Результат интеллектуальной деятельности: КАЛОРИМЕТР ПЕРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ (ВАРИАНТЫ)

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 (Т_а=const, где Т_а - температура оболочки), либо устраняет теплообмен - адиабатическая оболочка (Т_а=Т_с, где Т_с - 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 Т_а 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 Т_а вычисляется по формуле

,

где Т_а - температура оболочки для вычисления измеренного количества теплоты по методу теплового эквивалента;

T_i - показания i-го термометра оболочки;

S_i - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром T_i;

α_i - коэффициент теплообмена поверхности S_i.

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 Т_а=const, где Т_а - температура оболочки, вычисляемая по показаниям всех термометров калориметрической оболочки по формуле

,

где T_i - показания i-го термометра оболочки;

S_i - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром T_i;

α_i - коэффициент теплообмена поверхности S_i.

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 Т_а=Т_с, где Т_с - температура калориметрического сосуда, Т_а - температура оболочки, вычисляемая по показаниям всех термометров калориметрической оболочки по формуле

,

где T_i - показания i-го термометра оболочки;

S_i - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром T_i;

α_i - коэффициент теплообмена поверхности S_i,

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 α_i поверхности S_i обратно пропорциональна расстоянию между поверхностями теплообмена, так как согласно теории теплообмена вектор плотности теплового потока направлен по нормали к изотермической поверхности (S_i) 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 α_i для каждого термометра определяется по геометрическим размерам калориметрического сосуда и оболочки.

В первом варианте изобретения точное значение температуры оболочки Т_а будет использовано непосредственно в расчете измеренного количества теплоты. Во втором варианте изобретения точное значение температуры оболочки Т_а будет использовано терморегулятором для стабилизации температуры изотермической оболочки (для расчета количества теплоты по методу теплового эквивалента в калориметре с изотермической оболочкой при Т_а=const значения Т_а не требуется). В третьем варианте изобретения в калориметре с адиабатической оболочкой точное значение температуры оболочки Т_а будет использовано для регулирования ее температуры таким образом, чтобы температура поверхности калориметрического сосуда Т_с и температура поверхности оболочки Т_а 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 Т_с. 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 Т_с) и по данным о температуре калориметрической оболочки - величина Т_а, 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 Т_с и о температуре калориметрической оболочки по термометрам T₁, Т₂ и Т₃. Затем вычисляют точную температуру оболочки Т_а по вышеприведенной формуле. Вычислительный блок в первом варианте изобретения использует температуру Т_с и Т_а для расчета результата калориметрического опыта. Во втором и третьем вариантах изобретения точное значение температуры оболочки Т_а используется терморегулятором либо для стабилизации температуры изотермической оболочки, либо для выравнивания температур поверхности калориметрического сосуда Т_с и поверхности адиабатической оболочки Т_а.

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.