TERMOPARA - prz.rzeszow.pl · elektromotorycznej i przepływie prądu elektrycznego w ... Przepływ...
Transcript of TERMOPARA - prz.rzeszow.pl · elektromotorycznej i przepływie prądu elektrycznego w ... Przepływ...
TERMOPARA
Termopara to złącze dwóch różnych metali, na którym
powstaje napięcie o niewielkiej wartości - najczęściej
w zakresie miliwoltów - i współczynniku
temperaturowym rzędu 50 µV/°C.
Za pomocą termopar można mierzyć temperaturę od -
270°C do +2700°C z błędem w zakresie 0,5 - 2°C.
TERMOPARA – JAK TO DZIAŁA?
Wartość mierzonego napięcia zależy od temperatury złączy termoelektrycznych jest ona w przybliżeniu proporcjonalna do różnicy temperatur obu złącz.
Złącze odniesienia umieszcza się w stałej temperaturze i na ogół jest to 0°C. Wykorzystuje się do tego kąpiele lodowe lub niewielkie pudełka ze stałą temperaturą wnętrza.
TERMOPARA - JAK TO DZIAŁA?
Zasada działania termopary opiera się na zjawisku
Seebecka, które polega na powstaniu siły
elektromotorycznej i przepływie prądu elektrycznego w
miejscu styku dwóch metali w zamkniętym obwodzie
termoelektrycznym.
T1 T0
VMetal 1
Metal 2Tx T0
Miedź
Konstantan
.
V
Termoogniwo. Termopara.
TERMOPARA - JAK TO DZIAŁA? Jeśli próbkę nagrzać nierównomiernie,
to – na skutek różnicy energii i koncentracji nośników ładunku –zacznie się ich ukierunkowany ruch.
Jeżeli końce próbki znajdują się w temperaturze T1<T2, to na końcu próbki o temperaturze T2 będzie występowała większa koncentracja nośników ładunku, będą one również miały większą energię. W efekcie wystąpi ich dyfuzja w kierunku zimniejszego końca (T1).
Przepływ prądu dyfuzji prowadzi do pojawienia się rozkładu potencjału oraz wystąpienia prądu unoszenia. W warunkach równowagi obie składowe prądu są sobie równe i na zewnątrz obserwuje się tylko różnicę potencjałów między punktami o różnej temperaturze.
ZALETY TERMOPAR:
prostota i niskie
koszty wykonania,
brak zewnętrznego
zasilania,
niewielkie rozmiary
urządzenia ,
duża niezawodność.
PIROMETR
Pirometry stosuje się w metodzie bezdotykowego
pomiaru temperatury. W metodach tych
wykorzystuje się długość fal od 0,4µm do 20 µm
co odpowiada promieniowaniu widzialnemu oraz
podczerwieni. Jeśli na drodze promieniowania
znajduje się materiał to zachodzą w nim zjawiska :
Absorpcji, polegającej na pochłanianiu energii i
zamianie jej na ciepło powodujące podwyższenie
temperatury ciała.
PIROMETR
Refleksji - polegającej na odbiciu promieniowania od powierzchni oraz od struktur wewnętrznych ciała, w taki sposób że promieniowanie zmienia swój kierunek i rozprasza się w otoczeniu. Pirometr dzięki swej budowie może mierzyć temperaturę bez względu na stan skupienia badanego ciała, zaletą jest mały błąd pomiaru oraz pomiary wysokich temperatur.
Przenikania - kiedy promieniowanie przechodzi przez ciało nie zmieniając kierunku.
SCHEMAT PROSTEGO PIROMETRU OPTYCZNEGO
Za pomocą pirometru można
oszacować temperaturę
przez porównanie jasności
świecenia w pewnym
zakresie widmowym
(obserwowanego przez filtr
lub przydymione szkło)
mierzonego ciała i
wyskalowanej żarówki.
CIECZE KRIOGENICZNE
ciekły azot
ciekły tlen
ciekły wodór
ciekły hel
Ciecze kriogeniczne są najprostszym środkiem
do uzyskania niskich temperatur
Wszystkie metody chłodzenia poniżej 10 K
wykorzystują ciekły hel
CIEKŁY AZOT
Podstawowa ciecz w kriogenice
Główny składnik atmosfery – 78,09% obj. i 75,5% wagowo
Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie
powietrza:
sprężanie - oczyszczanie -chłodzenie (wymiennik
ciepła) - rozdzielenie na poszczególne składniki
(kolumna rektyfikacyjna) - destylacja (kolumna
niskociśnieniowa)
Zastosowanie - zamrażanie żywności, obróbka metali, przechowywanie materiału biologicznego,
rozdrabnianie tworzyw sztucznych
CIEKŁY AZOT - WŁAŚCIWOŚCI
temperatura wrzenia 77,2 K (-195,8 °C )
temperatura topnienia 63,2 K (-210,0 °C )
temperatura krytyczna 126,2 K (-118,56 °C )
ciśnienie krytyczne 34,0 bar
gęstość gazu 1,2506 g/l
gęstość cieczy 0,808 kg/l
współczynnik ekspansji 696
CIEKŁY TLEN
Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie
powietrza
Skroplony w 1883 r. – Olszewski i Wróblewski
Zastosowanie – m.in. paliwo rakietowe, obecnie
nie stosuje się do chłodzenia – bardzo
reaktywny
Temperatura wrzenia wyższa niż temp. Wrzenia
azotu – wzbogacanie ciekłego powietrza w tlen
CIEKŁY TLEN - WŁAŚCIWOŚCI
bez zapachu
bez smaku
Paramagnetyczny
bezbarwny – gaz
niebieski kolor cieczy związany z budową
cząsteczki – zawiera dwa niesparowane
elektrony
CIEKŁY TLEN - WŁAŚCIWOŚCI
temperatura wrzenia - 90,1 K (-182,97 °C )
temperatura topnienia - 54,75 K (-218,40 °C )
temperatura krytyczna - 154,6 K (-118,56 °C )
ciśnienie krytyczne - 50,4 bar
gęstość gazu - 1,429 g/l
gęstość cieczy - 1,14 kg/l
współczynnik ekspansji - 853
CIEKŁY WODÓR
Najpowszechniej występujący pierwiastek we
Wszechświecie
Na Ziemi - w stanie wolnym w górnych warstwach
atmosfery (0,9%),w stanie związanym w wodzie
Izotopy:
stabilne: wodór H, deuter D (ok. 6400:1)
niestabilny: tryt T
Najlżejszy – gęstość w każdym stanie skupienia
mniejsza niż innych substancji
CIEKŁY WODÓR
Wytwarzanie:
z gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie
naftowej - konwersja katalityczna w obecności pary
wodnej
CH4 + 2H2O → CO + 3H2 + Q1
CO + H2O → CO2 + H2 + Q2
Q1, Q2 – ciepło wydzielone w reakcjach
elektroliza wody
2H2O → 2H2 +O2
CIEKŁY WODÓR - SKRAPLANIE
temperatura krytyczna ok. 200 K – przy
chłodzeniu metodą Joule’a-Thomsona należy
schłodzić do ok. 120 K
oczyszczenie z innych gazów, szczególnie tlenu
po skropleniu uniemożliwić kontakt z
powietrzem lub tlenem – możliwy wybuch.
CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI
temperatura wrzenia 20,3 K (-252,8 °C )
temperatura topnienia 14 K (-259,2 °C )
temperatura krytyczna 33,2 K (-240,0 °C )
ciśnienie krytyczne 13,2 bar
gęstość gazu 0,084 g/l
gęstość cieczy 0,071 kg/l
współczynnik ekspansji 845
CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI
Wodór gazowy – 75% ortowodoru (spiny
protonów zgodne), 25% parawodoru (spiny
protonów przeciwne) w temp. 300 K
Koncentracja równowagowa tych dwóch
składników zależy od temperatury – ze
spadkiem temperatury wzrasta koncentracja
parawodoru
W cieczy (20,4 K) jest 99,8% parawodoru
CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI
Bezpośrednio po skropleniu – 25% parawodoru
Zmiana stężenia parawodoru w czasie:
Xp = (0,25 + 0,00855*t)/(1 + 0,00855*t)
po 100 godzinach ok. 0,595 parawodoru
po 1000 godzinach ok. 0,92
CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI
Przemianie orto-para towarzyszy wydzielanie ciepła – w ciekłym wodorze występuje parowanie wywołane konwersją.
Straty cieczy: ok. 18% po 24 h i ponad 40% po 100h
Konwersja wodoru w trakcie skraplania –katalizatory, np. węgiel aktywowany, tlenki metali
Parawodór ulega rekonwersji w temp. ok. 1000 °C w obecności katalizatora
Konwersja orto-para wodoru zawartego w metalach w ultraniskich temperaturach
CIEKŁY WODÓR - ZASTOSOWANIA
Paliwo rakietowe
Ogniwa paliwowe – w reakcji z tlenem powstaje woda
Produkcja metanolu, amoniaku, nawozów sztucznych, polimerów
Przemysł spożywczy – utwardzanie tłuszczów (produkcja margaryny)
Metalurgia – redukcja rud metali, atmosfera ochronna przy spawaniu
CIEKŁY HEL
Najlepiej przebadana ciecz oprócz wody
1868 – odkrycie helu w widmie Słońca przez Pierra Jansena
20 października 1868 r. Norman Lockyerzaobserwował tę samą żółtą linię w widmie Słońca
1895 – odkrycie helu na ziemi (William Ramsey)
10 lipca 1908 – skroplenie helu (H. KamerlinghOnnes)
1947 – pierwsza komercyjna skraplarka helowa (Collins) – rozwój badań niskotemperaturowych
CIEKŁY HEL
Obecnie uzyskiwany wyłącznie z gazu ziemnego
Dwa stałe izotopy: 4He i 3He
3He: 1-2·10-7 He z gazu ziemnego i ok. 1,3·10-6 He w atmosferze
Zawartość He w powietrzu: 0,724·10-4 % wag., 5,239·10-4 % obj.
3He uzyskuje się w reakcjach jądrowych jako produkt uboczny
wytwarzania trytu
WYBRANE WŁASNOŚCI GAZÓW
KRIOGENICZNYCH
M – masa cząsteczkowa, TN – normalna temperatura wrzenia przy p=1bar, ΔHv – ciepło
parowania, ρ - gęstość, V-objętość, TC – temperatura krytyczna, PC – ciśnienie krytyczne
Indeksy: 1-ciecz w TN, 2-gaz w TN, 3-gaz przy 1 bar i 273 K, c – w punkcie krytycznym,
CIECZE KRIOGENICZNE – BHP
Zagrożenia związane z cieczami kriogenicznymi
Bardzo niska temperatura cieczy i par
Bardzo duży współczynnik ekspansji
Zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu
Zagrożenie pożarowe
BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I
PAR
Szybkie i głębokie odmrożenia podobne do oparzeń
Szczególnie narażone delikatne tkanki
Niebezpieczne zimne pary
Odzież: osłonięte całe ciało
niezbyt obcisła – możliwość szybkiego zdjęcia
spodnie bez mankietów i otwartych kieszeni
buty z cholewami nie są zalecane – nogawki na zewnątrz
w razie potrzeby osłona na twarz
BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I
PAR
Niebezpieczny kontakt z zimnymi przedmiotami
(szczególnie metale)
przymarznięcie do ciała
nie nosić biżuterii
Rękawice odpowiednio luźne – specjalne
kriogeniczne lub skórzane
ruchość materiałów
BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I
PAR. PIERWSZA POMOC
Odmrożonego miejsca nie ogrzewać gwałtownie
Nie trzeć
Nie ogrzewać na sucho, zamrożony obszar
umieścić w wodzie o temperaturze ok. 40°C
Wezwać lekarza
Dłuższe przebywanie w zimnych parach może
doprowadzić do wychłodzenia całego organizmu
– również ogrzewać powoli
BHP. WSPÓŁCZYNNIK EKSPANSJI
Z jednego litra cieczy kriogenicznej powstaje
kilkaset litrów gazu
Ciecze kriogeniczne nie mogą być
przechowywane w szczelnie zamkniętych
naczyniach – niebezpieczeństwo rozerwania
Zbiorniki ciśnieniowe – zwykle dwa zawory
bezpieczeństwa
Zbiorniki otwarte – luźno dopasowany korek
BHP. ZMNIEJSZENIE ZAWARTOŚCI TLENU W
POWIETRZU
Gazy z cieczy kriogenicznych:
Bezbarwne
bez zapachu
bez smaku
brak oznak, że dany gaz jest w powietrzu
Nie są toksyczne ale ich obecność zmniejsza zawartość tlenu – należy zapewnić odpowiednią wentylację
Minimalna zawartość tlenu w powietrzu – 19,5%
Przy zawartości tlenu poniżej 15%– może nastąpić uduszenie