Калориметрическая ячейка для определения теплоты реакции реакционной энергетической фольги с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
CALORIMETRIC CELL FOR DETERMINING THE HEAT OF REACTION OF REACTIVE ENERGETIC FOIL WITH THE EFFECT OF SELF-PROPAGATING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS

Изобретение относится к области измерения количества тепла - калориметрии горючих материалов - устройствам для определения теплоты реакции, выделяемой при горении материалов, в частности теплоты реакции реакционной энергетической фольги с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Фольга, состоящая из многослойных пленок типа Ni/Al, Ti/Al, Pt/Al, Pd/Al, Zr/C, Hf/C и т.п. с толщиной отдельных слоев в единицы нм и общей толщиной в десятки мкм обладает эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Суть СВС в следующем - при воздействии на край фольги локального импульса энергии (от источника постоянного тока, или от пятна лазерного излучения) происходит вспышка фольги и по ее длине и объему распространяется так называемый фронт безгазового горения со скоростью (2-10) м/с. Температура фольги повышается до нескольких тысяч градусов Цельсия в течении долей секунд с выделением значительного количества тепла. Так, например, температура вспышки фольги Ni/Al составляет 1639°С, а температура вспышки фольги Hf/C составляет 3830°С (см. T.P. Weihs. Fabrication and characterization of reactive multilayer films and foils. DOI:10.1533/9780857096296.1.160). Важнейшим параметром такой реакционной энергетической фольги с эффектом СВС (далее СВС фольги) является количество тепла реакции, выделяемой фольгой, которая выражается в единицах Дж/г. Тепло реакции - теплота сгорания СВС фольги зависит от состава фольги, конструктивно-технологических факторов ее изготовления и поэтому необходим инструмент для ее определения.
Известна калориметрическая ячейка-калориметр классического типа представляющее собой устройство, состоящее из следующих основных частей: термостата с крышкой, калориметрического сосуда, наполненного водой и помещенного в термостат, калориметрической «бомбы» с контактными проводами цепи зажигания и помещенной в калориметрический сосуд с водой в которой размещены мешалка и измеритель температуры [1]. Горючее вещество (например, навеску угля) помещают во внутрь калориметрической «бомбы», далее туда под давлением закачивают кислород, «бомба» помещается в термостат, заполненный водой, который в свою очередь помещается в калориметрический сосуд. Вода в термостате перемешивается мешалкой, а температура измеряется термометром. При помощи проволочного резистивного нагревателя, расположенного внутри калориметрической «бомбы», производится зажигание навески угля, происходит ее сгорание и нагрев калориметрической «бомбы», которая отдает тепло воде, расположенной в калориметрическом сосуде. Вода нагревается и по разнице температур после и до реакции сгорания навески угля определяется теплота сгорания. Предварительно калориметр калибруется по методике, приведенной в ГОСТ 147-2013.
Недостатками такого калориметра являются: длительность цикла по определению теплоты сгорания, необходимость использования кислорода для закачки в калориметрическую бомбу под высоким давлением, что представляет собой повышенную опасность. Для определения теплоты реакции СВС фольги не требуется кислород, так как горение фольги происходит без его участия, которое может осуществляться в безгазовой среде, а также в жидкости, например, в воде. Кроме того, теплота реакции СВС фольги значительно ниже теплоты сгорания твердых минеральных топлив и отдача тепла от сгорания СВС фольги в калориметрической «бомбе» в объем воды, окружающей калориметрическую «бомбу», будет чрезвычайно мал, что повлияет на точность и достоверность результатов измерений.
Наиболее близкой калориметрической ячейкой к заявляемому объекту является калориметрическая ячейка [2] используемая для определения теплоемкости веществ (жидких и твердых), состоящая из следующих основных частей: стеклянный стакан с изотермической оболочкой (например, из пенопласта) с крышкой из пенопласта, установленный на магнитную мешалку, нагреватель-кипятильник, соединенный с выпрямителем тока со стабилизированным напряжением и амперметром, термометр.
Однако эта калориметрическая ячейка не позволяет производить измерение теплоты реакции СВС фольги, так как в ней не предусмотрено поджигание СВС фольги (инициирование СВС реакции).
Задача изобретения - создание простой конструкции калориметрической ячейки для измерения теплоты реакции СВС фольги, позволяющей производить измерения с высокой производительностью без использования калориметрической «бомбы» и кислорода для инициирования реакции.
Поставленная задача достигается следующим образом. Предлагается калориметрическая ячейка, состоящая из следующих основных частей: стакана из материала с низкой теплопроводностью (фторопласт, полиэтилен, стекло и т.п.) с изотермической оболочкой (материалы с низкой теплопроводностью-пенопласт, пенополиуретан и т.п.); прозрачной крышкой из оргстекла, установленной на магнитной мешалке (крыльчатка магнитной мешалки установлена внутри ячейки); нагревателя в виде тонкой спирали из нихрома подключенной к стабилизированному источнику питания; воды залитой в ячейку; датчика температуры, помещенного в ячейку; пьедестала для размещения образца СВС фольги внутри ячейки; подпружиненных электродов, закрепленных на крышке ячейки и позволяющих производить кратковременный электрический контакт с поверхностью образца СВС фольги, размещенной в толще воды на пьедестале, на котором также размещена крыльчатка магнитной мешалки.. В исходном состоянии подпружиненные электроды не касаются поверхности воды и поверхности СВС фольги. Это нерабочее состояние ячейки. В рабочем состоянии подпружиненные электроды, подключенные к источнику напряжения и тока, в рабочем состоянии касаются поверхности СВС фольги. Также на линии пьедестала размещается решетка из тонкой проволоки, предназначенная для того чтобы прореагировавшая СВС фольга не попадала на крыльчатку магнитной мешалки и не препятствовала перемешиванию воды. При СВС реакции фольги происходит образование химического вещества, например, алюминида никеля в случае фольги состоящий из многослойных чередующихся нанопленок никель-алюминий. При этом масса прореагировавшей фольги, как правило не изменяется. Крышка ячейки из прозрачного материала (оргстекло, просто стекло, полиэтилен и т.п.) позволяет контролировать визуально протекание СВС реакции.
Конструкция калориметрической ячейки показана на фиг. 1.
Здесь: 15 - стакан с изотермической оболочкой 4, вода 5 со строго определенным объемом, датчик температуры 3, крыльчатка 14 магнитной мешалки 1, пьедестал 16 для установки образца СВС фольги 11 с фиксированной массой, крышка ячейки 13 с размещенными на ней подпружиненными электродами 10 и пружинами 7, нагреватель 2. Подпружиненные электроды 10 закреплены на подвижной платформе 8, подпружиненной пружинами 6. Подпружиненные электроды 10 выполнены таким образом, что они в исходном положении не касаются поверхности воды 5 и поверхности образца СВС фольги 11. Эти электроды подключены к конденсаторному источнику постоянного напряжения через контакты 9 (источник питания на фиг. 1 не показан). При кратковременном нажатии на платформу 8 (усилие Р) происходит ее перемещение и концы электродов 10 проходят через толщу воды 5 и касаются поверхности образца СВС фольги 11. При этом через фольгу проходит ток, и фольга вспыхивает- происходит СВС реакция с выделением тепла. Платформа 8 возвращается под действием пружин 6 в исходное положение. Чтобы прореагировавшая фольга не попадала на крыльчатку 14 и не тормозила ее вращение в калориметрической ячейке предусмотрена проволочная сетка 12.
с
Определение теплоты реакции при помощи такой калориметрической ячейки осуществляется следующим образом. Вначале определяется теплоемкость системы (калориметрической ячейки), состоящей из стакана 15, датчика температуры 3, крыльчатки 14, крышки ячейки 13 и нагревателя 2. Для этого заливается в стакан 15 вода 5 со строго определенным объемом, к нагревателю 2 подводится напряжение и через нагреватель 2 пропускается ток заданной величины в течении определенного времени, при этом определяется изменение температуры в течении времени пропускания тока через спираль нагревателя. По методике [3] определяется теплоемкость системы (калориметрической ячейки) С. Далее в калориметрическую ячейку заливается новая порция воды комнатной температуры с объемом как и в начале при определении теплоемкости ячейки, на пьедестал 16 помещается образец СВС фольги 11, включается электромагнитная мешалка 1,вращается крыльчатка 14 - происходит перемешивание воды, фиксируется устоявшаяся начальная температура, после чего кратковременным нажатием на платформу 8 подпружиненные электроды 10 приводятся в контакт с поверхностью образца СВС фольги 11 - через фольгу проходит ток и она вспыхивает, происходит СВС реакция с выделением определенного количества теплоты. При этом теплота передается через воду 5 на датчик температуры 3. Электроды 10 после прекращения на них воздействия (нажатия) под действием пружин 6 возвращаются в первоначальное положение и выделяемое СВС фольгой теплота не передается на эти электроды. Вращающаяся крыльчатка 14 перемешивает воду 5, при этом устанавливается конечная температура после прохождения СВС реакции. Фиксируется разница температур ΔT (между устоявшейся конечной и начальной температурами). Определяется количество теплоты Q, переданное прореагировавшей СВС фольгой воде по формуле
Q=Сс⋅ΔТ
Удельная теплота реакции q образца СВС фольги массой m определяется как
q=Q/m
Для проверки правильности принятых решений по предложенной конструкции калориметрической ячейки была изготовлена ячейка со следующими основными параметрами: масса заливаемой воды в ячейку 20 г, регулируемая мощность нагревателя 1,5-4 Вт, масса образца СВС фольги 0.1-0.3 г, разность температур при СВС реакции до (4-6)°С. Время проведения измерений не более 10 мин. Результаты измерений удельной теплоты реакции СВС фольги типа Ni/Al равны (1100-1200) Дж/г. Эти данные совпадают с известными значениями, приведенными в научной литературе.
В ряде случаев СВС фольга покрывается с двух сторон припоем, например, оловом или припоем типа олово-висмут. Толщина припоя составляет от 1 мкм до 20 мкм и инициирование СВС реакции такой фольги возможно лишь при касании токоподводящими электродами торцов СВС фольги. Поэтому предлагаемая калориметрическая ячейка снабжена элементом для вертикального расположения фольги и электродами для касания торцов фольги. С этой целью в пьедестале 7 выполнена вертикальная узкая щель (прорезь) 18 (см. фиг. 2), в которую вставляется вертикально СВС фольга 16 в виде полоски покрытой с двух сторон слоем припоя. Обычно толщина СВС фольги с припоем составляет не более 0.1 мм и ширина узкой щели выполняется с таким размером. Дно щели доходит до сетки 17 (см. фиг. 1) и не касается крыльчатки 5 электромагнитной мешалки 6. Пример вертикального расположения СВС фольги показан на фиг. 2. Здесь 16- СВС фольга, 18- прорезь в пьедестале 7 (см. фиг. 1), А-А-вид сверху на фольгу 16 с прорезью 18.
Источники информации:
1. ГОСТ 147-2013 (ISO 1928:2009) МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ ТОПЛИВО ТВЕРДОЕ МИНЕРАЛЬНОЕ
2. Курлаева А.А., Веколова В.В. Определение теплоемкости жидкостей. Международный студенческий научный вестник, №3-4, 2015.
3. WWW/fizica.utm.md>documents-pdf/Determinarea caldurii speccifice-ru.pdf