис. 5.10).

Изменяя полярность питающего напряжения, подаваемого на электродвигатель постоянного тока, можно закрывать или открывать задвижку. Если используется электродвигатель переменного тока, необходимо его реверсирование путём коммутации обмоток.

Электромеханические устройства позволяют плавно изменять положение рабочего органа (задвижки, крана) от полностью открытого до полностью закрытого. Благодаря этому обеспечивается плавное регулирование скоростью потока от υ ж =0 до υ ж = υ макс . .

Рис. 5.10. Электромеханическая задвижка: 1-трубопровод; 2-задвижка; 3-реечный механизм; 4-редуктор; 5-электродвигатель.

Насосы с электроприводом позволяют перемещать жидкости и газы по трубопроводам от зон с низким статическим давлением к зонам с более высоким давлением. Эффективным является использование регулируемых (например – частотное регулирование) электроприводов, позволяющих улучшить работу системы управления и обеспечить заметную экономию электроэнергии.

Автоматические регуляторы - это устройства, обеспечивающие поддержание параметра объекта на постоянном уровне или его изменение по заданному закону. Автоматический регулятор обязательно содержит: чувствительный элемент или датчик регулируемого параметра; регулирующий орган; задающее устройство, определяющее требуемое значение параметра. Примером такого устройства может служить автоматический термостат, устанавливаемый перед нагревательными приборами системы отопления (рис. 5.11).

Работает он следующим образом. Перекрывающая трубопровод задвижка механически связана с герметичным гармониковым чувствительным элементом-термодатчиком, внутренность которого заполнена термочувствительной массой, способной расширяться при повышении температуры. При увеличении температуры воздуха в помещении, термодатчик расширяется и перекрывает трубопровод, чем ограничивается поступление теплоносителя в радиатор. Необходимую температуру в помещении можно задавать вручную поворотом защитного колпачка с пружиной.

Прибор для измерения энергии частиц.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ ЕГЭ 2014 Физика: А9 - в калориметр с холодной водой погрузили алюминиевый цилиндр

✪ Физика 8 класс. Количество теплоты. Единицы измерения количества теплоты

✪ Физика В калориметре находится вода массой mв = 2 кг, температура которого 30 0С. В калориметр

✪ Опыты Джоуля

✪ Физика | Подготовка к олимпиаде 2017 | Задача "Запарили калориметр"

Субтитры

Современные калориметры

Современные калориметры работают в диапазоне температур от 0,1 до 3500 и позволяют измерять количество теплоты с точностью до 0,01-10 %. Устройство калориметров весьма разнообразно и определяется характером и продолжительностью изучаемого процесса, областью температур, при которых производятся измерения, количеством измеряемой теплоты и требуемой точностью.

Типы калориметров

Калориметр, предназначенный для измерения суммарного количества теплоты Q , выделяющейся в процессе от его начала до завершения, называют калориметр-интегратор

Калориметр для измерения тепловой мощности (скорости тепловыделения) L и её изменения на разных стадиях процесса - измерителем мощности или калориметр-осциллографом . По конструкции калориметрической системы и методу измерения различают жидкостные и массивные калориметры, одинарные и двойные (дифференциальные).

Жидкостный калориметр-интегратор

Жидкостный калориметр-интегратор переменной температуры с изотермической оболочкой применяют для измерений теплот растворения и теплот химических реакций. Он состоит из сосуда с жидкостью (обычно водой), в котором находятся: камера для проведения исследуемого процесса («калориметрическая бомба»), мешалка, нагреватель и термометр . Теплота, выделившаяся в камере, распределяется затем между камерой, жидкостью и другими частями калориметра, совокупность которых называют калориметрической системой прибора.

У жидкостных калориметров изотермическую температуру оболочки поддерживают постоянной. При определении теплоты химической реакции наибольшие затруднения часто связаны не с учётом побочных процессов, а с определением полноты протекания реакции и с необходимостью учитывать несколько реакций.

Калориметрические измерения

Изменение состояния (например, температуры) калориметрической системы позволяет измерить количество теплоты, введённое в калориметр. Нагрев калориметрической системы фиксируется термометром . Перед проведением измерений калориметр градуируют - определяют изменение температуры калориметрической системы при сообщении ей известного количества теплоты (нагревателем калориметра или в результате проведения в камере химической реакции с известным количеством стандартного вещества). В результате градуировки получают тепловое значение калориметра, то есть коэффициент , на который следует умножить измеренное термометром изменение температуры калориметра для определения количества введённой в него теплоты. Тепловое значение такого калориметра представляет собой теплоёмкость (с) калориметрической системы. Определение неизвестной теплоты сгорания или другой химической реакции Q сводится к измерению изменения температуры Δt калориметрической системы, вызванного исследуемым процессом: Q=c Δt . Обычно значение Q относят к массе вещества, находящегося в камере калориметра.

Побочные процессы в калориметрических измерениях

Калориметрические измерения позволяют непосредственно определить лишь сумму теплот исследуемого процесса и различных побочных процессов, таких как перемешивание, испарение воды, разбивание ампулы с веществом и т. п. Теплота побочных процессов должна быть определена опытным путём или расчётом и исключена из окончательного результата. Одним из неизбежных побочных процессов является теплообмен калориметра с окружающей средой посредством излучения и теплопроводности . В целях учёта побочных процессов и прежде всего теплообмена калориметрическую систему окружают оболочкой, температуру которой регулируют.

Изотермический калориметр-интегратор

В калориметре-интеграторе другого вида - изотермическом (постоянной температуры) введённая теплота не изменяет температуры калориметрической системы, а вызывает изменение агрегатного состояния тела, составляющего часть этой системы (например, таяние льда в ледяном калориметре Бунзена). Количество введённой теплоты рассчитывается в этом случае по массе вещества, изменившего агрегатное состояние (например, массе растаявшего льда, которую можно измерить по изменению объёма смеси льда и воды), и теплоте фазового перехода .

Массивный калориметр-интегратор

Массивный калориметр-интегратор чаще всего применяют для определения энтальпии веществ при высоких температурах (до 2500 °C). Калориметрическая система у калориметров этого типа представляет собой блок из металла (обычно из меди или алюминия) с выемками для сосуда, в котором происходит реакция, для термометра и нагревателя. Энтальпию вещества рассчитывают как произведение теплового значения калориметра на разность подъёмов температуры блока, измеряемых после сбрасывания в его гнездо ампулы с определённым количеством вещества, а затем пустой ампулы, нагретой до той же температуры.

Проточные лабиринтные калориметры

Теплоёмкость газов, а иногда и жидкостей, определяют в т. н. проточных лабиринтных калориметрах - по разности температур на входе и выходе стационарного потока жидкости или газа, мощности этого потока и джоулевой теплоте, выделенной электрическим нагревателем калориметра.

Калориметр - измеритель мощности

Калориметр, работающий, как измеритель мощности, в противоположность калориметру-интегратору должен обладать значительным теплообменом, чтобы вводимые в него количества теплоты быстро удалялись и состояние калориметра определялось мгновенным значением мощности теплового процесса. Тепловая мощность процесса находится из теплообмена калориметра с оболочкой. Такие калориметры, разработанные французским физиком Э.Кальве , представляют собой металлический блок с каналами, в которые помещают цилиндрические ячейки. В ячейке проводится исследуемый процесс; металлический блок играет роль оболочки (температура его поддерживается постоянной с точностью до 10 −5 -10 −6 К). Разность температур ячейки и блока измеряется термобатареей, имеющей до 1000 спаев. Теплообмен ячейки и ЭДС термобатареи пропорциональны малой разности температур, возникающей между блоком и ячейкой, когда в ней выделяется или поглощается теплота. В блок помещают чаще всего две ячейки, работающие как дифференциальный калориметр: термобатареи каждой ячейки имеют одинаковое число спаев и поэтому разность их ЭДС позволяет непосредственно определить разность мощности потоков теплоты, поступающей в ячейки. Этот метод измерений позволяет исключить искажения измеряемой величины случайными колебаниями температуры блока. На каждой ячейке монтируют обычно две термобатареи: одна позволяет скомпенсировать тепловую мощность исследуемого процесса на основе эффекта Пельтье , а другая (индикаторная) служит для измерения нескомпенсированной части теплового потока. В этом случае прибор работает как дифференциальный компенсационный калориметр При комнатной температуре такими калориметрами измеряют тепловую мощность процессов с точностью до 1 мкВт.

Названия калориметров

Обычные названия калориметров - «для химической реакции», «бомбовый», «изотермический», «ледяной», «низкотемпературный» - имеют историческое происхождение и указывают главным образом на способ и область использования калориметров, не являясь ни полной, ни сравнительной их характеристикой.

Общая классификация калориметров

Общую классификацию калориметров можно построить на основе рассмотрения трёх главных переменных, определяющих методику измерений: температуры калориметрической системы T c ; температуры оболочки T o , окружающей калориметрическую систему; количества теплоты L , выделяемой в калориметре в единицу времени (тепловой мощности).

Калориметры с постоянными T c и T o называют изотермическим; с T c = T o - адиабатическим; калориметр, работающий при постоянной разности температур T c - T o , называют калориметром с постоянным теплообменом; у изопериболического калориметра (его ещё называют калориметром с изотермической оболочкой) постоянна T o , а T c является функцией тепловой мощности L .

Факторы, влияющие на окончательный результат измерений

Важным фактором, влияющим на окончательный результат измерений, является надёжная работа автоматических регуляторов температуры изотермических или адиабатических оболочек. В адиабатическом калориметре температура оболочки регулируется так, чтобы она была всегда близка к меняющейся температуре калориметрической системы. Адиабатическая оболочка - лёгкая металлическая ширма, снабженная нагревателем, - уменьшает теплообмен настолько, что температура калориметра меняется лишь на несколько десятитысячных град/мин. Часто это позволяет снизить теплообмен за время калориметрического опыта до незначительной величины, которой можно пренебречь. В случае необходимости в результаты непосредственных измерений вводится поправка на теплообмен, метод расчёта которой основан на законе теплообмена Ньютона - пропорциональности теплового потока между калориметром и оболочкой разности их температур, если эта разность невелика (до 3-4 °C).

Для калориметра с изотермической оболочкой теплоты химической реакции могут быть определены с погрешностью до 0,01 %. Если размеры калориметра малы, температура его изменяется более чем на 2-3 °C и исследуемый процесс продолжителен, то при изотермической оболочке поправка на теплообмен может составить 15-20 % от измеряемой величины и существенно ограничить точность измерений. В этих случаях целесообразнее применять адиабатическую оболочку.

При помощи адиабатического калориметра определяют теплоёмкость твёрдых и жидких веществ в области от 0,1 до 1000 К. При комнатных и более низких температурах адиабатический калориметр, защищённый вакуумной рубашкой, погружают в сосуд Дьюара , заполненный жидким гелием , водородом или азотом . При повышенных температурах (выше 100 °C) калориметр помещают в термостатированную электрическую печь.

Измерять количество теплоты учёные стали задолго до того, как в физике появилось понятие энергии. Тогда была установлена особая единица для измерения количества теплоты - калория (кал).

Калория - это количество теплоты, которое необходимо для нагревания \(1\) г воды на \(1\)°С.

\(1\) кал \(= 4,19\) Дж \(≈ 4,2\) Дж.

Термин «калория» (от латинского «calor» - тепло) ввёл в научный оборот французский химик Николя Клеман-Дезорм (\(1779-1842\)).

Николя Клеман-Дезорм

Его определение калории как единицы измерения тепла было впервые опубликовано в \(1824\) году в журнале «Le Producteur», а во французских словарях оно появилось в \(1842\) году.

Однако задолго до появления этого термина были сконструированы первые калориметры - приборы для измерения теплоты .

Первый калориметр изобрёл английский химик Джозеф Блэк и в \(1759-1763\) годах с его помощью определил теплоёмкости разных веществ, скрытую теплоту плавления льда и испарения воды.

Джозеф Блэк

Изобретением Д. Блэка воспользовались знаменитые французские учёные Антуан Лоран Лавуазье (\(1743-1794\)) и Пьер Симон Лаплас (\(1749-1827\)).

Антуан Лоран Лавуазье

Пьер Симон Лаплас

В \(1780\) году они начали серию калориметрических экспериментов, которые позволили измерить тепловую энергию.

Это понятие встречается ещё в \(XVIII\) веке в трудах шведского физика Иоганна Карла Вильке (\(1732-1796\)), который занимался исследованием электрических, магнитных и тепловых явлений и задумывался об эквивалентах, в которых можно измерять тепловую энергию.

Иоганн Карл Вильке

Устройство, которое впоследствии начали называть калориметром, Лавуазье и Лаплас использовали, чтобы измерять количество теплоты, выделяющееся в различных физических, химических и биологических процессах. Тогда ещё не было точных термометров, поэтому для измерения теплоты приходилось идти на ухищрения.

Первый калориметр был ледяным. Внутренняя полая камера, куда помещали объект, излучающий тепло (например, мышку), была окружена рубашкой, заполненной льдом или снегом. А ледяная рубашка, в свою очередь, была окружена воздушной, чтобы лёд не плавился под действием внешнего нагрева. Тепло от объекта внутри калориметра нагревало и плавило лёд. Взвешивая талую воду, стекавшую из рубашки в специальный сосуд, исследователи определяли теплоту, выделенную объектом.

Всякие тепловые изменения, которые испытывает какая-нибудь материальная система, переменяя своё состояние, происходят в обратном порядке, когда система вновь возвращается в своё первоначальное состояние.

Иными словами, чтобы разложить воду на водород и кислород, надо затратить столько же энергии, сколько выделяется при реакции водорода с кислородом с образованием воды.

В том же \(1780\) году Лавуазье поместил в калориметр морскую свинку. Тепло от её дыхания растапливало снег в рубашке. Потом последовали и другие эксперименты, которые имели огромное значение для физиологии.

Тогда-то Лавуазье высказал мысль, что дыхание животного подобно горению свечи, за счёт которого в организме поддерживается необходимый запас тепла. Он также впервые связал три важнейшие функции живого организма: дыхание, питание и транспирацию (испарение воды). Видимо, с тех пор и заговорили о том, что пища сгорает в нашем организме.

В \(XIX\) веке благодаря стараниям знаменитого французского химика Марселена Бертло (\(1827-1907\)), который опубликовал более 200 работ по термохимии, точность калориметрических методов сильно повысилась и появились более совершенные приборы - водяной калориметр и герметичная калориметрическая бомба.

Марселен Бертло

Последний прибор нам особенно интересен, потому что в нём можно измерять теплоту, выделяемую при очень быстрых реакциях - горении и взрыве.

Навеску сухого исследуемого вещества насыпают в тигель, помещают внутри бомбы и герметично закрывают этот сосуд. Затем вещество поджигают электрической искрой. Оно сгорает, отдавая тепло воде в окружающей его водяной рубашке. Термометры позволяют точно фиксировать изменение температуры воды.

В похожем калориметре в тридцатых годах \(XIX\) века проводил первые опыты с пищей знаменитый немецкий химик Юстус фон Либих (\(1803-1873\)), который разделял идеи Лавуазье о том, что пища - это топливо для организма, как дрова для печки.

Юстус фон Либих

«Конвекция» - Процесс перемешивания. Термогравитационная конвекция. Конвекция. Естественная конвекция. Виды конвекций по причине появления. Что такое конвекция. Выделяют два вида конвекций. Виды конвекций. Перемещение вещества обусловлено действием каких-то внешних сил. Перенос теплоты. Вынужденная конвекция. Атмосферные явления.

«Химическая технология топлива» - Топлива для ВРД. Газы. Цетановое число. Бензины. Расчетное определение ЦЧ. Октановые числа различных групп углеводородов. Парафины и церезины. Расчетные методы. Склонность моторных топлив к детонации. Дизельные топлива. Воспламеняемость. Газотурбинное и котельное топливо. Теоретические основы химической технологии.

«Внутренняя энергия» - Материалы, обладающие плохой теплопроводностью. Внутренняя энергия. Частицы вещества. Энергия увеличивается также при деформации. Нагретые тела. Внутренняя энергия уменьшается. Нагревание ложки в кипятке. Виды теплопередачи. Металлы. В каком агрегатном состоянии находится тело. Механическая энергия.

«Расчёт количества теплоты» - Определение количества теплоты. Количество теплоты. Решение задач. Формула для вычисления количества теплоты. Повторение. Расчет количества теплоты. Изучение нового материала. Решите задачи. Решите задачу. Какое количество теплоты необходимо для нагревания. Разность. Что показывает удельная теплоемкость вещества.

«Способы теплопередачи» - Подогрев жидкости. Бумажная вертушка. Шарик. Теплопроводность. Нагревание воды. Керосиновая лампа. Приготовьте лед в морозилке. Отверстия. Способы теплопередачи. Почему при обмахивании веером мы ощущаем прохладу. Оконные стекла. Виды теплопередачи в термосе. Огонь в решете. Виды теплопередачи. Излучение.

«Количество теплоты» - Q– полученная телом теплота. Теплообмен. История возникновения понятий. Что такое количество теплоты. Количество теплоты. Прибор для измерения количества теплоты. Современные калориметры. Дж.Джоуль, английский физик, исследовавший тепловые явления. Калориметр. Высокоточный адиабатический калориметр.

Всего в теме 30 презентаций

По новым энергосберегающим нормам владельцы многоквартирных домов должны побеспокоиться о том, как организовать учет тепла. Должны быть установлены общедомовые приборы учета тепла, а при желании учитывать тепло в квартирах — индивидуальные теплосчетчики . Счетчики тепла –прибор для измерения количества теплоты. В результате измерений мы получаем величину количества теплоты. В зависимости от теплосчетчика, количество теплоты измеряется в:

1. В гигакаллориях (Гкал\ч).

2. В киловатт-часах (кВт\ч)

Сфера применения приборов учета тепла

Теплосчетчики устанавливаются, начиная с теплоэлектростанций центральных, районных и т.д. до потребителя. Таким образом, контролируется потребление тепловой энергии и ее распределение. Тепловые счетчики устанавливаются в системах, где теплоносителем служит вода или пар. Это многофункциональные микропроцессорные приборы. Они выводят свои показания на основании измерений температуры, давления, расхода теплоносителя. В их состав входят тепловычислители. Приборы запрограммированы на вычисление количества теплоты согласно действующим стандартам. Такие приборы имеют надежную защиту от несанкционированного доступа.

Как рассчитывается количество теплоты

В программе расчета количества теплоты, заданной тепловычислителю, учитывается вид теплоносителя, структура системы отпуска теплоты. В различных отопительных системах может меняться количество теплоносителя по причине отвода их в систему горячего водоснабжения или в результате утечек. Алгоритмы расчета будут разными в зависимости от того, открытой или закрытой будет система отопления, то есть, меняется ли в ней количество теплоносителя или нет.

Количество теплоты измеряется косвенно. Погрешность данной величины зависит от погрешности средств измерения первичных величин, погрешности вычислений, погрешности тепловычислителя, зависящей от погрешности расчетных соотношений, отражающих свойства пара и воды. Формулой для расчета количества теплоты является:

Q=Q m ×k×(t 1 -t 2)×t, в Гкал\ч, Q=V×k×(t 1 -t 2), в кВт\ч

где Q m (т)– масса прошедшего теплоносителя,

V (m 3)= объем прошедшего теплоносителя,

t 1 , t 2 (°С) –входная и выходная температура теплоносителя,

t (ч) — время,

k — тепловой коэффициент теплоносителя (ГОСТ Р ЕН 1434-1-2011 приложение «А»).

Соответственно, для определения количества теплоты необходимы показания датчиков температуры на входе и выходе системы. Такие датчики устанавливаются на подающем трубопроводе отопительной системы и на обратном. От них и от измерителя расхода на вычислительный процессор подаются данные для расчета. В большинстве случаев вычисленные данные отображаются на ЖК-экране. В результате вычислений формируется архив данных, который может быть открыт для просмотра.

Также в состав прибора по учету тепла входят преобразователи давления, запорная арматура. Цена на прибор зависит от устройства, типа счетчика. Основное различие лежит в типе расходомера. Однако независимо от того, какой тип расходомера используется, каждый счетчик тепла хранит данные среднечасовых и среднесуточных показателях расхода. Тепловычислитель может быть расположен не только в теплопункте, но и за его пределами, предоставляя возможность дистанционного снятия показаний.

Методы измерения расхода теплоносителя

Различные виды теплосчетчиков отличаются методом измерения расхода теплоносителя. По методу измерения расходомеры отличают:

• переменного перепада давления;
• турбинные (крыльчатые);
• ультразвуковые;
• электромагнитные.

Метод переменного перепада давления является устаревшим и сейчас практически не применяется в приборах. Турбинные расходомеры имеют большие недостатки, хоть и являются самым экономичным вариантов измерений расхода. Ультразвуковые расходомеры наиболее распространенные на сегодняшний день ввиду своей высокой надежности и точности. Примерно также популярны и электромагнитные расходомеры, которые достаточно современны и надежны.

Расходомер обычно устанавливается на подающей трубе. Если в системе производится разбор теплоносителя или есть утечки, они регистрируются при помощи показаний расходомера, установленного на обратном трубопроводе.

Требования к теплосчетчикам

Независимо от особенностей конструкции счетчика, все они достаточно точны. Метод измерения расхода не влияет на его показания. Основные требования к счетчикам, которые должны быть выполненными при его установке:

• марка теплосчетчика должна быть внесенной в реестр допустимых к использованию в коммерческой сфере приборов;
• теплосчетчик должен иметь заключение метрологической государственной службы;
• установка такого счетчика – лицензированные работы, поэтому обращаться необходимо в соответствующие службы.

Общие принципы расчета количества теплоты, затраченного на отопление, зависит от разницы температур, а не от того, какая температура теплоносителя на входе в отопительную систему.