Калориметр переменной температуры (варианты)
Изобретение относится к области исследования свойств материалов с помощью калориметрических измерений и может быть использовано в калориметрах переменной температуры. Предложены три варианта калориметра переменной температуры, содержащего заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой для проведения исследуемого процесса, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда и вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты по методу теплового эквивалента. Во всех вариантах калориметра на калориметрической оболочке дополнительно установлены датчики температуры, что позволяет осуществлять точное измерение температуры оболочки благодаря суммированию показаний всех термометров на ней. Во втором варианте изобретения калориметрическая оболочка выполнена изотермической, в третьем - адиабатической, и калориметр оснащен терморегулятором оболочки. Технический результат - повышение точности калориметрических измерений. 3 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области исследования свойств материалов с помощью калориметрических измерений и может быть использовано в калориметрах переменной температуры, в которых мерой количества теплоты является изменение температуры калориметра.
Калориметры переменной температуры состоят из двух основных частей: калориметрического сосуда, наполненного жидкостью (в который помещают камеру для проведения исследуемого процесса), и калориметрической оболочки. Оболочка окружает калориметрический сосуд и либо обеспечивает определенные условия теплообмена калориметрического сосуда со средой - изотермическая оболочка (Та=const, где Та - температура оболочки), либо устраняет теплообмен - адиабатическая оболочка (Та=Тс, где Тс - температура калориметрического сосуда) (Колесов В.П. Основы термохимии. М., Изд-во МГУ, 1996, 205 с.).
Количество теплоты, выделившееся в опыте, вычисляют по методу теплового эквивалента, согласно которому изменение температуры калориметрического сосуда (с поправкой на теплообмен сосуда и оболочки) прямо пропорционально измеряемой тепловой энергии, а коэффициент пропорциональности - тепловой эквивалент, определяют градуировкой калориметра (Васильев Я.В., Мацкевич Н.И. Тепловой эквивалент линейных калориметрических систем. - В сб. Калориметрия в адсорбции и катализе. Сборник научных трудов, Новосибирск, ИК СО АН СССР. 1984, с.90).
При проведении калориметрических измерений требуется знание температуры оболочки Та либо для определения поправки на теплообмен сосуда и оболочки, что используется в расчетах, либо для управления температурой оболочки.
Известен ближайший к заявляемому изобретению по назначению и достигаемому результату бомбовый калориметр переменной температуры для определения теплоты сгорания топлива (и его варианты), содержащий заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой (с бомбой) для проведения исследуемого процесса, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда (во всех вариантах калориметра-прототипа), датчик температуры калориметрической оболочки (2-й, 3-й и 5-й вариант калориметра-прототипа) и вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты по методу теплового эквивалента в функции либо (в соответствии с вариантом) только от температуры калориметрического сосуда, либо в функции от температуры калориметрического сосуда и калориметрической оболочки. Калориметрическая оболочка в 4-м варианте калориметра-прототипа выполнена изотермической, в 5-м варианте - адиабатической (RU 2334961, G01K 17/00, G01N 25/20, 27.09.2008).
Недостатком калориметра, выбранного за прототип, является недостаточная точность калориметрических измерений, так как отдельные части калориметрической оболочки имеют разную температуру, хотя и изготовлены из высокотеплопроводного материала. Особенно заметно отклонение температуры крышки оболочки, через которую осуществляется доступ в калориметрический сосуд.
Задачей заявляемого изобретения является разработка калориметра переменной температуры, который позволит повысить точность калориметрических измерений.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым калориметром переменной температуры, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой для проведения исследуемого процесса, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, датчик температуры калориметрической оболочки и вычислительный блок для определения количества теплоты в функции от температуры калориметрического сосуда и калориметрической оболочки по методу теплового эквивалента, в котором, согласно изобретению, калориметрическая оболочка снабжена дополнительными датчиками температуры, а вычислительный блок выполнен с реализацией указанной функции по показаниям всех термометров на калориметрической оболочке, для чего температура оболочки Та вычисляется по формуле
,
где Та - температура оболочки для вычисления измеренного количества теплоты по методу теплового эквивалента;
Ti - показания i-го термометра оболочки;
Si - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром Ti;
αi - коэффициент теплообмена поверхности Si.
Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым калориметром переменной температуры, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой для проведения исследуемого процесса, окруженный изотермической калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда и вычислительный блок для определения количества теплоты в функции от температуры калориметрического сосуда по методу теплового эквивалента, в котором, согласно изобретению, на изометрической калориметрической оболочке установлены термометры в количестве не менее двух, при этом калориметр оснащен терморегулятором оболочки с реализацией функции управления Та=const, где Та - температура оболочки, вычисляемая по показаниям всех термометров калориметрической оболочки по формуле
,
где Ti - показания i-го термометра оболочки;
Si - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром Ti;
αi - коэффициент теплообмена поверхности Si.
Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым калориметром переменной температуры, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой для проведения исследуемого процесса, окруженный адиабатической калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, датчик температуры адиабатической калориметрической оболочки и вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты по методу теплового эквивалента, в котором, согласно изобретению, адиабатическая калориметрическая оболочка снабжена дополнительными датчиками температуры, при этом калориметр оснащен терморегулятором оболочки, выполненным с реализацией функции управления Та=Тс, где Тс - температура калориметрического сосуда, Та - температура оболочки, вычисляемая по показаниям всех термометров калориметрической оболочки по формуле
,
где Ti - показания i-го термометра оболочки;
Si - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром Ti;
αi - коэффициент теплообмена поверхности Si,
а вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты выполнен в функции от температуры калориметрического сосуда.
Все предложенные варианты изобретения обеспечивают повышение точности измерений за счет точного измерения температуры оболочки с помощью дополнительно установленных термометров и суммирования их показаний по вышеприведенной формуле. С достаточной для практики точностью можно принять, что величина коэффициента теплообмена αi поверхности Si обратно пропорциональна расстоянию между поверхностями теплообмена, так как согласно теории теплообмена вектор плотности теплового потока направлен по нормали к изотермической поверхности (Si) и его положительное направление совпадает с направлением убывания температуры (В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. Теплопередача М., Энергоиздат, 1981, с.10). Таким образом, коэффициенты αi для каждого термометра определяется по геометрическим размерам калориметрического сосуда и оболочки.
В первом варианте изобретения точное значение температуры оболочки Та будет использовано непосредственно в расчете измеренного количества теплоты. Во втором варианте изобретения точное значение температуры оболочки Та будет использовано терморегулятором для стабилизации температуры изотермической оболочки (для расчета количества теплоты по методу теплового эквивалента в калориметре с изотермической оболочкой при Та=const значения Та не требуется). В третьем варианте изобретения в калориметре с адиабатической оболочкой точное значение температуры оболочки Та будет использовано для регулирования ее температуры таким образом, чтобы температура поверхности калориметрического сосуда Тс и температура поверхности оболочки Та сравнялись, исключая тем самым теплообмен между ними.
На фигуре схематически изображен бомбовый калориметр по предлагаемому изобретению. В калориметрический сосуд 1 помещена камера для проведения исследуемого процесса 2 (например, калориметрическая бомба). Калориметрический сосуд 1 заполнен жидкостью 3 и снабжен мешалкой 4, имеющей магнитный привод 5. На поверхности 6 калориметрического сосуда 3 установлен термометр Тс. Калориметрический сосуд 1 окружен калориметрической оболочкой 7 с крышкой 8. На калориметрической оболочке установлены термометры T1, T2 и Т3 для измерения ее температуры. Вычислительный блок 9 служит для вычисления выделившейся теплоты по методу теплового эквивалента по данным о температуре калориметрического сосуда (по термометру Тс) и по данным о температуре калориметрической оболочки - величина Та, вычисляемая по данным термометров оболочки Т1, Т2 и Т3.
Калориметр согласно изобретению работает следующим образом.
Проводят калориметрический опыт обычным образом и регистрируют данные о температуре калориметрического сосуда Тс и о температуре калориметрической оболочки по термометрам T1, Т2 и Т3. Затем вычисляют точную температуру оболочки Та по вышеприведенной формуле. Вычислительный блок в первом варианте изобретения использует температуру Тс и Та для расчета результата калориметрического опыта. Во втором и третьем вариантах изобретения точное значение температуры оболочки Та используется терморегулятором либо для стабилизации температуры изотермической оболочки, либо для выравнивания температур поверхности калориметрического сосуда Тс и поверхности адиабатической оболочки Та.
Таким образом, предложен калориметр переменной температуры (варианты), который за счет точного измерения температуры оболочки с помощью дополнительно установленных термометров и суммирования их показаний позволяет существенно повысить точность калориметрических измерений.
1. Калориметр переменной температуры, содержащий заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой для проведения исследуемого процесса, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, датчик температуры калориметрической оболочки и вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты в функции от температуры калориметрического сосуда и калориметрической оболочки по методу теплового эквивалента, отличающийся тем, что калориметрическая оболочка снабжена дополнительными датчиками температуры, а вычислительный блок выполнен с реализацией указанной функции по показаниям всех термометров калориметрической оболочки, для чего температура оболочки вычисляется по формуле
,
где Та - температура оболочки для вычисления измеренного количества теплоты по методу теплового эквивалента;
Ti - показания i-го термометра оболочки;
Si - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром Ti;
αi - коэффициент теплообмена поверхности Si.
2. Калориметр переменной температуры, содержащий заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой для проведения исследуемого процесса, окруженный изотермической калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда и вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты в функции от температуры калориметрического сосуда по методу теплового эквивалента, отличающийся тем, что на изотермической калориметрической оболочке установлены термометры в количестве не менее двух и калориметр оснащен терморегулятором оболочки, выполненным с реализацией функции управления Та=const, где Та - температура оболочки, вычисляемая по показаниям всех термометров калориметрической оболочки по формуле
,
где Ti - показания i-го термометра оболочки;
Si - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром Ti;
αi - коэффициент теплообмена поверхности Si.
3. Калориметр переменной температуры, содержащий заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой для проведения исследуемого процесса, окруженный адиабатической калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, датчик температуры адиабатической калориметрической оболочки и вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты по методу теплового эквивалента, отличающийся тем, что адиабатическая калориметрическая оболочка снабжена дополнительными датчиками температуры, калориметр оснащен терморегулятором оболочки, выполненным с реализацией функции управления Та=Тс, где Тс - температура калориметрического сосуда, Та - температура оболочки, вычисляемая по показаниям всех термометров калориметрической оболочки по формуле
,
где Ti - показания i-го термометра оболочки;
Si - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром Ti;
αi - коэффициент теплообмена поверхности Si,
а вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты по методу теплового эквивалента выполнен в функции от температуры калориметрического сосуда.
