КАЛОРИМЕТР-ИНТЕГРАТОР

Полезная модель относится к теплотехнике, в частности к определению количества теплоты выделившейся в результате физических, химических и биологических процессов. Полезная модель может быть использована в системах автоматического контроля выделившегося тепла.
Известен калориметр-интегратор [Попов М.М. Термометрия и калориметрия, 2 изд. М., 1954], служащий для тех же целей что и прелагаемое устройство и представляющий из себя жидкостной калориметр-интегратор с изотермической оболочкой. В сосуде с водой находится камера для проведения исследований - «калориметрическая бомба», в которой установлены мешалка, нагреватель и термометр. Теплота выделяется в самой камере и распределяется между различными частями калориметра, которые называются калориметрической системой. Измерение температуры калориметрической системы позволяет определить теплоту, введенную в калориметр (Q). Перед измерениями калориметр градуируют и получают значение коэффициента С, на которой нужно умножить измеренную термометром разность температур (конечную и начальную), чтобы получить искомое количество теплоты по формуле:
Q=CΔT,
где: С - коэффициент (теплоемкость калориметрической системы),
к
н
ΔT=T-T - разность конечной и начальной температуры калориметра.
Однако у данного калориметра имеются следующие недостатки:
а) ограничен температурный диапазон, а следовательно, и диапазон измеряемых теплот, так как у данного калориметра окружающая среда вода, а температура кипения воды 383 К.
б) нагрев воды происходит неравномерно и для ускорения выравнивания температуры имеется дополнительное устройство мешалка, работа которой требует определенных энергозатрат.
в) само устройство установки не позволяет использовать это оборудование там, где требуется определить тепло от внешнего источника теплоты а так же от какого-либо источника, не помещающегося в «калориметрическую бомбу».
Технической задачей является повышение универсальности калориметра, а именно создание устройства с уменьшенными энергозатратами, имеющего возможность определять тепло от внешнего источника теплоты, обладающим расширенным диапазоном измеряемых теплот за счет применения рабочего вещества (антиферримагнетиков), у которого имеется зависимость теплоемкости от величины магнитного поля.
Техническая задача достигается тем, что калориметр-интегратор, состоит из изотермической оболочки, изолированной камеры для проведения исследуемого процесса, нагревателя и термометра, в котором согласно техническому решению, в передней стенке изотермической оболочки выполнено диэлектрическое окно в виде тонкой диэлектрической подложки, в которое поступает измеряемое тепло и на которую нанесено рабочее вещество, например антиферромагнетик, у которого теплоемкость является функцией магнитного поля, с внешней стороны диэлектрического окна установлен постоянный магнит с изменяемым расстоянием между полюсами для регулировки величины магнитного поля так, чтобы рабочее вещество находилось в поле действия магнита.
Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в передней стенке изотермической оболочки выполнено диэлектрическое окно в виде тонкой диэлектрической подложки, в которое от внешнего источника тепла поступает измеряемая теплота. Эта теплота может быть измерена как в результате непосредственного контакта калориметра с внешним источником
тепла, так и посредством выделения теплоизолированного канала соединяющего источник тепла и калориметр. Следующим отличием является то, что на диэлектрическую подложку нанесено рабочее вещество, например антиферромагнетик, у которого теплоемкость является функцией магнитного поля. Кроме того, с внешней стороны диэлектрического окна установлен постоянный магнит с изменяемым расстоянием между полюсами для регулировки величины магнитного поля так, чтобы рабочее вещество находилось в поле действия магнита, так как теплофизические свойства свойства антиферромагнитика зависят от магнитного поля. Если полюса разводят на большое расстояние, то магнитного поля нет (или оно очень слабое), и теплоемкость антиферромагнитика ограничена его критической температурой Нееля, и, следовательно, диапазон измерения теплот ограничен. Когда полюса устанавливают на небольшом расстоянии друг от друга, магнитное поле влияет на теплоемкость антиферромагнитика, и диапазон измеряемых теплот расширяется. Физическим обоснованием данного технического решения является то, что при температуре Нееля у антиферромагнетиков происходит фазовый переход 2 рода. Особенность этого перехода состоит в том, что вблизи указанной температуры магнитное поле влияет на изменение теплоемкости [Физический энциклопедический словарь. M., Сов. энциклопедия, 1983.]
На фигуре изображена схема предлагаемого калориметра-интегратора, включающая следующие элементы:
1. Диэлектрическая подложка
2. Рабочее вещество (антиферримагнетик)
3. Постоянный магнит с изменяемым расстоянием между полюсами
4. Теплоизолирующие прокладки
5. Термометр (термопара для измерения температуры рабочего вещества)
6. Изолированная камера
7. Термометр (термопара для измерения температуры внутри камеры)
8. Изотермическая оболочка
9. Нагреватель
10. Измерительный блок с температурным реле
11. Блок питания
12. Внешний источник теплоты
н
к
Принцип работы предлагаемого калориметра-интегратора. Поток тепла из внешнего источника теплоты 12 поступает на тонкую диэлектрическую подложку 1, толщину которой подбирают так, чтобы обеспечить более полный приток тепла к рабочему веществу 2, которое теплоизолировано от окружающей среды с помощью термоизолирующих прокладок 4 и изолированной оболочки 8. Температура рабочего вещества 2 является функцией измеряемого количества теплоты Q и магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 3 с изменяемым расстоянием между полюсами, который установлен с внешней стороны диэлектрического окна. В начальный момент температура рабочего вещества определяется с помощью термометра 5 и совпадает с температурой объема изолированной камеры 6. Она обозначается через Т и запоминается в измерительном блоке 10. Рабочее вещество находится в изолированной камере 6, температура внутри которой определятся термометром 7. По мере увеличения потока тепла, температура рабочего вещества увеличивается и чтобы сохранить условия изотермичности разбалансивированного моста, находящегося в измерительном блоке 10, который запитывается от блока питания 11. Блоком 10 выдается сигнал на включение нагревателя 9 в изолированной камере. Как только температуры рабочего вещества и объема изолированной камеры выравниваются, нагреватель выключается. Если поток тепла прекращается, то температура рабочего вещества начинает уменьшаться и мост срабатывает, удерживая эту температуру некоторое время постоянной, что дает возможность точно определить конечную температуру Т, а она является показателем измеряемого количества теплоты и фиксируется в измерительном блоке. Эта температура
к
н
к
н
изменяется в пределах от комнатных до 1000 К. Предварительно проводится градуировка калориметра-интергатора по определению соответствия между количеством теплоты, падающей на калориметр-интергатор и разностью температур Т-Т Определяют коэффициент С, на который нужно умножить разность температур Т-Т, чтобы получить определенное значение Q. Этот коэффициент С называется теплоемкостью калориметрической системы. Затем определяют аналогично коэффициенту С коэффициент С(В), который называется теплоемкостью калориметрической системы при включенном магнитном поле и вводят это значение в измерительный блок для определения значения Q. Эти коэффициенты С и С(В) определяют при градуировке калориметра. Подсчет тепла производят по формуле (1):
Q=CΔT,
к
н
где: ΔT=T-T,
к
T - максимальная температура рабочего вещества,
н
T - начальная температура рабочего вещества.
кр
к
кр
Максимальный диапазон измеряемых теплот в котором работает такой калориметр, определятся критической температурой T, рабочего вещества, выше которой его теплоемкость резко падает и формула (1) теряет смысл. Чтобы расширить измеряемый диапазон включают магнитное поле, которое влияет на теплоемкость рабочего вещества и позволяет при Т>T измерять количества теплоты, то есть формула (1) приобретает следующий вид:
кр
Т для рабочего вещества (антиферримагнетиков) совпадает с точкой Нееля.
Преимущества предлагаемого калориметра по сравнению с прототипом следующие:
кр
а) рабочее вещество имеет температуру Т до 1000 К, что значительно больше температуры кипения воды 383 К, что расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства;
б) возможность бесконтактной перестройки измеряемого диапазона теплот только за счет увеличения магнитного поля, действующего на рабочее вещество при уменьшении расстояния между полюсами магнита;
в) малый термостарируемый объем обеспечивает меньшие потери и более быстрый процесс измерения, что уменьшает погрешность измерения;
г) исключение из устройства по прототипу таких элементов как мешалка и водяная среда позволяет снизить энергозатраты и дополнительные потери тепла.