Калориметр
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения тепловых потоков, например, при сжигании исследуемых веществ. Сущность: калориметр содержит измерительную ячейку с введенной в нее калориметрической бомбой. Измерительная ячейка выполнена в виде многогранника с четным числом граней и связана через преобразователь теплового потока с массивным блоком. Массивный блок выполнен в виде отдельных сегментов по числу граней измерительной ячейки, скрепленных металлическим кольцом, и помещен в изотермическую оболочку. Изотермическая оболочка выполнена в виде двух цилиндрических обечаек, между которыми размещена теплоизолирующая прокладка. Дополнительно в калориметр введен воздушный термостат, состоящий из вентилятора, установленного в канале забора воздуха, нагревателя, термометра сопротивления и усилителя. Выходной ток усилителя, увеличенный в результате небаланса, входящего в его состав мостового устройства, поступает в нагреватель, вызывая выделение тепла. При этом вентилятор прогоняет воздух сквозь нагреватель и термометр сопротивления, который балансирует мост в усилителе. Технический результат: упрощение устройства и повышение точности получаемых результатов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам для измерения тепловых потоков, например, при сжигании исследуемых веществ.
Известен калориметр, предназначенный для измерения тепловых потоков, содержащий теплоизолированный корпус с расположенными в нем измерительной и опорной ячейками, размещенными в массивном металлическом блоке и соединенными между собой через преобразователи теплового потока (Э.Кальве и А.Прат, Микрокалориметрия, М., Иностранная литература, 1963, с.37).
Наиболее близким к предложению по технической сущности и достигаемому результату является калориметр, содержащий измерительную ячейку с калориметрической бомбой, размещенную в массивном блоке и окруженную батареей дифференциальных термопар, через электроизоляционные прокладки, установленные в контакте с ячейкой и массивным блоком, причем измерительная ячейка выполнена в виде многогранника с четным числом граней, а массивный блок в виде отдельных металлических сегментов по числу ее граней, соосно которому снаружи его размещены прижимные элементы в виде двух кольцевых обойм, через резьбовые элементы образующие соединение с блоком и изотермическую оболочку (Авт. свид. SU №1774195, 07.11.1992).
Недостатками известного калориметра являются отсутствие системы активного терморегулирования, что делает невозможным вывод калориметра на заданную рабочую температуру, высокая инерционность при достижении температурного равновесия, сложность конструкции термоэлектрического преобразователя.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение инерционности калориметра, расширение диапазона рабочих температур, повышение надежности преобразователя теплового потока и упрощение устройства.
Технический результат достигается тем, что калориметр содержит измерительную ячейку с введенной в нее калориметрической бомбой, выполненную в виде многогранника с четным числом граней, связанную через преобразователь теплового потока с массивным блоком, выполненным в виде отдельных сегментов по числу ее граней, скрепленных металлическим кольцом и помещенным в изотермическую оболочку, причем в калориметр дополнительно введен воздушный термостат, состоящий из вентилятора, установленного в канале забора воздуха, нагревателя, термометра сопротивления, усилителя, а изотермическая оболочка выполнена в виде двух цилиндрических обечаек, между которыми размещена теплоизолирующая прокладка, при этом в качестве преобразователя теплового потока используют измерительный и опорный термометры сопротивления, причем измерительный термометр сопротивления расположен на наружной поверхности измерительной ячейки, грани которой через прокладки, выполненные из материала с высоким тепловым сопротивлением, прижаты к соответствующим граням металлических сегментов массивного блока, а опорный термометр сопротивления расположен на наружном диаметре металлического кольца.
На чертеже приведена структурная схема калориметра. Калориметр содержит две цилиндрические обечайки 1, 2, между которыми помещена прокладка из теплоизолирующего материала 3. В полости обечайки 2 находится массивный блок 4, внутри которого размещена измерительная ячейка 5, выполненная в виде цилиндрического многогранника, в которой расположена калориметрическая бомба 6. Сверху отверстие измерительной ячейки 5 закрыто пробкой 7, выполненной из теплоизолирующего материала, в нижней части ячейки находится прокладка 8, также выполненная из теплоизолятора. На наружной поверхности измерительной ячейки в спиральной канавке расположен измерительный термометр сопротивления 9 преобразователя теплового потока. Массивный блок 4 состоит из массивных сегментов по числу граней измерительной ячейки, имеющих развитую наружную поверхность теплообмена и выполненных из металла с высокой теплопроводностью, например из алюминиевого сплава. Сегменты массивного блока прижаты к поверхностям граней измерительной ячейки через прокладки 10. Сверху калориметр закрыт крышкой 11, имеющей отверстия для выхода нагретого терморегулятором воздуха. Воздушный терморегулятор калориметра содержит вентилятор 12, нагреватель 13, термометр сопротивления 14 и усилитель 15. Опорный термометр сопротивления 16 преобразователя теплового потока расположен на наружном диаметре металлического кольца 17, скрепляющего сегменты массивного блока 4.
Устройство работает следующим образом. При включении питания терморегулятора от электросети ≈220 В сигнал небаланса мостового устройства, входящего в состав усилителя 15, вызывает увеличение выходного тока последнего, который поступает в нагреватель 13, вызывая в нем выделение тепла. Вентилятор 12 гонит воздух сквозь нагреватель 13, развитую поверхность теплообмена массивного блока 4, термометр сопротивления 14. Поток воздуха выходит через отверстия крышки 11. Нагрев массивного блока ведется до тех пор, пока увеличение сопротивления термометра 14 не сбалансирует мост в усилителе 15. В дальнейшем терморегулятор поддерживает заданную температуру.
Благодаря активному терморегулированию и развитой поверхности теплообмена массивного блока 4 последний нагревается до заданной температуры существенно быстрее, чем при пассивном теплообмене с окружающей средой через стенки обечаек 1, 2, на которых обычно размещают нагреватели.
При сжигании исследуемого вещества в калориметрической бомбе 6, тепловой поток проходит последовательно через ее боковую поверхность, имеющую цилиндрическую форму, стенку измерительной ячейки 5, измерительный термометр сопротивления 9, через прокладки 10, выполненные из материала с высоким тепловым сопротивлением, например из нержавеющей стали, и рассеивается в массивном блоке 4. Подбор толщины прокладок 10 позволяет снизить инерционность измерительной системы калориметра по сравнению с калориметрами типа Кальве, где тепловой поток проходит к массивному блоку через измерительные термобатареи, которые имеют относительно высокое и трудно изменяемое тепловое сопротивление. Разность величин сопротивлений измерительного термометра 9 и опорного термометра сопротивления 16 преобразуется в напряжение, которое в дальнейшем интегрируют, причем интеграл теплового потока служит мерой количества теплоты, выделившейся при сжигании исследуемого вещества.
Обечайки 1, 2, между которыми размещена прокладка 3 из теплоизолирующего материала, исключают влияние нестабильности температуры окружающей среды на температуру массивного блока 4, которая регулируется воздушным термостатом 12, 13, 14, 15.
Предложенное устройство теплопроводящего калориметра позволяет, по сравнению с адиабатическими калориметрами сжигания, существенно (в 2-3 раза) уменьшить время вывода его на рабочую температуру и сократить (в 3-5 раз) время измерения количества выделившейся теплоты благодаря снижению тепловой инерционности измерительной ячейки с расположенной в ней калориметрической бомбой. Кроме того, в отличие от термоэлектрических батарей, использующихся в прототипе и аналоге, преобразователь теплового потока, состоящий из измерительного и опорного термометров сопротивления, выполненных из стандартной медной или платиновой проволоки, значительно проще в изготовлении и надежнее в эксплуатации.
1. Калориметр, содержащий измерительную ячейку с введенной в нее калориметрической бомбой, выполненную в виде многогранника с четным числом граней, связанную через преобразователь теплового потока с массивным блоком, выполненным в виде отдельных сегментов по числу ее граней, скрепленных металлическим кольцом и помещенном в изотермическую оболочку, отличающийся тем, что изотермическая оболочка выполнена в виде двух цилиндрических обечаек, между которыми размещена теплоизолирующая прокладка, дополнительно в калориметр введен воздушный термостат, состоящий из вентилятора, установленного в канале забора воздуха, нагревателя, термометра сопротивления и усилителя, выходной ток которого, увеличенный в результате небаланса входящего в его состав мостового устройства, поступает в нагреватель, вызывая выделение тепла, при этом вентилятор прогоняет воздух сквозь нагреватель и термометр сопротивления, который балансирует мост в усилителе.
2. Калориметр по п.1, отличающийся тем, что в качестве преобразователя теплового потока используются измерительный и опорный термометры сопротивления, причем измерительный термометр сопротивления расположен на наружной поверхности калориметрической ячейки, грани которой через прокладки, выполненные из материала с высоким тепловым сопротивлением, прижаты к соответствующим граням металлических сегментов массивного блока, а опорный термометр сопротивления расположен на наружном диаметре металлического кольца.
