УСТРОЙСТВО КАМЕРЫ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В КАЛОРИМЕТРЕ ПРИ СТАНДАРТНЫХ УСЛОВИЯХ
CHAMBER FOR COMBUSTION OF SOLID FUEL IN CALORIMETRE UNDER STANDARD CONDITIONS

Предлагаемое изобретение относится к области экспериментального определения высшей рабочей теплотворной способности твердого топлива (древесный уголь, каменный уголь, торф, древесина, растительная солома и др.) методом калориметрии сжигания в закрытой кислородной камере при стандартных условиях (298,15 K и 1 атм).
Известно устройство [1, 2, 3, 4] камеры - калориметрическая бомба Бертло для сжигания твердого топлива в калориметре, содержащее металлическую камеру сгорания с опорными ножками, герметично присоединенную ко дну камеры сгорания уплотнительную металлическую крышку с металлическими электродами, с токоподводами, со спиралью накаливания, с чашечкой для сжигания образца твердого топлива.
Основными недостатками известного устройства [1, 2, 3, 4] являются:
- дороговизна и сложная конструкция калориметрической бомбы Бертло для достижения надежной герметичности при заполнении окислителем топлива - газом кислородом до 25-30, атм и сжигании топлива;
- определение теплотворной способности топлива производится при «бомбовых условиях» и поэтому применяется поправка Уошберна для пересчета на стандартные условия, ввод которой затруднен при неизвестном химическом составе топлива;
- отсутствие визуального наблюдения за процессом горения топлива;
- в несколько раз более длительный анализ газообразных продуктов из-за большей массы сжигаемого топлива (0,5-1 г).
Предлагаемое устройство камеры для сжигания твердого топлива в калориметре при стандартных условиях дополнительно снабжено герметично укрепленной сверху к камере сгорания металлической гофрированной камерой, вставленной во внутрь камеры сгорания кислородоподводящей трубкой с клапаном, вставленным во внутрь камеры сгорания электронагревателем с токоподводами, герметично присоединенными сверху на гофрированную камеру и к нижней боковой части корпуса камеры сгорания смотровыми окнами из термостойкого стекла, отходящим от нижней горловины камеры сгорания газоотводящим патрубком с клапаном.
Технический результат изобретения состоит в упрощении конструкции устройства и прецизионном определении высшей рабочей теплотворной способности твердого топлива при стандартных условиях.
Для достижения указанного технического результата устройство камеры для сжигания твердого топлива в калориметре при стандартных условиях, содержащее металлическую камеру сгорания с опорными ножками, герметично присоединенную ко дну камеры сгорания уплотнительную металлическую крышку с металлическими электродами, с токоподводами, со спиралью накаливания, с чашечкой для сжигания образца твердого топлива, дополнительно снабжено герметично укрепленной сверху к камере сгорания металлической гофрированной камерой, вставленной во внутрь камеры сгорания кислородоподводящей трубкой с клапаном, вставленным во внутрь камеры сгорания электронагревателем с токоподводами, герметично присоединенными сверху на гофрированную камеру и к нижней боковой части корпуса камеры сгорания смотровыми окнами из термостойкого стекла, отходящим от нижней горловины камеры сгорания газоотводящим патрубком с клапаном.
На чертеже схематично изображено устройство камеры для сжигания твердого топлива в калориметре при стандартных условиях.
Устройство камеры для сжигания твердого топлива в калориметре при стандартных условиях содержит металлическую камеру сгорания 3 с опорными ножками 15 и «ушками» 19, герметично присоединенную ко дну камеры сгорания 3 уплотнительную металлическую крышку 13 с металлическими электродами 8, с токоподводами 12, со спиралью накаливания 5, с чашечкой 16 для сжигания запала 6 и образца твердого топлива 17, герметично укрепленную сверху к камере сгорания металлическую гофрированную камеру 2, вставленную во внутрь камеры сгорания 3 кислородоподводящую трубку 4 с клапаном 9, вставленный во внутрь камеры сгорания 3 электронагреватель 18 с токоподводами 14, герметично присоединенные сверху на гофрированную камеру 2 и к нижней боковой части корпуса камеры сгорания 3 смотровые окна 1, 7 из термостойкого стекла, отходящий от нижней горловины камеры сгорания 3 газоотводящий патрубок 11 с клапаном 10.
Калориметрический эксперимент проводится следующим образом.
Предварительно определяется энергетический эквивалент (Е, Дж/К) калориметра, т.е. количество тепловой энергии для нагрева калориметрической системы на 1 K, с помощью электронагревателя 18 по закону Джоуля-Ленца:
Q=IUτ,
где Q - количество энергии, Дж;
I - сила тока, А;
U - напряжение на концах нагревателя, В;
τ - время пропускания тока, с.
Энергетический эквивалент определяется по формуле:
Е=Q/ΔТ(испр),
где ΔT(испр) - исправленный скачок температуры калориметрической системы после нагрева электронагревателем 18.
Для экспериментального определения энергетического эквивалента камера сгорания 3 с устройствами без образца сжигаемого топлива 17 и запала 6 помещается в калориметр, например, типа В-08МА с калориметрической жидкостью (дистиллированная вода) постоянной массы. Калориметр выводится на температурный режим с температурой 298,15-298,50 K так, чтобы температура калориметрической жидкости в калориметре повышалась (за счет трения мешалки) не более чем на 0,001-0,002 K через каждые 30 с. В начальном периоде эксперимента через каждые 30 с записывается 20 показаний температуры калориметрической жидкости с точностью до 0,0001 K, измеряемой термометром сопротивления и регистрируемой на цифровом вольтметре, например, Щ1516. Причем изменения напряжения на вольтметре в вольтах численно равны изменению температуры в Кельвинах (Цельсиях). На 21 отсчете включается в электросеть электронагреватель 17, к которому присоединены стандартные амперметр, мост сопротивления и вольтметр с тем условием, чтобы рекомендуемый скачок температуры калориметрической жидкости достиг 1-1,5 K. При достижении 60-90 с по стандартному измерителю времени электронагреватель 18 отключается от электросети. В главном периоде, начиная с 21 отсчета, записывается температура через каждые 30 с до достижения максимальной величины. С момента падения температуры начинается запись температуры конечного периода с 20 показаниями через каждые 30 с.
Эксперимент по определению энергетического эквивалента проводится не менее 10 раз, из которых отбираются 6 наиболее воспроизводимых величин и рассчитывается его средняя величина и абсолютная погрешность измерения. Причем получаемые величины энергетического эквивалента и теплотворной способности топлива в интервале температур 298-303 K практически не отличаются от полученных при стандартной температуре.
Эксперимент по сжиганию твердого топлива в кислородной камере 3 проводится при стандартных условиях следующим образом.
На прецизионных весах, например, ВЛР-200 взвешивается образец топлива 17 массой не более 0,1-0,2 г и запал 6 из хлопчатобумажной нити массой 0,001-0,002 г с точностью до 0,0001 г. Образец топлива 17 помещается в предварительно взвешенную металлическую чашку 16 из платинированной стали. От образца топлива 17 на нихромовую спираль накаливания 5 отводится запал 6. Уплотнительная крышка 13 с образцом топлива 17 и запалом 6 герметично ввинчивается в нижнюю горловину камеры сгорания 3. Открываются клапаны 9, 10 кислородоподводящей трубки 4 и газоотводящего патрубка 11. При помощи соединительных и очистительных устройств из кислородного баллона по трубке 4 в камеру сгорания 3 подается газ кислород, который выходит наружу из камеры сгорания 3 по патрубку 11. В течение трех минут производится «промывка» камеры сгорания 3 от остатков воздуха. Затем закрывается клапан 10. При этом допускается расширение, подъем по высоте гофрированной камеры 2 на 1/3 максимальной величины. Затем закрываются клапан 9 трубки 4, кран кислородного баллона и от окончания трубки 4 отсоединяются соединительные устройства. Общий объем газа кислорода в камере сгорания 3 и гофрированной камере 2 для данной навески образца топлива 17 равен порядка 1,2-1,3 л.
Перед проведением эксперимента в калориметре производится визуальное наблюдение или съемка с помощью специальной кинокамеры процесса горения образца топлива 17 в камере сгорания 3 через смотровые окна 1, 7.
Для этого камера сгорания 3 помещается в стеклянный аквариум с дистиллированной водой. На токоподводы 12 подается разряд с конденсаторного устройства. Нихромовая спираль накаливания 5 накаляется до красна, но не перегорает и выделяет тепловую энергию порядка 2-2,5 Дж. От нихромовой спирали 5 загораются запал 6 и затем образец топлива 17. Если топливо не достигает полноты сгорания, то выясняют причину и совершенствуют методику эксперимента. В случае достижения полноты сгорания топлива 17 в камере сгорания 3 приступают к аналогичной подготовке для проведения эксперимента в калориметре.
Вновь подготовленная камера сгорания 3 с образцом сжигаемого топлива 17 помещается в калориметр с калориметрической жидкостью.
В начальном периоде эксперимента проводятся аналогичные измерения температуры калориметрической жидкости калориметра, которые проводились при определении энергетического эквивалента.
В главном периоде эксперимента на 21 измерении температуры на спираль накаливания 5 с конденсаторного устройства подается разряд, что приводит к поджигу запала 6 и образца топлива 17. Сжигаемая данная масса топлива (0,1-0,2 г) не обеспечивает достаточного скачка температуры (0,7-1,5 K) калориметрической жидкости, а сжигаемая масса топлива более 0,25 г не обеспечивает его полноты сгорания в предлагаемом устройстве при стандартных условиях. Поэтому после 22-го измерения температуры на 60-90 с включается электронагреватель с точно известной выделяемой тепловой энергией и абсолютной погрешностью измерения не более 0,1-0,3%. До конца главного и конечного периодов производятся измерения температуры также через каждые 30 с.
При проведении эксперимента гофрированная камера 2 служит для поддержания газового давления в камере сгорания 3 в пределах 1 атм. Если процесс горения топлива 17 сопровождается с увеличением газового объема в камере сгорания 3, то гофрированная камера 2 расширяется. Если процесс горения топлива 17 сопровождается с уменьшением газового объема в камере сгорания 3, то гофрированная камера 2 сужается. В случае без изменения газового объема в камере сгорания 3 гофрированная камера 2 остается в исходном положении.
После окончания эксперимента камера сгорания 3 извлекается из калориметра с помощью металлического «коромысла», вставляемого в «ушки» 19 камеры сгорания 3. Проводится визуальный осмотр результата сгорания топлива 17 в камере сгорания 3 через смотровые окна 1, 7. Если через смотровые окна 1,7 в камере сгорания 3 видны налеты сажи и продукты неполного сгорания, то эксперимент бракуется. В случае полного сгорания топлива 17 в камере сгорания 3 к патрубку 11 присоединяется аппарат для газового анализа продуктов сгорания. По минимально допускаемому содержанию побочного газообразного продукта - угарного газа судят о полноте сгорания топлива 17.
Аналогично определению энергетического эквивалента калориметра производится воспроизводимость эксперимента по сжиганию топлива 17 не менее 10 раз, из которых отбираются 6 наиболее удачных результатов. Допустимая абсолютная погрешность измерений теплотворной способности твердого топлива принимается равной в пределах ±0,1-0,5%.
Экспериментальная высшая рабочая теплотворная способность топлива при стандартных условиях определяется по формуле:
Q(T)=(ЕΔТ(испр)-Q(1)-Q(2)-Q(3)-Q(4)+Q(5))/m(T), Дж/г,
где Q(1) - выделяемая энергия при нагреве электронагревателя 18, Дж;
Q(2) - выделяемая энергия при накале нихромовой спирали 5, Дж;
Q(3) - выделяемая энергия при сжигании запала 6, Дж;
Q(4) - выделяемая энергия при образовании побочного продукта - водного раствора азотной кислоты, Дж;
Q(5) - поглощаемая энергия при образовании допустимого некоторого количества побочного продукта -недогоревшего углерода, Дж;
м(Т) - масса образца сжигаемого твердого топлива 17, г.
Источники информации:
1. Волков В.А., Вонский В.Е., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. М.: изд-во «ВШ», 1991. - 656 с.
2. Гаджиев С.Н. Бомбовая калориметрия. М.: изд-во «Химия», 1988. - 188 с.
3. Леонидов В.Я., Медведев В.А. Фторная калориметрия. Изд-во «Наука», 1978. - С.87-93.
4. Колесов В.П. Основы термохимии. М.: изд-во МГУ, 1996. - 205 с.