КАЛОРИМЕТР ПЕРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ (ВАРИАНТЫ)
CALORIMETER OF ALTERNATING TEMPERATURE (VERSIONS)

Изобретение относится к области исследования свойств материалов с помощью калориметрических измерений и может быть использовано в калориметрах переменной температуры, в которых мерой количества теплоты является изменение температуры калориметра.
а
а
а
с
с
Калориметры переменной температуры состоят из двух основных частей: калориметрического сосуда, наполненного жидкостью (в который помещают камеру для проведения исследуемого процесса), и калориметрической оболочки. Оболочка окружает калориметрический сосуд и либо обеспечивает определенные условия теплообмена калориметрического сосуда со средой - изотермическая оболочка (Т=const, где Т - температура оболочки), либо устраняет теплообмен - адиабатическая оболочка (Т=Т, где Т - температура калориметрического сосуда) (Колесов В.П. Основы термохимии. М., Изд-во МГУ, 1996, 205 с.).
Количество теплоты, выделившееся в опыте, вычисляют по методу теплового эквивалента, согласно которому изменение температуры калориметрического сосуда (с поправкой на теплообмен сосуда и оболочки) прямо пропорционально измеряемой тепловой энергии, а коэффициент пропорциональности - тепловой эквивалент, определяют градуировкой калориметра (Васильев Я.В., Мацкевич Н.И. Тепловой эквивалент линейных калориметрических систем. - В сб. Калориметрия в адсорбции и катализе. Сборник научных трудов, Новосибирск, ИК СО АН СССР. 1984, с.90).
а
При проведении калориметрических измерений требуется знание температуры оболочки Т либо для определения поправки на теплообмен сосуда и оболочки, что используется в расчетах, либо для управления температурой оболочки.
Известен ближайший к заявляемому изобретению по назначению и достигаемому результату бомбовый калориметр переменной температуры для определения теплоты сгорания топлива (и его варианты), содержащий заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой (с бомбой) для проведения исследуемого процесса, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда (во всех вариантах калориметра-прототипа), датчик температуры калориметрической оболочки (2-й, 3-й и 5-й вариант калориметра-прототипа) и вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты по методу теплового эквивалента в функции либо (в соответствии с вариантом) только от температуры калориметрического сосуда, либо в функции от температуры калориметрического сосуда и калориметрической оболочки. Калориметрическая оболочка в 4-м варианте калориметра-прототипа выполнена изотермической, в 5-м варианте - адиабатической (RU 2334961, G01K 17/00, G01N 25/20, 27.09.2008).
Недостатком калориметра, выбранного за прототип, является недостаточная точность калориметрических измерений, так как отдельные части калориметрической оболочки имеют разную температуру, хотя и изготовлены из высокотеплопроводного материала. Особенно заметно отклонение температуры крышки оболочки, через которую осуществляется доступ в калориметрический сосуд.
Задачей заявляемого изобретения является разработка калориметра переменной температуры, который позволит повысить точность калориметрических измерений.
а
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым калориметром переменной температуры, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой для проведения исследуемого процесса, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, датчик температуры калориметрической оболочки и вычислительный блок для определения количества теплоты в функции от температуры калориметрического сосуда и калориметрической оболочки по методу теплового эквивалента, в котором, согласно изобретению, калориметрическая оболочка снабжена дополнительными датчиками температуры, а вычислительный блок выполнен с реализацией указанной функции по показаниям всех термометров на калориметрической оболочке, для чего температура оболочки Т вычисляется по формуле
,
а
где Т - температура оболочки для вычисления измеренного количества теплоты по методу теплового эквивалента;
i
T - показания i-го термометра оболочки;
i
i
S - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром T;
i
i
α - коэффициент теплообмена поверхности S.
а
а
Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым калориметром переменной температуры, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой для проведения исследуемого процесса, окруженный изотермической калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда и вычислительный блок для определения количества теплоты в функции от температуры калориметрического сосуда по методу теплового эквивалента, в котором, согласно изобретению, на изометрической калориметрической оболочке установлены термометры в количестве не менее двух, при этом калориметр оснащен терморегулятором оболочки с реализацией функции управления Т=const, где Т - температура оболочки, вычисляемая по показаниям всех термометров калориметрической оболочки по формуле
,
i
где T - показания i-го термометра оболочки;
i
i
S - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром T;
i
i
α - коэффициент теплообмена поверхности S.
а
с
с
а
Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым калориметром переменной температуры, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с камерой для проведения исследуемого процесса, окруженный адиабатической калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, датчик температуры адиабатической калориметрической оболочки и вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты по методу теплового эквивалента, в котором, согласно изобретению, адиабатическая калориметрическая оболочка снабжена дополнительными датчиками температуры, при этом калориметр оснащен терморегулятором оболочки, выполненным с реализацией функции управления Т=Т, где Т - температура калориметрического сосуда, Т - температура оболочки, вычисляемая по показаниям всех термометров калориметрической оболочки по формуле
,
i
где T - показания i-го термометра оболочки;
i
i
S - площадь поверхности калориметрического сосуда, участвующая в теплообмене с поверхностью оболочки, температура которой измеряется термометром T;
i
i
α - коэффициент теплообмена поверхности S,
а вычислительный блок для определения количества выделившейся теплоты выполнен в функции от температуры калориметрического сосуда.
i
i
i
i
Все предложенные варианты изобретения обеспечивают повышение точности измерений за счет точного измерения температуры оболочки с помощью дополнительно установленных термометров и суммирования их показаний по вышеприведенной формуле. С достаточной для практики точностью можно принять, что величина коэффициента теплообмена α поверхности S обратно пропорциональна расстоянию между поверхностями теплообмена, так как согласно теории теплообмена вектор плотности теплового потока направлен по нормали к изотермической поверхности (S) и его положительное направление совпадает с направлением убывания температуры (В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. Теплопередача М., Энергоиздат, 1981, с.10). Таким образом, коэффициенты α для каждого термометра определяется по геометрическим размерам калориметрического сосуда и оболочки.
а
а
а
а
а
с
а
В первом варианте изобретения точное значение температуры оболочки Т будет использовано непосредственно в расчете измеренного количества теплоты. Во втором варианте изобретения точное значение температуры оболочки Т будет использовано терморегулятором для стабилизации температуры изотермической оболочки (для расчета количества теплоты по методу теплового эквивалента в калориметре с изотермической оболочкой при Т=const значения Т не требуется). В третьем варианте изобретения в калориметре с адиабатической оболочкой точное значение температуры оболочки Т будет использовано для регулирования ее температуры таким образом, чтобы температура поверхности калориметрического сосуда Т и температура поверхности оболочки Т сравнялись, исключая тем самым теплообмен между ними.
с
1
2
3
с
а
1
2
3
На фигуре схематически изображен бомбовый калориметр по предлагаемому изобретению. В калориметрический сосуд 1 помещена камера для проведения исследуемого процесса 2 (например, калориметрическая бомба). Калориметрический сосуд 1 заполнен жидкостью 3 и снабжен мешалкой 4, имеющей магнитный привод 5. На поверхности 6 калориметрического сосуда 3 установлен термометр Т. Калориметрический сосуд 1 окружен калориметрической оболочкой 7 с крышкой 8. На калориметрической оболочке установлены термометры T, T и Т для измерения ее температуры. Вычислительный блок 9 служит для вычисления выделившейся теплоты по методу теплового эквивалента по данным о температуре калориметрического сосуда (по термометру Т) и по данным о температуре калориметрической оболочки - величина Т, вычисляемая по данным термометров оболочки Т, Т и Т.
Калориметр согласно изобретению работает следующим образом.
с
1
2
3
а
с
а
а
с
а
Проводят калориметрический опыт обычным образом и регистрируют данные о температуре калориметрического сосуда Т и о температуре калориметрической оболочки по термометрам T, Т и Т. Затем вычисляют точную температуру оболочки Т по вышеприведенной формуле. Вычислительный блок в первом варианте изобретения использует температуру Т и Т для расчета результата калориметрического опыта. Во втором и третьем вариантах изобретения точное значение температуры оболочки Т используется терморегулятором либо для стабилизации температуры изотермической оболочки, либо для выравнивания температур поверхности калориметрического сосуда Т и поверхности адиабатической оболочки Т.
Таким образом, предложен калориметр переменной температуры (варианты), который за счет точного измерения температуры оболочки с помощью дополнительно установленных термометров и суммирования их показаний позволяет существенно повысить точность калориметрических измерений.