Способ измерения удельной теплоемкости веществ и устройство для его осуществления

 

Союз Советсква

Соцмвлмстмческмд республик

О П И СА"Н -И- -"Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

<1 785703

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 2?0173 (21) 2717310/18-25 (51)М. Кл.3

6 01 и 25/20 с присоединением заявки Нов Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий (23) ПриоритетОпубликовано 0712,80, Бюллетень Hо 45 (53) УДК 563.63 088. 8) Дата опубликования описания 07.1280 (72) Авторы изобретения

B.М.Козин, Е.С.Платунов, B.Â.Курепин и А.В.Макеев (7Я)Заявитель Ленинградский технологический институт холодильной промышленности (9ф) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВЕЩЕСТВ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области теплофиэического приборостроения и применяется для исследования температурной зависимости удельной тепло емкости веществ в диапазоне температур от -150 до 400 С, в том числе жидкостей до давлений 15 МПа.

Известны способы для измерения удельной теплоемкости веществ, работающих по адиабатичесному методу непрерывного нагрева

В них адиабатическая оболочка со всех сторон окружает образец (стакан,с исследуемам веществом), и разогрев производится нагрева- т5 телем, введенным внутрь образца.

Измеряются скорость разогрева и мощность нагревателя. Он сравнительно легко реализуется для твердых материалов, но применение его для 29 жидкостей связано с трудностью конструктивного выпОлнения адиабатической оболочки. Для заполнения ампулы жидкостЬю и передачи на жид-. кость высокого давления необходиьы 2з подводящие трубки, которые представляют собой сильные тепловые мосты.

В связи с этим в способах измерения теплоемкости жидкостей стремятся включить проводимость подводящих 30 трубок в проводимость тепломера, а последнюю определить из градуировочных опытов.

Ближайшим техническим решением является способ измерения теплоемкости, в котором удельная теплоемкость измеряется путем монотонного разогрева ампулы с веществом и замера температурного перепада на. тепло-, мере и скорости -разогрева ампулы.

Тепловая связь ампулы с нагревателем осуществляется только через тепломер. Незакрытые тепломером участки поверхности ампулы отделены от среды адиабатической оболочкой (2).

Недостатком способа является относительно невысокая точность измерений, которая определяется погрешностью за счет нестабильности тепломера. Способ является относительным, так как для градуировки тепломера необходимо образцовое вещество с известной теплоемкостью. Данный способ очень трудно применить к жидкостям из-за отсутствия образцовых жидкостей в широком диапазоне температур и давлений.

Целью предлагаемого изобретения является повыаение точности измерений.

785703

55 (2) откуда (к с1 т1, 1р а) где С

lll Ь т

Поставленная цель достигается тем, что к ампуле с веществом подводят измеряемый дополнительный тепловой поток, равный произведению скорости разогрева ампулы и полной теплоемкости ампулы с веществом, а 3 также тем, что в устройстве на боковой цилиндрической поверхности ампулы размещается дополнительный нагреватель> находящийся в тепловом контакте с ампулой и выполненный, например в виде пяти последовательно соединенных секций провода, армированных двухканальными керамическими трубками, вмазанными в пазы боковой цилиндрической поверхности ампулы.

Монотонный режим нагрева реализуется обычно в устройствах, имеющих массивное, состоящее иэ ряда металлических деталей ядро, окруженное теплозащитной оболочкой. В установившемся режиме все детали ядра разог- 311 реваются с примерно одинаковой скоростью Ь. Со скоростью Ь разогревается и ампула с исследуеьым веществом, на ее разогрев идет поток рав)

0= Ь(С +С) а > (1)

25 где (; и С вЂ” полные теплоемкости ампулы и заполняющего ее вещества.

Именно такой постоянный для всего опыта поток и подается в ампулу дополнительным нагревателем. Тогда через тепломер будет протекать к ампуле или от нее лишь незначительная часть потока (1), определяемая неточностью задания величины теплоемкости вещества С. Учитывая, что объем ампулы постоянный, а объемные теплоемкости различных веществ Ср различаются в пределах (20-30)Ф, то поток через тепломер не будет 40 превышать 5-10 Ъ от потока (1). Естественно, что при этом точность измерения теплоемкости будет в большой степени определяться точностью измерения электрической мощности s 4 дополнительном нагревателе. Мощность измеряется по измеренным значениям тока и напряжения на потенциальных выводах нагревателя. Именно зто обстояТельство определяет повышение 0 точности всего способа. Расчетная формула получается из уравнения теплового баланса: (GhI++G)%=К Я +INI удельная теплоемкость вещества; теплоемкость ампулы (включающая теплоемкость дополнительного нагревателя); масса вещества в ампуле; скорость разогрева ампулы, постоянная тепломерар.

Ч - мощность дополнительного нагревателя1

Ч - температурный перепад в тепломере.

Удельная теплоемкость вещества рассчитывается по формуле (2). В опыте измеряются величины V., у °

Ь, Ч „ а постоянные К и С определяются градуировкой. Прй градуировке проводятся два опыта с пустой ампулой: первый опыт без дополнительного нагревателя, а второй с включенным дополнительным нагревателем.

Са )„= К Ч

Са +g «» Юо1 (ЧУ ° от куда 11 е

- ч т1 — у с 4 о ф «Чти () чу

Дополнительный нагреватель органически входит в устройство. Он смонтирован постоянно в ампуле и используется как в градуировочных, так и в рабочих опытах. Его теплоемкость учитывается при градуировке как составляющая постоянной С „. Градуировочный опыт проводится прй помощи дополнительного нагревателя, равной

Q b С, при котором поток через тепломер будет близок к нулю.

На чертеже изображено устройство для осуществления предложенного способа, где 1 — термопара, 2 — термопара> 3 — нагревательный блок; 4 трубка для заливки жидкости; 5 — основание, б - нагреватель адиабатической облочки, 7 — термопара, 8— адиабатическая оболочка 9 — ампула для исследуемого вещества 10 — дополнительный нагреватель, 11 — термобатарея 12 — трубка для промывки ампулы, 13 — основной нагреватель, 14 - теплозащитная оболочка.

Устройство состоит из массивного металлического ядра и теплозащитной оболочки 14 Ядро состоит иэ герметичной ампулы 9, в которую заливается исследуемая жидкость, основания 5,. нагревательного блока 3 и адиабатической оболочки 8. Ампула 9 припаяна к основанию 5. Основной нагреватель 13, обеспечивающий разогрев ядра с примерно постоянной скоростью, расположен в нагревательном блоке 3. Дополнительный нагреватель 10 монтируется в пазах на боковой цилиндрической поверхности ампулы. Трубки 4 и 12 используются для заливки жидкости и промывки ампулы после опыта. Термобатарея 11 служит для измерения перепада температуры на тепломере. Две термопары 1 и 2 в ампуле используются для измерения скорости нагрева ампулы и регулирования температуры адиабатической оболочки 8. На боковой поверхност

785 703 адиабатической оболочки размещается нагреватель 6, а внутри боковой стенки оболочки — термопара 7. Ампула выполнена из медноникелевого сплава, обладающего высокой теплопроводностью H Gpoчностью. Кроме того,она имеет семь соединенных между собой каналами секций для увеличения прочности при высоком давлении и обеспечения лучшего соотношения между полными теплоемкостями исследуемого вещества С и амПулы Сз. Чем вьые это отношение,. тем меньше при прочих равных условиях погрешность измерения теплоемкости.

Дополнительный нагреватель выполнен в виде пяти последовательно соединенных отрезков провода, армированных двухканальными керамическими трубками. Допускается и любое другое выполнение дополнительного нагревателя, важно лишь, чтобы между ампулой и нагревателем осу,ществлялся хороший тепловой кон" такт и можно было бы считать в целом температурное поле ампулы с жидкостью и нагревателем равномерным.

Рабочим слоем тепломера является слой нержавеющей стали между горячими и холодными спаями шестиспайной термобатареи 11.

Работает устройство следующим образом. Через трубку 12 заполняют ампулу 9 исследуемой жидкостью до тех пор, пока она начнет выливаться из трубки 4. Трубку 4 закрывают,а через трубку 12 создают и поддерживают в ампуле необходимое давление. Затем охлаждают ядро калориметра жидким азотом до -150©С и включают основной нагреватель 13. На дополнительном нагревателе устанавливают мощность в соответствии с выражением (1) .

По показаниям тепломера значение мощности можно подкорректировать и в дальнейшем не менять. В процессе разогрева на различных температурных уровнях проводят измерение перепада температуры на тепломере, скорости нагрева ампулы и, используя значение мощности дополнительного нагревателя, по формуле (2) рассчитывают> теплоемкость исследуемого вещества.

Преимуществом предложенного способа и устройства для измерения . удельной теплоемкости веществ по сравнению с прототипом является воэможность уменьшить погрешность на

2-3%, возникающую за счет нестабильности тепломера. Кроме того, появляФормула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Кириллин В.A.I Шейндлин А.Е.

Исследование термодинамических свойств веществ. М., Госэнергоиэдат, 1963, с. 336.

$5 2. Платунов Е.С.Теплофиэические измерения в монотонном режиме. М.-л., Энергия, 1973, с.35-42.

1$

2S

45 ется возможность градуиронки устрой-, ства беэ образцового вещества, т. е. переход от относительных к абсолютным измерениям. Результатом является повышенная точность измерений и широкий диапазон температур, который не ограннчивается наличием образцовых жидкостей.

Предложенные .способ и устройсто могут найти применение при создании проваленных образцов теплофиэических приборов. Описанное устройство целиком пригодно для исследования твердых и дисперсных материалов. Б этом случае необходимо открыть .секции на верхнем торце ампулы для загрузки вещества и убрать трубки.

1 ° Способ измерения удельной теплоемкости веществ путем монотонного разогрева ампулы с веществом и замера температурного перепада на тепломере и скорости разогрева ампулы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, к ампуле с веществом подводят измеряемый дополнительный тепловой поток, равный произведению скорости разогрева ампулы и полной теплоемкости ампулы с веществом.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее теплозащитиую оболочку, нагревательный блок, исследуемое вещество в ампуле с двумя термопарами, окруженной сверху и с боков аднабатической оболочкой, и связанной нижним торцом через еепломер с нагревательным блоком, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что на боковой цилиндрической поверхности ампулы размещен дополнительный нагреватель, находящийся в тепловом контакте с ампулой и выполненный в виде последовательно соединенных секций, армированных двухканальными керамическими трубками, вмазанными в пазы боковой цилиндрической поверхности ампулы.

785703

Составитель В.Курепин

Редактор Н.Ахмедова Техред М.Петко Корректор С.Шекмар

Заказ 8830/44 Тираж 1019 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035,Москва,Ж-35,Раушская наб.,д.4/5 филиал ППП "Патент",г.ужгород,ул.Проектная,4