ТЕРМОСТАТ ХРОМАТОГРАФА
CHROMATOGRAPH THERMOSTAT

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к приборам для разделения и анализа смесей веществ методом хроматографии.
4
Известен термостат хроматографа (а.с. 1469452 СССР, МКИ  G01N 30/56, опубл. 30.03.89, Бюл. № 12), содержащий теплоизоляционный корпус, крышку, колонку в виде трубки, свернутой в цилиндрическую спираль, впускной и выпускной каналы для воздуха, центробежный вентилятор с двигателем и открытую цилиндрическую юбку, расположенную коаксиально цилиндрической спирали соосно с вентилятором, при этом колонка размещена в рабочей зоне, в центре образованного наружным кожухом и цилиндрической юбкой равномерного кольцевого зазора, сообщающегося через кольцеобразную смесительную камеру с выходом вентилятора, снабженного равномерно распределенным кольцевым нагревателем и дополнительной крыльчаткой, взаимодействующей с выходным соплом входного канала, выполненного в задней стенке корпуса термостата и снабженного управляемой заслонкой.
Недостатками известного термостата являются высокий температурный градиент в объеме термостата, связанный с тепловыми потерями через стенки корпуса термостата, низкая динамика изменения температуры, а также большое аэродинамическое сопротивление между входными и выходными вентиляционными каналами.
7
Известен термостат хроматографа (пат. 2286563, Рос. Федерация, МПК  G01N 30/54, опубл. 27.10.06, Бюл. № 30), выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус с дверцей, входные и выходные каналы для воздуха с управляемыми заслонками, теплоизолирующий экран, установленный внутри корпуса с образованием зазора, рабочую зону, расположенную внутри теплоизолирующего экрана, хроматографическую колонку, помещенную в рабочую зону, на входе которой находятся нагреватель и кожух, образующий смесительную камеру, внутри которого размещена крыльчатка вентилятора, обеспечивающая подачу воздуха внутрь термостата через входные каналы, расположенные на задней стенке корпуса.
Недостатками известного термостата являются прямое тепловое воздействие нагревателя на хроматографическую колонку, приводящее к нестабильности температуры колонки, ограничение площади теплообмена нагревателя размерами кожуха, уменьшающее наработку термостата на отказ, большое аэродинамическое сопротивление кожуха с нагревателем, приводящее к снижению циркуляции воздуха.
Задачей заявляемого изобретения является исключение прямого теплового воздействия нагревателя на хроматографическую колонку, снижение аэродинамического сопротивления воздуха и увеличение надежности работы термостата.
Указанный технический результат достигается тем, что термостат хроматографа, состоящий из корпуса с дверцей, крышки, теплоизолирующего экрана, установленного внутри корпуса с образованием зазора и рабочей зоны внутри теплоизолирующего экрана, входных и выходных каналов для воздуха с механизмом привода заслонок, хроматографической колонки, размещенной в рабочей зоне, смесительной камеры, образованной кожухом, внутри которого расположена крыльчатка вентилятора, дополнительно содержит перфорированную пластину, расположенную между рабочей зоной и смесительной камерой, и тепловой экран, установленный между нагревателем и задней стенкой корпуса, при этом нагреватель установлен в кольцевом зазоре между кожухом и задней стенкой корпуса.
Корпус состоит из двух стенок, стянутых полыми втулками, пространство между которыми заполнено теплоизоляцией.
Нагреватель выполнен из нагревостойкого кабеля с минеральной изоляцией в защитной металлической оболочке в виде свернутого в спираль кольца.
Перфорация на перфорированной пластине выполнена в виде равномерно расположенных отверстий в зоне расположения кожуха.
Тепловой экран выполнен из листового материала в виде кольца.
На чертеже изображен продольный разрез предложенного термостата для хроматографа.
Термостат состоит из корпуса 1 с дверцей 2 и откидной крышкой 3, теплоизолирующего экрана 4, образующего рабочую зону 5 с хроматографической колонкой 6. На входе теплоизолирующего экрана 4 установлены перфорированная пластина 7 и кожух 8, образующий смесительную камеру 9. Внутри кожуха располагается крыльчатка вентилятора 10. Теплоизолирующий экран 4 располагается относительно корпуса 1 с зазором 11. Нагреватель 12 устанавливается в кольцевом зазоре между кожухом 8 и задней стенкой корпуса 1. Между нагревателем-12 и задней стенкой корпуса 1 располагается тепловой экран 13. На задней стенке корпуса расположены входные 14 и выходные 15 каналы с механизмом привода заслонок 16. На крышке 3 установлен датчик температуры 17.
Корпус 1 состоит из двух стенок, изготовленных из листового материала, стянутых полыми втулками, пространство между которыми заполнено теплоизоляцией. Теплоизоляция корпуса 1, дверцы 2 и крышки 3 выполнена многослойной из пористых базальтовых плит с размещенными между ними слоями металлической фольги, имеющими коэффициент отражения инфракрасной энергии не менее 0,9.
Теплоизолирующий экран 4 содержит два слоя листового материала толщиной 0,2-0,5 мм, полые втулки, скрепляющие слои на расстоянии 3-5 мм, и теплоизоляторы, обернутые теплоустойчивой тканью и размещенные между слоями по периметру.
Перфорированная пластина 7 изготавливается из листового материала толщиной 0,4-0,6 мм, перфорация в пластине выполняется в виде равномерно расположенных отверстий в зоне расположения кожуха 8 при условии исключения попадания посторонних предметов со стороны рабочей зоны 5 в крыльчатку вентилятора 10 и создания минимальных аэродинамических потерь потоку воздуха.
Кожух 8 выполняется в виде цилиндра из листового материала толщиной 0,4-0,6 мм с внутренним диаметром на 3-8 мм больше наружного диаметра крыльчатки вентилятора 10.
Нагреватель 12 изготавливается из нагревостойкого кабеля с минеральной изоляцией в защитной металлической оболочке, свернутой по спирали с наружным диаметром 20-30 мм, с расстоянием между соседними витками спирали 3-8 мм в кольцо с внутренним диаметром на 10-20 мм больше, чем наружный диаметр крыльчатки вентилятора 10.
Тепловой экран 13 имеет форму кольца, выполненного из листового материала толщиной 0,4-0,6 мм, располагается на расстоянии 0,5-4 мм от нагревателя 12 и на расстоянии 2-4 мм от задней стенки корпуса 1.
Работа термостата осуществляется следующим образом.
После начала вращения крыльчатки вентилятора 10 и включения нагревателя 12, воздух движется через нагреватель 12, крыльчатку вентилятора 10, смесительную камеру 9, перфорацию в пластине 7 в рабочую зону термостата 5. Кожух 8 выполняет направляющую функцию и обеспечивает эффективную работу крыльчатки вентилятора 10. Поток воздуха в рабочей зоне 5 ограничен теплоизолирующим экраном 4, поэтому он сначала достигает дверцы 2, затем по зазору 11 проходит через пространство между корпусом 1, крышкой 3 и теплоизолирующим экраном 4 с кожухом 8 и возвращается на нагреватель 12. Горячий воздух, циркулируя в объеме термостата, нагревает хроматографическую колонку 6. Температура воздуха в рабочей зоне 5 контролируется датчиком температуры 17.
Приведенный цикл теплообмена повторяется многократно и создает достаточно однородное тепловое поле в рабочей зоне 5 термостата.
Тепловое поле с большим градиентом температуры устанавливается вблизи дверцы 2, в зазоре 11, пространстве между кожухом 8 и корпусом 1 с крышкой 3 и зависит от потерь тепловой энергии из внутреннего объема термостата через корпус 1, дверцу 2 и крышку 3, а также мощности нагревателя 12.
Управление нагревателем 12 и механизмом привода заслонок 16 осуществляется регулятором, например, по ПИД-закону. При низких температурах термостатирования, т.е. близких к температуре окружающей среды, поддержание температуры проводится совместным взаимодействием нагревателя 12 и механизма привода заслонок 16, при этом циркулирующий в термостате горячий воздух смешивается с холодным, входящим в термостат через входной канал 14, а избыточный, смешанный воздух, удаляется из термостата через выходной канал 15.
При высоких температурах термостатирование осуществляется за счет подвода строго дозированной мощности, компенсирующей потери энергии термостатом, к нагревателю 12, как правило, при закрытых механизмом привода заслонок 16 каналах 14 и 15. Количество мощности регулируется ПИД-регулятором.
Работа термостата в режиме охлаждения проводится при выключенном нагревателе 12 с полностью открытыми каналами 14 и 15. Смешивание холодного воздуха, подаваемого крыльчаткой вентилятора 10 внутрь термостата, приводит к быстрому понижению его температуры. Наличие прямоточного входного канала 14 снижает аэродинамическое сопротивление входящего в термостат холодного воздуха.
Теплообмен воздушных потоков внутри термостата при закрытых каналах 14 и 15 организован с минимальным энергопотреблением: исключена возможность смешивания горячего и холодного воздуха, снижены аэродинамические потери кожуха 8 и нагревателя 12, а также, вследствие установки теплового экрана 13 между нагревателем 12 и задней стенкой корпуса 1, уменьшены потери пепловой энергии.
Размещение нагревателя 12 между кожухом 8 и задней стенкой корпуса 1 и применение при его изготовлении нагревостойкого кабеля увеличивают площадь теплообмена, жесткость и надежность нагревателя и, как следствие, в 3-5 раз увеличивают наработку на отказ термостата.
Экспериментальная проверка заявляемого изобретения проведена путем доработки термостата хроматографа ЛГХ-3000. Нагреватель 12 изготавливался из нагревостойкого кабеля КНМСНХ-Н 1×0,283 ТУ 16-505.564-75, свернутого по спирали с наружным диаметром 23 мм и шагом 7,5 мм в кольцо с внутренним диаметром 188 мм. Электрическая мощность нагревателя при напряжении на его зажимах 220 В равна 2,0 кВт. Испытание термостата показали, что точность поддержания изотерм в рабочей зоне термостата 5 была не хуже ±0,1°С, а скорость нагрева лежала в пределах от 52 до 26°С/мин при изменении температуры термостата от 30 до 350°С. Термостат по заявляемому изобретению имеет наработку на отказ не менее 10000 часов.
Таким образом, размещение нагревателя между кожухом и задней стенкой корпуса исключает прямое тепловое воздействие нагревателя на колонку, снижает аэродинамическое сопротивление воздуха, циркулирующего внутри термостата, а также позволяет увеличить площадь теплообмена нагревателя, снизить его температуру и повысить надежность работы термостата.