4.7 Определение измерения температуры. Изменение температуры воды в баке как функции
Вода как теплоноситель — ТеплоВики
Материал из ТеплоВики - энциклопедия отоплении
Наиболее важными свойствами воды являются:
Физические свойства воды
Удельная теплоемкость
Важным свойством любого теплоносителя является его теплоёмкость. Если выразить ее через массу и разность температур теплоносителя, то получится удельная теплоёмкость.
Она обозначается буквой c и имеет размерность кДж/(кг • K)
Удельная теплоемкость — это количество тепла, которое необходимо передать 1 кг вещества (например, воды), чтобы нагреть его на 1 °C. И наоборот, вещество отдает такое же количество энергии при охлаждении.
Среднее значение удельной теплоемкости воды в диапазоне между 0 °C и 100 °C составляет:
c = 4,19 кДж/(кг • K) или c = 1,16 Втч/(кг • K)
Количество поглощаемого или выделяемого тепла Q, выраженное в Дж или кДж, зависит от массы m, выраженной в кг, удельной теплоемкости c и разности температур, выраженной в K.
В системах отопления — это разность температур в прямом и обратном трубопроводе. Полученная формула:
Q = m • c • Δϑ m= V • ρ
V = Объем воды в м3 ρ = Плотность в кг/м3
Масса m — это объем воды V, выраженный в м3, умноженный на плотность ρ воды, выраженную в кг/м3. Таким образом, формулу можно представить в следующем виде:
Q = V • ρ • c ( ϑV - ϑR)
Известно, что плотность воды меняется в зависимости от ее температуры. Однако, чтобы упростить расчеты, используется = 1 кг/дм3 в диапазоне от 4 °C до 90 °C.
Физические термины "энергия", "работа" и "количество тепла" эквивалентны.
Следующая формула используется для преобразования джоулей в другие размерности:
1 Дж = 1 Нм = 1 Втс или 1 МДж = 0,278 кВтч
Увеличение и уменьшение объема
Изменение объема воды 
Когда вода нагревается или охлаждается, ее плотность уменьшается. Все природные материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Единственным исключением из этого правила является вода. Это уникальное ее свойство называется аномалией воды.
Вода имеет наибольшую плотность при +4 °C, при которой 1 дм3 = 1 л имеет массу 1 кг. Если вода нагревается или охлаждается относительно этой точки, ее объем увеличивается, что означает уменьшение плотности, т. е. вода становится легче.
Это можно отчетливо наблюдать на примере резервуара с точкой перелива.
В резервуаре находится ровно 1000 см3 воды с температурой +4 °C. При нагревании воды некоторое количество выльется из резервуара в мерную емкость. Если нагреть воду до 90 °C, в мерную емкость выльется ровно 35,95 см3, что соответствует 34,7 г.
Характеристики кипения воды
Если воду нагревать в открытой емкости, она закипит при температуре 100 °C. Если измерять температуру кипящей воды, окажется, что она остается равной 100 °C пока не испарится последняя капля. Таким образом, постоянное потребление тепла используется для полного испарения воды, т. е. изменения ее агрегатного состояния. Эта энергия также называется латентной (скрытой) теплотой. Если подача тепла продолжается, температура образовавшегося пара снова начнет подниматься.
Описанный процесс приведен при давлении воздуха 101,3 кПа у поверхности воды. При любом другом давлении воздуха точка кипения воды сдвигается от 100 °C.
Если бы мы повторили описанный эксперимент на высоте 3000 м. — мы бы обнаружили, что вода там закипает уже при 90 °C. Причиной такого поведения является понижение атмосферного давления с высотой.
Чем ниже давление на поверхности воды, тем ниже будет температура кипения. И наоборот, температура кипения будет выше при повышении давления на поверхности воды. Это свойство используется, например, в скороварках.
График справа показывает зависимость температуры кипения воды от давления.
Температура кипения воды как функция давления Давление в системах отопления намеренно повышается. Это помогает предотвратить образование пузырьков газа в критических рабочих режимах, а также предотвращает попадание наружного воздуха в систему.
Расширение воды при нагревании и защита от избыточного давления
Системы водяного отопления работают при температурах воды до 90 °C. Обычно система заполняется водой при температуре 15 °C, которая затем расширяется при нагревании. Нельзя допустить, чтобы это увеличение объема привело к возникновению избыточного давления и переливу жидкости.
Система отопления со встроенным предохранительным клапаном Когда отопление отключается в летний период, объем воды возвращается к первоначальному значению. Таким образом, для обеспечения беспрепятственного расширения воды необходимо установить достаточно большой бак. Старые системы отопления имели открытые расширительные баки. Они всегда располагались выше самого высокого участка трубопровода. При повышении температуры в системе, что приводило к расширению воды, уровень в баке также повышался. При снижении температуры он, соответственно, понижался.
Современные системы отопления используют мембранные расширительные баки (МРБ).
При повышении давления в системе нельзя допускать увеличения давления в трубопроводах и других элементах системы выше предельного значения. Поэтому обязательным условием для каждой системы отопления является наличие предохранительного клапана.
При повышении давления сверх нормы предохранительный клапан должен открываться и стравливать лишний объем воды, который не может вместить расширительный бак. Тем не менее, в тщательно спроектированной и обслуживаемой системе такое критическое состояние никогда не должно возникать.
Все эти рассуждения не учитывают тот факт, что циркуляционный насос еще больше увеличивает давление в системе.
Взаимосвязь между максимальной температурой воды, выбранным насосом, размером расширительного бака и давлением срабатывания предохранительного клапана должна быть установлена самым тщательным образом. Случайный выбор элементов системы — даже на основании их стоимости — в данном случае неприемлем.
Мембранный расширительный бак поставляется заполненным азотом. Начальное давление в расширительном мембранном баке должно быть отрегулировано в зависимости от системы отопления. Расширяющаяся вода из системы отопления поступает в бак и сжимает газовую камеру через диафрагму. Газы могут сжиматься, а жидкости — нет.
Компенсация изменения объема воды в системе отопления:
До заполнения системы водой 
Система при макс. температуре воды Давление
Определение давления Давление — это статическое давление жидкостей и газов, измеренное в сосудах, трубопроводах относительно атмосферного давления (Па, мбар, бар).
Статическое давление Статическое давление — это давление неподвижной жидкости. Статическое давление = уровень выше соответствующей точки измерения + начальное давление в расширительном баке.
Динамическое давление Динамическое давление — это давление движущегося потока жидкости.
Давление нагнетания насоса Это давление на выходе центробежного насоса во время его работы.
Перепад давления Давление, развиваемое центробежным насосом для преодоления общего сопротивления системы. Оно измеряется между входом и выходом центробежного насоса.
Рабочее давление Давление, имеющееся в системе при работе насоса.
Допустимое рабочее давление Максимальное значение рабочего давления, допускаемого из условий безопасности работы насоса и системы.
Кавитация
Кавитация — это образование пузырьков газа в результате появления локального давления ниже давления парообразования перекачиваемой жидкости на входе рабочего колеса. Это приводит к снижению производительности (напора) и КПД и вызывает шумы и разрушение материала внутренних деталей насоса.
Из-за схлопывания пузырьков воздуха в областях с более высоким давлением (например, на выходе рабочего колеса) микроскопические взрывы вызывают скачки давления, которые могут повредить или разрушить гидравлическую систему. Первым признаком этого служит шум в рабочем колесе и его эрозия.
Важным параметром центробежного насоса является NPSH (высота столба жидкости над всасывающим патрубком насоса). Он определяет минимальное давление на входе насоса, требуемое данным типом насоса для работы без кавитации, т. е. дополнительное давление, необходимое для предотвращения появления пузырьков.
На значение NPSH влияют тип рабочего колеса и частота вращения насоса. Внешними факторами, влияющими на данный параметр, являются температура жидкости, атмосферное давление.
Предотвращение кавитации Чтобы избежать кавитации, жидкость должна поступать на вход центробежного насоса при определенной минимальной высоте всасывания, которая зависит от температуры и атмосферного давления.
Другими способами предотвращения кавитации являются:
- Повышение статического давления
- Понижение температуры жидкости (снижение давления парообразования PD)
- Выбор насоса с меньшим значением постоянного гидростатического напора (минимальная высота всасывания, NPSH)
Если в СО 100л. воды - насколько изменится ее объем при t 70 градусов? тема физики | ImhoDom.Ru
Перед началом эксплуатации системы отопления рассмотрим интересные нам физические свойства воды.
Удельная теплоемкость
Важным свойством любого теплоносителя является его теплоемкость. Если выразить ее через массу и разность температур теплоносителя, то получится удельная теплоемкость. Она обозначается буквой c и имеет размерностькДж/(кг • K) Удельная теплоемкость — это количество тепла, которое необходимо передать 1 кг вещества (например, воды), чтобы нагреть его на 1 °C. И наоборот, вещество отдает такое же количество энергии при охлаждении. Среднее значение удельной теплоемкости воды в диапазоне между 0 °C и 100 °C составляет:c = 4,19 кДж/(кг • K) или c = 1,16 Втч/(кг • K)Количество поглощаемого или выделяемого тепла Q, выраженное в Дж или кДж, зависит от массы m, выраженной в кг, удельной теплоемкости c и разности температур, выраженной в K.
Увеличение и уменьшение объема
Изменение объема воды
Все природные материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Единственным исключением из этого правила является вода. Это уникальное ее свойство называется аномалией воды. Вода имеет наибольшую плотность при +4 °C, при которой 1 дм3 = 1 л имеет массу 1 кг.
Если вода нагревается или охлаждается относительно этой точки, ее объем увеличивается, что означает уменьшение плотности, т. е. вода становится легче. Это можно отчетливо наблюдать на примере резервуара с точкой перелива. В резервуаре находится ровно 1000 см3 воды с температурой +4 °C. При нагревании воды некоторое количество выльется из резервуара в мерную емкость. Если нагреть воду до 90 °C, в мерную емкость выльется ровно 35,95 см3, что соответствует 34,7 г. Вода также расширяется при ее охлаждении ниже +4 °C.
Благодаря этой аномалии воды у рек и озер зимой замерзает именно верхний слой. По той же причине лед плавает на поверхности и весеннее солнце может его растопить. Этого бы не происходило, если бы лед был тяжелее воды и опускался на дно.
Резервуар с точкой перелива
Однако, такое свойство расширяться может быть опасным. Например, автомобильные двигатели и водяные насосы могут лопнуть, если вода в них замерзнет. Во избежание этого в воду добавляются присадки, препятствующие ее замерзанию. В системах отопления часто используются гликоли; соотношение воды и гликоля см. в спецификации производителя.
Характеристики кипения воды
Если воду нагревать в открытой емкости, она закипит при температуре 100 °C. Если измерять температуру кипящей воды, окажется, что она остается равной 100 °C пока не испарится последняя капля. Таким образом, постоянное потребление тепла используется для полного испарения воды, т. е. изменения ее агрегатного состояния.
Эта энергия также называется латентной (скрытой) теплотой. Если подача тепла продолжается, температура образовавшегося пара снова начнет подниматься.
Изменение агрегатного состояния при повышении температуры
Описанный процесс приведен при давлении воздуха 101,3 кПа у поверхности воды. При любом другом давлении воздуха точка кипения воды сдвигается от 100 °C.
Если бы мы повторили описанный эксперимент на высоте 3000 м — например, на Цугшпитце, самой высокой вершине Германии — мы бы обнаружили, что вода там закипает уже при 90 °C. Причиной такого поведения является понижение атмосферного давления с высотой.
Температура кипения воды как функция давления
Чем ниже давление на поверхности воды, тем ниже будет температура кипения. И наоборот, температура кипения будет выше при повышении давления на поверхности воды. Это свойство используется, например, в скороварках.
График показывает зависимость температуры кипения воды от давления. Давление в системах отопления намеренно повышается. Это помогает предотвратить образование пузырьков газа в критических рабочих режимах, а также предотвращает попадание наружного воздуха в систему.
Расширение воды при нагревании и защита от избыточного давления
Системы водяного отопления работают при температурах воды до 90 °C. Обычно система заполняется водой при температуре 15 °C, которая затем расширяется при нагревании. Нельзя допустить, чтобы это увеличение объема привело к возникновению избыточного давления и переливу жидкости.
Система отопления со встроенным предохранительным клапаном
Когда отопление отключается в летний период, объем воды возвращается к первоначальному значению. Таким образом, для обеспечения беспрепятственного расширения воды необходимо установить достаточно большой бак.
Старые системы отопления имели открытые расширительные баки. Они всегда располагались выше самого высокого участка трубопровода. При повышении температуры в системе, что приводило к расширению воды, уровень в баке также повышался. При снижении температуры он, соответственно, понижался.
Современные системы отопления используют мембранные расширительные баки (МРБ). При повышении давления в системе нельзя допускать увеличения давления в трубопроводах и других элементах системы выше предельного значения.
Поэтому обязательным условием для каждой системы отопления является наличие предохранительного клапана.
При повышении давления сверх нормы предохранительный клапан должен открываться и стравливать лишний объем воды, который не может вместить расширительный бак. Тем не менее, в тщательно спроектированной и обслуживаемой системе такое критическое состояние никогда не должно возникать.
Компенсация изменения объема воды в системе отопления:
Все эти рассуждения не учитывают тот факт, что циркуляционный насос еще больше увеличивает давление в системе. Взаимосвязь между максимальной температурой воды, выбранным насосом, размером расширительного бака и давлением срабатывания предохранительного клапана должна быть установлена самым тщательным образом. Случайный выбор элементов системы — даже на основании их стоимости — в данном случае неприемлем.
Мембранный расширительный бак поставляется заполненным азотом. Начальное давление в расширительном мембранном баке должно быть отрегулировано в зависимости от системы отопления. Расширяющаяся вода из системы отопления поступает в бак и сжимает газовую камеру через диафрагму. Газы могут сжиматься, а жидкости — нет.
Давление
Определение давленияДавление — это статическое давление жидкостей и газов, измеренное в сосудах, трубопроводах относительно атмосферного давления (Па, мбар, бар).
Статическое давлениеСтатическое давление — это давление неподвижной жидкости.Статическое давление = уровень выше соответствующей точки измерения + начальное давление в расширительном баке.
Динамическое давлениеДинамическое давление — это давление движущегося потока жидкости. Давление нагнетания насоса Это давление на выходе центробежного насоса во время его работы.
Перепад давленияДавление, развиваемое центробежным насосом для преодоления общего сопротивления системы. Оно измеряется между входом и выходом центробежного насоса.
Рабочее давлениеДавление, имеющееся в системе при работе насоса. Допустимое рабочее давление Максимальное значение рабочего давления, допускаемого из условий безопасности работы насоса и системы.
Кавитация
Кавитация — это образование пузырьков газа в результате появления локального давления ниже давления парообразования перекачиваемой жидкости на входе рабочего колеса. Это приводит к снижению производительности (напора) и КПД и вызывает шумы и разрушение материала внутренних деталей насоса. Из-за схлопывания пузырьков воздуха в областях с более высоким давлением (например, на выходе рабочего колеса) микроскопические взрывы вызывают скачки давления, которые могут повредить или разрушить гидравлическую систему. Первым признаком этого служит шум в рабочем колесе и его эрозия.
Важным параметром центробежного насоса является NPSH (высота столба жидкости над всасывающим патрубком насоса). Он определяет минимальное давление на входе насоса, требуемое данным типом насоса для работы без кавитации, т. е. дополнительное давление, необходимое для предотвращения появления пузырьков. На значение NPSH влияют тип рабочего колеса и частота вращения насоса. Внешними факторами, влияющими на данный параметр, являются температура жидкости, атмосферное давление.
Предотвращение кавитацииЧтобы избежать кавитации, жидкость должна поступать на вход центробежного насоса при определенной минимальной высоте всасывания, которая зависит от температуры и атмосферного давления.Другими способами предотвращения кавитации являются:• Повышение статического давления• Понижение температуры жидкости (снижение давления парообразования PD)• Выбор насоса с меньшим значением постоянного гидростатического напора (минимальная высота всасывания, NPSH)
Теперь вы без труда ответите на вопрос из заголовка темы 
по материалам Агроводкома
v.imhodom.ru
4.7 Определение измерения температуры
Для измерения разности температур (ΔТ).служит метастатический термометр, известный под названием термометра Бекмана. Его особенностью является наличие в верхней части термометра дополнительного резервуара, в который при желании может быть переведена часть ртути из основного резервуара. Это дает возможность использовать один и тот же термометр для проведения измерений в разных интервалах температур. Шкала такого термометра охватывает интервал температур в 5-6º и разделена на деления, соответствующие 0,01º. Разумеется, при различных наполнениях ртутью основного резервуара термометра 1º шкалы его будет отвечать различным интервалам температуры. Таким образом, следует помнить, что шкала такого термометра имеет лишь условный характер, и для перевода разности температур, отмеченной по термометру, к действительному значению разности температур необходимо ввести поправку на так называемое «значение градуса». Эта поправка обычно дается в паспорте термометра для различных интервалов температур (т.е. для различных наполнений ртутью резервуара).
Настройка метастатического термометра, шкала которого охватывает 5º , на нужный диапазон температур производится следующим образом. Предположим, требуется применить термометр в интервале температур 20 - 25º, т.е. нуль шкалы термометра должен соответствовать 20º С. Держа термометр в руках в наклонном положении (главный резервуар должен быть выше дополнительного) и слегка постукивая по нему пальцем (для преодоления трения ртути о стенки капилляра), добиваются того, чтобы ртуть начала перетекать из главного резервуара в дополнительный. Затем, повернув термометр главным резервуаром вверх и слегка встряхивая его, заставляют ртуть, находившуюся ранее в дополнительном резервуаре, соединиться с ртутью, выступающей из капилляра; затем осторожно, не встряхивая термометра, переводят его в нормальное положение (главным резервуаром вниз) и переносят в ванну (стакан с водой, имеющий температуру на 6º выше заданной, т.е. в нашем случае 26º С). Эта операция должна быть проделана так осторожно, чтобы столбик ртути в дополнительном резервуаре не разрывался. Выждав некоторое время, необходимое для выравнивания температур термометра и ванны, резко встряхивают термометр и заставляют ртуть, находящуюся в дополнительном резервуаре, упасть на дно. После этого термометр вынимают из ванны и дают охладиться, - держа в вертикальном положении, чтобы избежать возможности соединения ртути, находящейся в главном резервуаре, с ртутью, оставленной в дополнительном резервуаре. Какой именно температуре соответствует теперь метка «0» термометра, определяется сравнением его с проверенным термометром. В нашей работе используется довольно точный (точность до 0,01º) электронный термометр на сопротивлении.
В ходе калориметрического опыта, проводимого в изотермическом калориметре, происходит теплообмен с окружающей средой, следствием чего являются тепловые потери в окружающую среду. Определить действительное значение ΔТ по данным, полученным в результате калориметрического опыта можно двумя способами: аналитическим и графическим.
В нашей работе принят графический метод определения ΔТ, как более простой, по надежности не уступающий аналитическому.
Температура калориметрической системы во время опыта изменяется как за счет теплоты процесса, так и вследствие теплообмена со средой (оболочкой) и нагревания при перемешивании. Таким образом, измеренное измерение температуры ΔTизм отличается от истинного Т; отвечающего теплоте изучаемого процесса.
Характер теплообмена определяют по временному ходу температуры в течение каждого опыта. Поправку на теплообмен вводят либо аналитически,
либо с помощью описываемого ниже графического метода Ланге-Мищенко. Если продолжительность опыта не превышает двадцати минут, то второй способ предпочтителен.
Весь опыт делят на 3 периода (рисунок 4): предварительный, продолжающийся не менее 5 минут, главный с продолжительностью, зависящей от скорости реакции и скорости перемешивания, и заключительный, продолжающийся также не менее 5 минут.
Рисунок 4 Графическое определение T
Для опытов следует пользоваться дистиллированной водой, отмеряя ее мерным цилиндром. Количество воды определяется размером калориметра. Воду вливают во внутренний стакан калориметра (необходимо, чтобы температура воды в калориметре отличалась от температуры комнаты не более, чем на 1,0°С. Затем, производят измерение температуры калориметра через равные промежутки времени (30 сек). Время отмечается по секундомеру.
Первые 11 отсчетов температуры составляют так называемый «начальный» период опыта. Его назначение - измерить «ход» температуры калориметра, т.е. изменение его температуры со временем до начала теплового процесса в калориметре. Этот «ход» должен быть постоянен, т.е. разность между последовательными отсчетами не должна различаться более, чем 0,001 - 0,002°. Предварительный период начинается с момента, когда изменение температуры становится постоянным и не превышает ±0,050 - 0,040 °С/мин (в противном случае следует изменить перепад температур оболочки и реактора). Измерения при постоянном ходе температуры производят десять раз, а через следующие 30 сек. проводят реакцию (например, смешивают жидкости) или включают нагреватель.
С этого момента начинается главный период, в котором, как и в начальном периоде, продолжают проводить отсчеты температуры калориметра через каждые 30 сек. Главный период обычно длится 3-4 мин. Главный период опыта следует считать законченным, когда изменение температуры со временем становится постоянным. После этого производят еще 10 - 20 отсчетов температуры, составляющих так называемый «конечный» период опыта.
Положим, что изучаемый процесс является экзотермическим: температура быстро повышается, а затем постепенно вновь устанавливается равномерный ход температуры. Переход к нему определяет начало заключительного периода. В заключительном периоде отсчеты температуры продолжают еще 5 мин. Если по окончании изучаемого процесса температура оболочки все еще выше температуры реактора, то в заключительном периоде температура продолжает повышаться (с меньшей скоростью, чем в предварительном). Если температура реактора превысит температуру оболочки, то в заключительном периоде температура падает.
График строят в масштабе: 1-2 мм соответствует 0,01°С (см. рисунок 4). По оси температур можно сделать разрыв. На рисунке 1 измерение начато в момент, отвечающий точке b. Если бы тепловой эффект в реакторе не возникал, то температура продолжала бы расти по направлению прямой ab.
В точке d начался заключительный период - температура падает линейно. Допускают, что в первой половине главного периода наклон прямой отвечает закону теплопередачи в предварительном периоде, а во второй половине - закону заключительного периода. Поэтому продолжают прямые ab и de до пересечения в точках с и с' с вертикалью, проведенной через середину главного периода. Тем самым к T прибавляют величину, потерянную за счёт охлаждения при теплообмене (точка с лежит выше точки d), и вычитают эту величину, приобретенную за счет нагревания при перемешивании и теплообмене (тоска с' выше точки b). Таким образом, находят T = cc'.
studfiles.net
