Анализ эффективных способов измерения температуры в холодильной технике и энергетическом машиностроении

Современная теплотехника характеризует инженерную область, охватывающую различные машины и аппараты для преобразования и использования тепловой энергии. Устройства и агрегаты теплотехники могут быть классифицированы в зависимости от температуры преобразования энергии на две большие области – область энергетических установок (температура выше комнатной) и область холодильной и криогенной техники (температура ниже комнатной).

К первой области относятся различные машины для преобразования энергии (двигатели внутреннего сгорания, паротурбинные и газотурбинные установки), обогревательные элементы, промышленные печи и тепловые насосы. Ко второй области относятся холодильные и морозильные камеры, ожижители воздуха, криогенные установки, системы кондиционирования воздуха.

С точки зрения технической термодинамики процессы, протекающие в этих установках, имеют сходную физическую природу, протекают со сходными закономерностями.

Однако уровни температур определяют в том числе и специфические особенности, уникальные для каждой из двух областей. Данные сходства и различия можно показать на примере используемых для этих двух областей техники способов измерения температуры.

Целью настоящей работы является анализ различных способов измерения температуры, применяемых в холодильной технике и энергетическом машиностроении, поиск наиболее оптимальных и эффективных технических решений.

Температура является основным исследуемым параметром измерений в теплотехнике [1]. От уровня температуры зависит эффективность работы машины (чем выше температура, тем больше КПД цикла Карно – основного силового цикла для энергетического машиностроения, и наоборот, чем ниже температура, тем эффективнее осуществляется охлаждение в холодильной технике). Температура представляет собой меру кинетической энергии хаотического движения молекул тела. Чем выше кинетическая энергия – тем больше температура.

Физически большинство методов измерения температуры (кроме метода пирометрии) построены на измерении воздействия энергии молекул тела на другие тела [2]. При этом происходит обмен энергией между телами, благодаря которому чувствительный элемент средства измерения меняет свои свойства. По изменению этих свойств и судят о величине температуры.

Основными средствами измерения температуры являются средства, основанные на следующих принципах:

• изменение объема тела при нагревании;
• возникновение термо-ЭДС;
• изменение электрического сопротивления;
• изменение оптической светимости.

Рассмотрим ниже данные средства измерений и произведем анализ применимости тех или иных методов к областям холодильной техники и энергетического машиностроения.

Изменение объема тела при нагревании. На этом принципе основаны ртутные и жидкостные термометры, газовые манометры, биметаллические термометры. Данный класс термометров может быть использован как в холодильной технике, так и в энергетическом машиностроении, однако в настоящее время распространен только в лабораторной практике. При эксплуатации машин и установок данные термометры применяются редко по причине их хрупкости, возможности разгерметизации, относительной неточности измерения параметров.

Возникновение термо-ЭДС. На этом принципе основаны современные термопары.

Технически термопара представляет собой два разнородных проводника, спаянные с двух концов. При помещении спаев в различные температуры возникает эффект Зеебека, проявляющийся в возникновении термо-ЭДС между концами. Величина термо-ЭДС зависит от разности температур – чем больше разность, тем больший ток течет по проводникам. По величине силы тока делают вывод о перепаде температур между спаями.

Данный способ в настоящее время распространен в энергетическом машиностроении, где можно наблюдать значительные перепады температур.

В холодильной и криогенной технике величина термо-ЭДС будет являться слишком малой для ее точного измерения. Данный факт ограничивает распространение термопар в холодильной технике.

Изменение электрического сопротивления. На данном эффекте построено применение термометров сопротивления. В современной технике наиболее распространены полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы. Различают термисторы двух типов: NTC (Negative Temperature Coefficient) и PTC (Positive Temperature Coefficient). У NTC-термисторов сопротивление уменьшается при увеличении температуры.

Они применяются для измерений низких температур вплоть до -50 °С. PTC-термисторы могут быть использованы для измерений температур 300 °С и выше. Таким образом, в зависимости от типа термисторы могут быть успешно использованы как в области энергетических установок, так и в области холодильной техники.

Изменение оптической светимости. Данный принцип лег в основу применения пирометров для измерения температуры. Этот способ применим только при значительных (свыше 1200 С) температурах поверхности тел. В холодильной технике данный способ применения не нашел, т.к. тепловое излучение при низких температурах лежит в оптически невидимом инфракрасном спектре.

Обобщим результаты исследования в таблице 1.

Таблица 1.

Применение средств измерения температуры в холодильной технике и энергетическом машиностроении

Таким образом, из всех способов измерения температуры, пригодных для работы в двух областях теплотехники  - области энергетических установок и области холодильной и криогенной техники – наиболее перспективно в настоящее время является применение термометров сопротивления полупроводникового типа (термисторов). Данный способ является наиболее универсальным, не требует значительных затрат средств и ресурсов, позволяет получить точные результаты измерения температуры.