КАЛОРИМЕТР С РЕАКЦИОННЫМ КОНТЕЙНЕРОМ И ВОДЯНОЙ РУБАШКОЙ
CALORIMETER HAVING REACTION CONTAINER AND WATER JACKET

Изобретение относится к калориметру с реакционным контейнером, который имеет камеру сгорания, в котором предусмотрен приемник для исследуемого образца и воспламеняющее устройство, а также, по меньшей мере, один подводящий трубопровод для кислорода, с жидкостной или водяной рубашкой, окружающей реакционный контейнер, с датчиком температуры, выступающим в жидкостную или водяную рубашку, и с наружной емкостью, охватывающей жидкостную или водяную рубашку.
Такие калориметры разнообразных форм известны, например, из патента DE 4314454 С1 или DE 10024147 С1. Для того чтобы внутреннее давление, возникающее при сжигании образца, не приводило к разрушению, реакционный контейнер, содержащий камеру сгорания, должен иметь толстый и прочный корпус и, кроме того, состоять из высококачественного материала, чтобы не мешать процессу сжигания, не влиять на него и самому не повредиться.
На практике оказалось, что для калориметрического измерения нужно, как правило, примерно минут двадцать, так как сначала соответствующее тепло должно перейти через толстые стены реакционного контейнера в водяную рубашку и там распределиться. В то же время известные калориметры являются относительно дорогостоящими, так как вне стенок емкости, содержащей воду или жидкость, необходима еще изоляция. Изоляция нужна для того, чтобы исключить, насколько это возможно, влияние окружающей среды на результат измерения.
Поэтому задачей изобретения является создание калориметра указанного типа, при применении которого, прежде всего, максимально возможно сократится время измерения.
Для решения этой задачи для уже определенного калориметра предусмотрено, что наружная емкость выполнена в виде сосуда высокого давления и принимает давление, возникающее при сжигании в реакционном контейнере, поддающемся давлению, на его стенки через водяную или жидкостную рубашку, в дальнейшем для простоты названную «водяной рубашкой», и что для выравнивания движения тепла и перепадов давления стенка реакционного контейнера соединена с его основанием с помощью герметичной плотной посадки, поддающейся давлению, или на реакционном контейнере расположена мембрана, сильфон или подвижный поршень.
Благодаря такой компоновке можно выполнить реакционный контейнер, содержащий камеру сгорания, тонкостенным, так как давление, возникающее при сжигании в этом реакционном контейнере, поддающемся давлению и, при необходимости, изменяющем свой объем, может поступать через несжимаемую жидкость или несжимаемую воду к находящемуся снаружи сосуду высокого давления, и последний может принимать его, так что передача тепла из реакционного контейнера в воду может произойти, соответственно, очень быстро. Также мало времени занимает и сам процесс измерения. В то же время для реакционного контейнера требуется меньше относительно дорогого материала.
Таким образом, изобретение дает возможность, чтобы реакционный контейнер в соотношении с расположенным снаружи сосудом высокого давления был выполнен тонкостенным, и толщина его стенок была меньше толщины стенок сосуда высокого давления.
Целесообразная форма выполнения изобретения может предусматривать, что внутренняя сторона стенки сосуда высокого давления изолирована от воздействий внешней среды, а для уменьшения передачи энергии от реакционного контейнера через окружающую его несжимаемую жидкость или воду к сосуду высокого давления или в сосуд высокого давления имеется изолирующее устройство. Благодаря этому можно добиться, чтобы нагревалась именно жидкость или вода, а не сосуд высокого давления, что могло бы в противном случае исказить результаты измерения. Сосуд высокого давления хотя и может, таким образом, принимать давление, возникающее при сжигании образца, однако сам при этом мало нагревается и вместе с изолирующим устройством, находящимся на его внутренней стороне, уберегает от внешних влияний водяной рубашки, так что, по меньшей мере, в значительной степени можно избежать искажений результатов измерений.
При этом благоприятно, если изолирующим устройством является термоизолирующая емкость. Ее можно изготовить просто и целесообразно, а затем поместить в наружную емкость.
Целесообразная форма выполнения, прежде всего, изолирующего устройства может предусмотреть, что такое изолирующее устройство или термоизолирующая емкость находится на некотором удалении от внутренней стороны сосуда высокого давления или касается внутренней стороны сосуда высокого давления только в некоторых местах. Благодаря этому между сосудом высокого давления и изолирующим устройством остается еще одна изолирующая камера, которая улучшает изоляционное действие.
Между сосудом высокого давления и изолирующим устройством, или термоизолирующей емкостью можно предусмотреть дистанционирующие элементы и/или деформированные участки, такие как ребра, бугорки или т.п., находящиеся на одном или обеих емкостях. Благодаря этому давление, оказываемое также на изолирующее устройство при сжигании образца, может лучше переноситься на наружную емкость или сосуд высокого давления. В то же время поперечное сечение и размеры этих дистанционирующих элементов могут быть такими небольшими, что никакого сколько-нибудь существенного количества тепла через них не передается.
По меньшей мере, реакционный контейнер может быть выполнен из термостойкого и/или химически устойчивого материала, например из металла, керамики и/или пластмассы. Даже пластмасса подходит, так как сам реакционный контейнер не должен принимать давление, а передавать его по водяной рубашке на наружный сосуд высокого давления.
Сосуд высокого давления и/или изолирующая емкость могут быть выполнены из металла, керамики и/или пластмассы. При этом выбор материала зависит от того, какой образец нужно сжечь и исследовать.
Другая форма выполнения изобретения может предусматривать, что на внешней стороне сосуда высокого давления имеется изоляционный материал или изоляционная оболочка. Она может служить для лучшего исключения внешних влияний. Кроме того, благодаря этому можно отказаться от термоизолирующей емкости внутри сосуда высокого давления или сэкономить на ней.
В камере, наполненной при применении несжимаемой жидкостью или водой, между реакционным контейнером и сосудом высокого давления можно предусмотреть средство для приведения в движение жидкости или мешалку. За счет этого можно ускорить распределение тепла, выделяющегося при сжигании образца.
Особенно благоприятно, если в камере калориметра, заполненной при применении несжимаемой жидкостью или водой, предусмотрена или установлена магнитная мешалка. Циркуляция жидкости в этой камере или промежуточной камере, предпринятая для быстрой тепловой компенсации, может происходить, таким образом, с помощью подвижного элемента магнитной мешалки, приводимой в действие с помощью магнита. Благодаря этому при высоком давлении, возникающем при сжигании, возможно движение циркуляции без прохождения, например, вала или т.п. наружу. Кроме того, тепловыделение, влияющее на процесс калориметрии, предотвращается благодаря трению скольжения такого вала, для которого нужна уплотнительная прокладка, эффективно противодействующая высокому давлению.
В промежуточной камере, расположенной между реакционным контейнером и сосудом высокого давления и принимающей при применении воду или несжимаемую жидкость, можно предусмотреть, при необходимости, более одного датчика температуры, причем эти несколько датчиков температуры можно распределить предпочтительно равномерно. За счет этого можно увеличить скорость измерений и повысить точность измерений.
Для обеспечения энергобаланса на внешней стороне сосуда высокого давления можно разместить один датчик температуры или несколько датчиков температуры. Таким образом, можно проверить, вышло ли возможное тепло и сколько его вышло также через сосуд высокого давления или каков перепад температуры между обеими сторонами стенки сосуда высокого давления.
Еще одна форма выполнения изобретения может предусматривать, что на сосуде высокого давления имеется терморегулирующее устройство для настройки постоянной температуры этого сосуда высокого давления. Тем самым можно добиться исключения внешних влияний при измерении.
Камера сгорания, находящаяся внутри реакционного контейнера, может иметь любую форму, т.е. она может быть выполнена, по меньшей мере, на одном участке выпуклой, или быть цилиндрической по всей высоте, или иметь форму гармошки, т.е. быть компактной и занимать мало места, причем, однако, не нужно обращать внимание на прочность на сжатие, так как давление передается преимущественно через жидкостную рубашку на наружную емкость, служащую в качестве сосуда высокого давления.
Прежде всего, при сочетании отдельных или нескольких описанных выше признаков или мер и за счет того, что давление, возникающее при сжигании образца, улавливается емкостью, которая ограничивает снаружи также водяную или жидкостную рубашку, весь калориметр в целом может занимать мало места, т.е. иметь явно меньший общий объем по сравнению с калориметрами, применяемыми до сих пор. Соответственно, легко и просто его можно переносить и, соответственно, быстро и в короткие сроки можно проводить калориметрические измерения в разных местах и пунктах. При этом из-за несжимаемости жидкости может быть уже достаточной незначительная податливость реакционного контейнера давлению или, при необходимости, его незначительное расширение.
Далее примеры выполнения изобретения описываются более подробно со ссылками на чертеж. На чертеже схематично изображено следующее:
Фиг.1 - вертикальное сечение первого примера выполнения заявленного калориметра;
Фиг.2 - соответствующее фиг.1 изображение второго примера выполнения заявленного калориметра.
В дальнейшем описании второго примера выполнения элементы, совпадающие по своим функциям, обозначены одинаковыми позициями даже при измененной форме.
Калориметр, в целом обозначенный цифрой 1, служит для измерения теплоты сгорания веществ и имеет реакционный контейнер 3 с камерой сгорания 2, в котором предусмотрен приемник 4 для исследуемого образца и воспламеняющее устройство 5, а также подводящий трубопровод 6 для кислорода.
Реакционный контейнер 3 находится при этом обычно в водяной бане, т.е. он окружен водяной рубашкой 7, причем вместо воды можно использовать также и другую несжимаемую жидкость. Трубопровод 7а, ведущий к водяной рубашке 7, находится в области основания.
В эту водяную рубашку 7 или жидкостную рубашку помещен датчик температуры 8 для измерения тепла, выходящего при сжигании образца. Кроме того, предусмотрена наружная емкость 9, окружающая водяную или жидкостную рубашку 7.
Для достижения, по возможности, более короткого времени измерения и выполнения в то же время сравнительно незначительных замеров наружная емкость 9 выполнена в виде сосуда высокого давления и принимает давление, действующее при сжигании в реакционном контейнере 3 на его стенки через жидкостную или водяную рубашку 7, так что стенка 10 может иметь относительно небольшую толщину, которая соответственно мало влияет на передачу тепла.
На фигурах видно, что реакционный контейнер 3 в сравнении с наружной емкостью 9, выполненной в виде сосуда высокого давления, имеет тонкие стенки, причем толщина стенок реакционного контейнера 3 явно меньше, чем толщина стенок наружной емкости или сосуда высокого давления 9 (в дальнейшем «сосуд высокого давления 9»).
В примере выполнения фиг.1 внутренняя сторона стенки сосуда высокого давления 9 для изоляции от внешних воздействий, которые могут помешать точности измерений, и для сокращения передачи энергии от реакционного контейнера 3 через окружающую его воду водяной рубашки 7 в сосуд высокого давления 9 имеет изолирующее устройство, которое в примере выполнения представляет собой термоизолирующую емкость 11, которая имеет, таким образом, водяную рубашку 7. Четко видно, что изолирующее устройство, т.е. термоизолирующая емкость 11, находится на расстоянии от внутренней стороны сосуда высокого давления 9 и касается внутренней стороны сосуда высокого давления 9 только в отдельных местах с помощью дистанционирующего элемента 12. Расстояние, которое образуется между термоизолирующей емкостью 11 и сосудом высокого давления, может усилить изоляцию.
В примере выполнения, согласно фиг.2, предусмотрено, что на внешней стороне сосуда высокого давления 9 находится изоляция или изоляционная оболочка 11а, так что можно отказаться от термоизолирующей емкости 11 внутри сосуда высокого давления 9. При этом между этой изоляционной оболочкой 11а и сосудом высокого давления 9 виден воздушный зазор 12а, который вместе с изоляционной оболочкой 11а образует внешнюю изоляцию. Благодаря этому можно сократить передачу энергии от сосуда высокого давления или наружной емкости 9 в окружающую среду.
Следует упомянуть, что, по меньшей мере, реакционный контейнер 3, также целесообразно сосуд высокого давления 9 и, при необходимости, термоизолирующая емкость 11 могут состоять из термостойкого и/или обладающего химической стойкостью материала, например из металла, керамики и/или пластмассы, вследствие чего имеет место экономия веса. На внешней стороне сосуда высокого давления 9 может находиться изоляция или изолирующая оболочка для лучшего предотвращения внешних воздействий (здесь не представлено). В камере, заполненной при применении несжимаемой жидкостью или водой, т.е. в водяной рубашке 7, в примере выполнения согласно фиг.1 предусмотрено средство для приведения жидкости или воды в движение, точнее мешалка 13, с помощью которой вода может соответствующим образом двигаться, и таким образом присутствующая в ней или повышенная температура может быстро и равномерно распределяться.
Так же и в примере выполнения согласно фиг.2 в камере, наполненной при применении несжимаемой жидкостью или водой, т.е. в водяной рубашке 7, предусмотрено средство для приведения жидкости или воды в движение, в этом случае магнитная мешалка 13а, с помощью которой жидкость или вода также может двигаться, и тем самым присутствующая в ней или повышенная температура может распределяться быстро и равномерно. В отличие от примера выполнения согласно фиг.1 для собственно перемешивающего элемента не нужен приводной вал, так как магнитная мешалка 13 известным образом может приводиться в движение с помощью магнитной связи.
Пожалуй, можно предусмотреть также более одного датчика температуры 8 для возможности более быстрой регистрации изменений температуры и при этом возможных перепадов температуры.
Следует еще упомянуть, что для выравнивания движений тепла и перепадов давления стенка 10 реакционного контейнера 3 соединена с его основанием 14 с помощью плотной посадки 15. Давление можно также выравнивать с помощью мембраны, сильфона или подвижного поршня, расположенного в реакционном контейнере.
Для обеспечения энергобаланса на внешней стороне сосуда высокого давления 9 расположен другой датчик температуры 16, который при этом в примере выполнения предусмотрен на верхней стороне. На сосуде высокого давления 9 можно предусмотреть еще одно терморегулирующее устройство для настройки постоянной температуры сосуда высокого давления 9 (здесь не представлено), чтобы исключить внешние влияния на результат измерений.
Калориметр 1 имеет реакционный контейнер 3 с камерой сгорания 2, в которой предусмотрены приемник 4 для образца и воспламеняющее устройство 5, а также, по меньшей мере, подводящий трубопровод 6 для кислорода. Реакционный контейнер 3 окружен жидкостной или водяной рубашкой 7, в которую выступает, по меньшей мере, один датчик температуры 8. Жидкостная или водяная рубашка 7 окружена наружной емкостью 9, которая выполнена в виде сосуда высокого давления и принимает давление, возникающее при сжигании образца в реакционном контейнере 3 на его стенку 10, обусловленное герметичной плотной посадкой 15, через воду или несжимаемую жидкость. Соответственно тонкостенным можно выполнить и реакционный контейнер 3 так, чтобы тепло, выходящее при сжигании образца, быстрее попадало к датчику температуры или датчикам температуры 8.