III. 1.1.6.1 Tổn thất áp suất
X.3 LẮP ĐẶT THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ
X.3.5. Dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt trong quá trình đo nhiệt độ
Hiện tượng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt của thiết bị đo khi lắp ghép vào môi trường đo nếu không được chú ý một cách đầy đủ sẽ gây sai số rất lớn đến kết quả đo, đặc biệt nếu thiết bị đo nhiệt độ có lắp ống bảo vệ. Phương trình tổng quát của quá trình truyền nhiệt qua vật rắn là:
Q= λ.F.∆t δ trong đó: λ - hằng số dẫn nhiệt;
δ - chiều dày của tường (vật liệu);
F – diện tích truyền nhiệt;
∆t – chênh lệch nhiệt độ của chiều dày δ.
Hằng số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ và trọng lượng riêng của chất lỏng. Khi nhiệt độ tăng, hằng số dẫn nhiệt của các kim loại nói chung giảm đi một ít, ngược lại của các chất khí và lỏng tăng lên. Sau đây là hệ số dẫn nhiệt của một số chất thường gặp ở 200C (xem bảng 10.6).
Bảng 10.6:Hệ số dẫn nhiệt của một số chất thường gặp ở 200C Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt (kcal/m2h.độ
Bạc 360
Đồng 300 ÷ 320
Nhôm 175 ÷ 195
Đồng thau 70 ÷ 100
Niken 60
Thép chịu nhiệt 40 ÷ 50
Thép không gỉ 13
Thủy tinh 0,4 ÷ 0,9
Nước 0,5
Cao su 0,1 ÷ 0,2
Gỗ 0,1 ÷ 0,3
Để giữ cho sự dẫn nhiệt của ống bảo vệ đến môi trường xung quanh nhỏ người ta sử dụng các vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, ví dụ thép hợp kim, đồng thời cố gắng làm ống bảo vệ có chiều dày nhỏ nhất, chỉ vừa đủ chống được tải trọng cơ học và hóa học mà thôi.
Mất mát nhiệt vì hiện tượng dẫn nhiệt, nhất là khi có ống bảo vệ, sẽ làm cho nhiệt độ vùng đầu cảm bị khác đi. Sai số do dẫn nhiệt của ống bảo vệ gây ra có thể dựa vào sự tính toán cân bằng nhiệt của ống bảo vệ. Công thức tính toán là:
( )
d t t ct
t t t t t 1
ch(L. .u) .F
∆ = − = −
α λ trong đó:
td – nhiệt độ đúng của khí cần đo khi không có dẫn nhiệt;
tt – nhiệt độ của nhiệt kế chỉ;
tct – nhiệt độ của thành ống chứa khí đo;
L – chiều dài của ống bảo vệ tính theo mét;
α - hệ số truyền nhiệt từ môi chất đến ống bảo vệ;
λ - hệ số dẫn nhiệt của ống bảo vệ;
u – chu vi của ống: u = πd tính theo mét, d là đường kính ngoài của ống bảo vệ;
F – diện tích mặt cắt ngang của ống.
Nếu đưa vào công thức trên chiều dày của thành ống tính theo mét thì nó sẽ có dạng sau:
( t ct) 1
t t t
ch(L. ) .
∆ = −
α λ δ ch – hàm số cosin hyperbol có dạng như sau:
ch(x)=
x x
e e 2 + −
ở đây:
x L. .
= α
λ δ
Các giá trị của hàm số cosin hyperbol khi có giá trị x có thể tìm thấy trong các bảng tính.
Để thấy rõ ảnh hưởng của sự dẫn nhiệt đến kết quả đo ta lấy một thí dụ sau: Đo nhiệt độ của dòng khí lưu động với tốc độ 1m/s, ống bảo vệ nhiệt kế chế tạo từ thép có đường kính d = 10 mm, chiều dày của ống bảo vệ σ = 1 mm và chiều dài L = 100 mm.
Nhiệt kế chỉ tt = 1000C và nhiệt độ của thành ống dẫn tct = 700C. Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của thép là λ = 50 kcal/m.h.độ và hệ số truyền nhiệt lấy là 34,6 kcal/m2.h.độ. Dựa vào công thức tính sai số ở trên ta sẽ tính được: ∆t = 4,30C.
Song nếu hệ số truyền nhiệt được tăng lên (dòng chảy có tốc độ lớn) α = 500 kcal/m2.độ, sai số gặp phải sẽ là: ∆t = 0,0030C.
Ngoài sai số do dẫn nhiệt khi đo nhiệt độ cao còn gặp sai số do bức xạ nhiệt gây ra.
Do hiện tượng bức xạ của đầu cảm hoặc của ống bảo vệ làm cho nhiệt độ đầu cảm giảm nhỏ. Sai số do bức xạ gây ra được tính theo công thức sau:
4 4
t ct
d t
C T T
T T T
100 100
∆ = − = α ÷ − ÷
trong đó:
Td – nhiệt độ môi chất khi không có bức xạ theo K;
Tt – nhiệt độ của nhiệt kế chỉ theo K;
α - hệ số truyền nhiệt từ môi chất đo đến vật gây ra bức xạ;
C – hệ số bức xạ quy dẫn, tính như sau:
1 2
1 2 s
C 1
1 F 1 1
C F C C
= + − ÷
ở đây: C1 – hệ số bức xạ của bề mặt ống bảo vệ;
C2 – hệ số bức xạ của ống dẫn khí cần đo;
Cs – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối;
F1 – diện tích mặt ngoài của vật bức xạ (ống bảo vệ);
F2 – diện tích mặt trong của ống gây dòng chảy.
Sai số do bức xạ gây ra tỷ lệ với bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối, cho nên nó rất lớn, đặc biệt khi nhiệt độ giữa đầu cảm của ống bảo vệ và thành ống dẫn có chênh lệch lớn. Vì vậy, trong nhiều trường hợp ta phải có biện pháp bảo vệ đầu cảm của nhiệt kế chống hiện tượng bức xạ. Hình 10.39 chỉ kết cấu của ống bảo vệ chống bức xạ. Ống bảo vệ chống bức xạ thường bao gồm một hoặc nhiều ống đặt song song với dòng chảy và đồng tâm với đầu cảm của nhiệt kế. Hệ số tỏa nhiệt của ống này rất nhỏ (ví dụ làm bằng thép hợp kim mạ crom bóng). Ngoài ra nếu nhiệt độ của thành ống dẫn khí nhỏ hơn nhiệt độ của môi chất quá nhiều, người ta phải có các biện pháp nâng cao nhiệt độ của ống dẫn, ví dụ
Hình 10.39: Kết cấu ống bảo vệ có ống chống bức xạ.
Hình 10.40: Sức ỳ của thiết bị chỉ ở quá trình đốt nóng và làm lạnh.
có cơ cấu hâm nóng ống dẫn. Cái khó ở đây là phải đảm bảo nhiệt độ thành ống dẫn bằng nhiệt độ môi chất, không được phép lớn
hơn, cho nên phải có cơ cấu kiểm tra nhiệt độ ống dẫn, người ta thường lắp cặp nhiệt ngẫu để kiểm tra nhiệt độ thành ống dẫn.
Thường lắp dây điện trở quấn quanh ống dẫn để hâm nóng nó. Dòng điện chạy qua dây điện trở phải điều chỉnh được để khống chế nhiệt độ của thành ống.