КАЛОРИМЕТР ПЕРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ С ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКОЙ
VARIABLE TEMPERATURE CALORIMETRE WITH ISOTHERMAL JACKET

Изобретение относится к технике, предназначенной для измерения теплофизических величин, в частности тепловых эффектов реакций, и может быть использовано в химической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности.
Технической задачей изобретения является разработка калориметра переменной температуры с изотермической оболочкой, позволяющего повысить точность и расширить диапазон регистрируемых тепловых эффектов, интенсифицировать процесс измерения за счет использования двенадцатиампульного устройства в измерительной калориметрической ячейке.
3
3
3
3
Для решения поставленной технической задачи изобретения предложен калориметр переменной температуры с изотермической оболочкой, представляющий собой металлический корпус с боковой крышкой, содержащий изотермическую оболочку, выполненную в виде цилиндрического латунного сосуда емкостью 0,025 м с плотно закрывающейся крышкой, заполняемую дистиллированной водой, внешние боковые поверхности и днище которого покрыты изолирующим материалом, например пенофолом, на дне изотермической оболочки смонтированы нагреватель форсированного вывода оболочки на режим, датчик температуры, соединенный с микропроцессорным программируемым измерителем-регулятором температуры типа ТРМ1, регулирующей температуру в изотермической оболочке по релейному закону, проточный холодильник в виде трубчатого теплообменника, нагреватель точного вывода оболочки на режим и пропеллерная мешалка, в центре изотермической оболочки на кронштейнах закреплена калориметрическая ячейка, выполненная в виде цилиндрического хромированного латунного сосуда объемом 1 дм с герметично закрывающейся крышкой, совмещенной с крышкой изотермической оболочки, и боковым отводом для вывода проводов, связывающих калориметрический сосуд с внешними цепями термометра и калибровочного нагревателя, под калориметрической ячейкой на плоском днище изотермической оболочки в герметичном латунном чехле помещен постоянный магнит привода магнитной мешалки, вращение которого осуществляется синхронным двигателем, в центре калориметрической ячейки помещен медный цилиндрический стакан с плотно вставляемым в него калориметрическим сосудом объемом 0,08 дм, выполненным в виде герметично закрывающегося цилиндра из кислотостойкой нержавеющей стали, герметизация сосуда осуществляется фторопластовой прокладкой, установленной в крышке, которая завинчивается накидной гайкой, перемешивание жидкости в калориметрическом сосуде осуществляется турбинной магнитной мешалкой, расположенной в специальном каркасе из нержавеющей стали и приводимой в движение приводом магнитной мешалки, на крышке калориметрического сосуда смонтированы: нагреватель для тепловой калибровки калориметра, представляющий собой стержень из нержавеющей стали с бифилярно намотанным константановым проводом в двойной изоляции, помещенный внутрь тонкостенной гильзы и соединенный с источником тока и измерительной схемой при помощи четырехштыкового разъема с позолоченными цанговыми контактами, ответная часть которого закреплена к внутренней поверхности калориметрической ячейки; штуцер заправки калориметрического сосуда раствором и устройство последовательного разбивания стеклянных ампул, состоящее из съемной кассеты на двенадцать ампул объемом 0,8 см каждая, представляющая собой кольцеобразный сепаратор с приваренными тонкостенными гнездами для стеклянных ампул, каждое гнездо снабжено индивидуальной крышкой, приспособления для разбивания ампул, представляющего собой полированный шток, на нижнем конце которого расположена консоль с бойком и на верхнем конце подпружиненного штока находится устройство позиционирования бойка, выходящее из калориметрического сосуда и представляющее собой Т-образный наконечник со съемным лимбом со стрелкой для захвата и позиционирования бойка над выбранной ампулой, измерение температуры производится датчиком, состоящим из последовательно соединенных одинаковых секций термометра сопротивления, закрепленных на стенке калориметрического сосуда и связанных с компьютером для сбора, хранения и обработки информации.
Технический результат заключается в интенсификации измерения тепловых эффектов химических и биохимических процессов за счет использования многоампульного устройства в ячейке калориметра, повышении точности и снижении погрешности измерений за счет устранения тепловых потоков при термостатировании ячейки калориметра и расширении диапазона измеряемых тепловых эффектов в сторону малых величин.
На фиг.1 представлена схема калориметра переменной температуры с изотермической оболочкой, на фиг.2 - разрез по сечению АА' на фиг 1 с двенадцатиампульным устройством.
Калориметр переменной температуры с изотермической оболочкой представляет собой металлический корпус, в который помещена изотермическая оболочка, в которую погружена калориметрическая ячейка, в центре которой расположен цилиндрический стакан с плотно вставляемым в него калориметрическим сосудом.
Металлический корпус калориметра переменной температуры с изотермической оболочкой 13 имеет размер 0,55×0,50×0,80 м и боковую крышку.
3
Внутри корпуса размещена изотермическая оболочка, которая представляет собой цилиндрический латунный сосуд 1 емкостью 0,025 м, который тщательно изолирует данный калориметр переменной температуры от теплообмена с внешней средой, изотермическая оболочка заполняется дистиллированной водой и изолируется от внешней среды при помощи, например, пенофола 4 покрывающего ее боковую поверхность и днище. В верхней части изотермической оболочки находится плотно закрывающаяся крышка 5 с отверстием для крышки калориметрической ячейки 6.
-3
На дне изотермической оболочки смонтированы: нагреватель форсированного вывода оболочки на режим 9 и датчик температуры 10, соединенный с микропроцессорным программируемым измерителем-регулятором температуры 3 типа ТРМ1, регулирующей температуру в изотермической оболочке по релейному закону. Для поддержания заданного режима термостатирования рядом смонтированы проточный холодильник в виде трубчатого теплообменника 2, выполненный в форме змеевика из алюминиевого сплава длиной 0,5 м, и нагреватель точного вывода оболочки на режим 11. Перемешивание воды в изотермической оболочке осуществляется пропеллерной мешалкой 8. Мешалка установлена при помощи узла с резиновым сальником и двумя шариковыми подшипниками для центрирования оси мешалки. Выходной конец вала соединен с помощью резиновой муфты с валом асинхронного двигателя. Скорость вращения мешалки - 2850 об/мин. Для установления и поддержания температуры в изотермической оболочке калориметра используется микропроцессорный программируемый измеритель-регулятор типа ТРМ1, регулирующий температуру по релейному закону. После установления режима автоматического регулирования колебания температуры в изотермической оболочке за 10 минут не превышают ±10 градусов. В днище изотермической оболочки 1 вмонтирован шланг с краном 14 для слива воды.
3
В центре изотермической оболочки в специальных кронштейнах 19 закрепляется калориметрическая ячейка 6, выполненная в виде цилиндрического хромированного латунного сосуда с герметично закрывающейся крышкой, совмещенной с крышкой изотермической оболочки, и боковым отводом для вывода проводов, связывающих калориметрический сосуд с внешними цепями термометра и калибровочного нагревателя. Под калориметрической ячейкой на плоском днище изотермической оболочки 1 в герметичном латунном чехле помещен вращающийся постоянный магнит 24 привода магнитной мешалки калориметрического сосуда 7. Ось магнита вращается на двух шариковых подшипниках. Вращение постоянного магнита осуществляется синхронным двигателем с различной частотой, зависящей от исследуемого образца, через ременный редуктор. Калориметрическая ячейка представляет собой цилиндрический латунный сосуд 15 объемом 1 дм, погруженный в жидкостную изотермическую оболочку. Для защиты от коррозии и уменьшения теплообмена между калориметрическим сосудом и изотермической оболочкой поверхность калориметрической ячейки отполирована и покрыта хромом 16. Ячейка снабжена герметически закрывающейся крышкой 17, совмещенной с крышкой изотермической оболочки 5, из которой выходит верхний Т-образный конец устройства для разбивания ампул 12. В стенке калориметрической ячейки имеется боковой отвод 18 для вывода проводов, связывающих калориметрический сосуд с внешними цепями термометра и калибровочного нагревателя.
3
3
В центре калориметрической ячейки находится медный цилиндрический стакан 21 с плотно вставляемым в него калориметрическим сосудом 20 объемом 80 см. Калориметрический сосуд представляет собой герметично закрывающийся цилиндр высотой 80 мм и объемом 160 см с толщиной стенок 0,2 мм. Все детали калориметрического сосуда, находящиеся в контакте с калориметрической жидкостью или ее парами, изготовлены из кислотостойкой нержавеющей стали. Герметизация сосуда осуществляется фторопластовой прокладкой, установленной в крышке 22, которая при завинчивании накидной гайки 23 упирается в кольцевой заостренный выступ в верхней части калориметра и создает надежное уплотнение. Перемешивание жидкости в сосуде осуществляется турбинной магнитной мешалкой 24, расположенной в нижней части в специальном каркасе и приводимой в движение приводом магнитной мешалки 7. Преимуществом данной мешалки является: возможность эксплуатации ее без защитной сетки, легкое изменение геометрии лопастей, более интенсивное перемешивание, отсутствие контакта между разнородными металлами.
На крышке калориметрического сосуда смонтированы: нагреватель для тепловой калибровки калориметра 25, штуцер заправки калориметрического сосуда раствором 28 и устройство последовательного разбивания стеклянных ампул {фиг.2).
2
Нагреватель для тепловой калибровки калориметра 25 представляет собой стержень из нержавеющей стали диаметром 1 мм с бифилярно намотанным константановым проводом диаметром 0,1 мм в двойной - лаковой и шелковой изоляции и помещенный внутрь тонкостенной гильзы длиной 50 мм. Константановый провод и соединительные провода припаиваются к контактам, приклеенным через слой эпоксидной смолы к лыскам на латунной оправке. Нагреватель соединяется с источником тока и измерительной схемой при помощи четырехштыкового разъема с позолоченными цанговыми контактами, ответная часть 38 которого закреплена к внутренней поверхности калориметрической ячейки 6, соединение электрических цепей производится по четырехпроводной схеме гибкими проводами МГТФ сечением 0,14 мм и длиной 75 мм. Основная часть длины проводов наматывается на специальную латунную катушку-радиатор, находящуюся в хорошем тепловом контакте со стенками калориметрической ячейки 6. Сопротивление нагревателя составляет 150,3 Ом при 273,15 К. Подобная конструкция нагревателя обеспечивает хороший тепловой контакт с жидкостью, находящейся в калориметрическом сосуде, и точное соответствие выделившейся на нем теплоты количеству измеренной электрической энергии.
3
Устройство последовательного разбивания стеклянных ампул {фиг.2) состоит из съемной кассеты на двенадцать ампул 26 объемом 0,8 см каждая, располагаемых по кругу 29, приспособления для разбивания ампул 33 и устройства позиционирования бойка над выбранной ампулой 34. Съемная кассета 26 представляет собой кольцеобразный сепаратор с приваренными тонкостенными гнездами для стеклянных ампул 29, каждое гнездо снабжено индивидуальной крышкой 30, препятствующей всплытию ампул. Кассета разъемно крепится к крышке калориметрического сосуда при помощи трех стоек 31, входящих в винтовые зажимы 32. Приспособление для разбивания ампул 33 представляет собой полированный шток диаметром 3 мм, на нижнем конце которого расположена консоль с бойком 34. На верхнем конце штока, выходящего из калориметрического сосуда, находится Т-образная деталь 12 для захвата и позиционирования бойка. Шток с бойком во время калориметрического опыта находится в верхней мертвой точке под действием возвратной пружины 27. В калориметрический сосуд шток входит через сальник 35, позволяющий ему совершать возвратно-поступательные движения. Сальник представляет собой фторопластовую манжету со стенками переменной толщины, поджимаемую к штоку отрезком резиновой трубки. Степень поджатия, определяющая герметичность калориметрического сосуда и тепловой эффект холостого хода штока, регулируется прижимным винтом с контргайкой 36.
Устройство позиционирования бойка над выбранной ампулой 34, выходящее из калориметрического сосуда, является верхним Т-образным подпружиненным наконечником штока с вилкой 37 для захвата и позиционирования бойка со съемным лимбом со стрелкой, устанавливаемым вне изотермической оболочки. В процессе опытов при поджатой кнопке устройства разбивания ампул боек устанавливался над очередной или любой выбранной экспериментатором ампулой, таким образом исключается паразитный тепловой эффект от позиционирования бойка.
Измерение температуры производится датчиком, состоящим из последовательно соединенных одинаковых секций термометра сопротивления, закрепленных на стенке калориметрического сосуда, и связанным с компьютером для сбора, хранения и обработки информации.
Изотермический калориметр подключается к сети переменного тока - 220 В, 50 Гц и водопроводной магистрали для работы термостата.
Устройство работает следующим образом: каждую из двенадцати стеклянных ампул взвешивают на аналитических весах, вносят первый реагент и заполненные ампулы повторно взвешивают, затем все ампулы герметично запаивают. Запаянные ампулы закрепляют с помощью держателей по кругу в съемную кассету на крышке калориметрического сосуда. В калориметрический сосуд калиброванной пипеткой вносят второй реагент в жидком состоянии. Герметично закрывают калориметрический сосуд крышкой, помещают в гнездо калориметрической ячейки, закрывают ячейку, устанавливают устройство для разбивания ампул в начальное положение. Для этого поворотом устройства для разбивания ампул против часовой стрелки до упора (консоль бойка упирается в гильзу нагревателя) происходит позиционирование бойка против первой ампулы. Поворотом лимба с номерами ампул добиваются совмещения отметки первой ампулы с указательной стрелкой. После герметичного закрывания крышек проводят термостатирование калориметра до установления теплового равновесия в калориметрической ячейке, при этом непрерывно измеряют температуру в калориметрическом сосуде. Затем проводят последовательное смешение первого и второго реагентов путем последовательного разбивания ампул, для этого при легком нажатии устройства для разбивания ампул происходит захват Т-образного наконечника штока калориметрического сосуда и позиционирование верхнего бойка относительно указательной стрелки. В момент начала калориметрического опыта полное нажатие на устройство для разбивания ампул вызывает движение бойка в вертикальном направлении и разрушение верхнего донышка ампулы. Дальнейшее движение штока передает усилие через крышку гнезда ампулы 30 и ее стенки на нижний контр-боек и происходит разрушение нижнего донышка. После отпускания устройства для разбивания ампул возвратная пружина поднимает шток калориметрического сосуда, а возвратная на ампулоразбивателе выводит их из зацепления. Тепловой контакт с калориметрическим сосудом разрывается. По результатам опыта строят кривую изменения температуры в калориметрической ячейке, которая разделяется на температурный ход тепловой калибровки калориметра и на температурный ход реакции. После окончания опыта и построения температурного хода калориметрического опыта графически определяют изменение температуры калориметрической системы при калибровке и изменение температуры в ходе опыта и рассчитывают тепловой эффект реакции.
Использование двенадцатиамульного устройства с последовательным разбиванием стеклянных ампул обеспечивает значительную интенсификацию проведения измерений серии тепловых эффектов одного процесса при сокращении времени на перезарядку и термостатирование калориметрической установки. Например, конструкция двенадцатиампульного устройства позволяет при одинарном снаряжении и термостатировании калориметра измерять тепловой эффект растворения кристаллического вещества от образования разбавленных растворов до насыщения.
Использование изобретения позволит: интенсифицировать процесс измерения тепловых эффектов процессов, повысить точность измерений за счет применения многоампульного устройства в калориметрическом сосуде и устранения тепловых потоков при термостатировании ячейки калориметра, а также расширить диапазон измеряемых тепловых эффектов за счет повышения точности и снижения погрешности при измерениях.