DE3034667C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Brennwerts eines Brennstoffs, mit einer kalorimetrischen Bombe, die ein Gehäuse aufweist, das eine Kammer definiert, in der eine Probe des Brennstoffs verbrannt wird, sowie mit Einrichtungen zur Messung der Temperatur des Gehäuses über eine Zeitperiode, um dadurch den Brennwert des Materials zu bestimmen.

Kalorimetrische Messungen wurden für viele Jahre mit Hilfe von adiabatischen oder isothermischen Bomben-Kalorimeter-Systemen durchgeführt. Beide Systeme verwenden eine abgedichtete Bombe, in der eine Probe des zu testenden Materials in einer Sauerstoffat­ mosphäre unter Hochdruck verbrannt wird. Die Bombe wird in Wasser eingetaucht, das in einem kalorimetrischen Gefäß gehalten wird, und das Wasser wird kontinuierlich mit Hilfe einer Rühreinrich­ tung zirkuliert. Die Wassertemperatur wird kontinuierlich oder periodisch gemessen. Bei dem isothermischen System ist das Gefäß innerhalb eines Mantels mit umgerührtem Wasser angeordnet, von dem es durch einen Luftzwischenraum isoliert ist, und die Tempe­ ratur des Wassers in dem Mantel wird konstant gehalten. Bei dem adiabatischen System ist das Gefäß in einem ähnlichen Wasserman­ tel angeordnet, es sind jedoch Steuereinrichtungen vorgesehen, um die Temperaturen des Wassermantels und des Gefäßes im wesentli­ chen konstant zu halten, d. h. unter adiabatischen Bedingungen.

In jedem Fall ist die Wärmekapazität des kalorimetrischen Gefä­ ßes, das das Wasser und die Bombe enthält, beachtlich, und dies verlängert im beachtlichen Ausmaß die für eine kalorimetrische Bestimmung erforderliche Zeit. Die Systeme sind darüber hinaus Fehlern unterworfen, die mechanisch eingeführt werden, beispiels­ weise durch die Umrühreinrichtung in dem kalorimetrischen Gefäß, die eine variierende Geschwindigkeit besitzen kann und auf das Wasser aufgrund von Reibungseffekten Wärme überträgt. Bei den bekannten Kalorimetern sind die Umrühreinrichtungen wesentlich, da in den Wassermänteln notwendigerweise eine gleichförmige Temperatur vorhanden sein muß.

Eine volle Diskussion der z. Zt. bei kalorimetrischen Bestimmun­ gen verwendeten Verfahren ist in einem Buch enthalten, das von dem südafrikanischen Standard-Büro veröffentlicht ist und den Titel "Standard Methods Sabs Method 929" trägt und dessen inter­ nationale Standard-Buchnummer 0-626-04 686-6 lautet.

Bei einem bekannten Kalorimeter der eingangs genannten Art (US-PS 34 51 267) wird die kalorimetrische Bombe mit ihrer halbkugeligen Unterseite in einen entsprechend geformten Ring eingesetzt, in dem Thermopaare zur Messung der Temperatur angeordnet sind. Der Wärmeübergang zwischen der kalorimetrischen Bombe und dem Halte­ ring erfordert einen zusätzlichen zwischengelegten Wärmeübertra­ gungsring. Bei dem Wärmeübertragungsring zwischen der kalorimetrischen Bombe und den Thermofühlern kann es Probleme geben.

Ebenfalls bekannt ist ein Kalorimeter (DE-Buch Hemminger/Höhne: Grundlagen der Kalorimetrie, Weinheim 1979, S. 163), bei dem in einer Längsbohrung der kalorimetrischen Bombe das Vorratsgefäß eines Quersilberthermometers eingesetzt ist. Auch hier ist die Genauigkeit des Wärmeübergangs von der exakten Präzision der zueinander gehörenden Teile abhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei hoher mechanischer Festigkeit eine exakte Messung des Brennwertes ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß das Gehäuse einen Körper, in dem die Kammer gebildet ist, und einen Mantel aus einem thermisch leitenden Material aufweist, der in engem thermischen Kontakt mit dem Körper steht, wobei die Tempe­ raturmeßeinrichtung zwischen dem Körper und dem Mantel angeordnet ist.

Der zweiteilige Aufbau hat den Vorteil, daß die beiden Teile aus Materialien hergestellt werden können, die dem speziellen Verwen­ dungszweck angepaßt sind. So kann beispielsweise der Körper aus rostfreiem Stahl bestehen, der der Bombe die notwendige Festig­ keit verleiht, um den während der Verbrennung auftretenden Drücken zu widerstehen, und der Mantel kann eine relativ dünne äußere Hülse sein.

Es ist jedoch unter bestimmten Umständen möglich, daß der Mantel aus einem Material, wie beispielsweise Kupfer besteht, und die Hauptmasse des Gehäuses darstellt, wobei der Körper im wesentli­ chen aus einer Beschichtung aus einem korrosions- und hitzebe­ ständigem Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, besteht und die Brennkammer bildet.

Allgemein macht die Verwendung zweier Komponenten für das Gehäuse es relativ einfach, die Temperaturmeßeinrichtung in dem Gehäuse zu ordnen. Wäre beispielsweise das Gehäuse vollständig aus rostfreiem Stahl hergestellt, würde es schwierig sein, geeignete Formationen in dem Gehäuse für die Temperaturmeßeinrichtungen zu bilden. Wenn andererseits das Gehäuse nur aus Kupfer bestehen würde, das sich relativ leicht bearbeiten läßt, würde es nur eine geringe Widerstandskraft gegenüber Korrosion besitzen.

Die von der Erfindung vorgeschlatene Vorrichtung kann folgender­ maßen benutzt werden:

Vor der Verbrennung der Probe wird die stabilisierte Temperatur des Gehäuses gemessen, elektrisch eine bestimmte Wärmeenergie in das Gehäuse eingeführt, die sich ergebende Temperaturänderung in dem Gehäuse gemessen und dass Wärmeäquivalent der kalorimetrischen Bombe dadurch bestimmt, daß die stabilisierte Temperatur mit der Temperaturänderung über eine Zeitspanne verglichen wird.

Auf diese Art wird das Wärmeäquivalent oder die Wärmekapazität des Gehäuses für Eichungszwecke bestimmt. Daher besteht im Gegensatz zu den bekannten Kalibrierungsverfahren keine Notwen­ digkeit, eine Standardprobe, beispielsweise von Phenylameisensäu­ re, in der Brennkammer für Kalibrierungszwecke zu verbrennen.

Das Gehäuse kann zwischen der Verbrennung aufeinander folgender Proben in jeder geeigneten Art gekühlt werden. Wenn es jedoch beispielsweise zur Kühlung in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, so ist es wesentlich, das Gehäuse vollständig zu trocknen, so daß dessen Wärmekapazität nicht von an dem Gehäuse anhaftenden Flüs­ sigkeitstropfen beeinträchtigt wird. Probleme dieser Art können dadurch vermieden werden, daß die kalorimetrische Bombe nach dem Verbrennen einer Probe mit Hilfe des Peltier-Effektes gekühlt wird. Dazu wird das geheizte Gehäuse in thermischem Kontakt mit einem Peltier-Element gebracht, durch das ein Strom fließt. Die wärmere Komponente des Peltier-Elementes kann mit Hilfe bei­ spielsweise eines Luft- oder Wasserstromes gekühlt werden.

In Weiterbildung kann vorgesehen sein, daß die Temperaturmeßein­ richtung mit elektrischen Anschlüssen an der Außenseite des Gehäuses verbunden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Körper mit einer Vielzahl von Nuten gebildet, die von dem Mantel abdeck­ bar sind, und die Temperaturmeßeinrichtung weist eine Vielzahl von in den Nuten angeordneten Temperaturfühlern bzw. Sensoren auf.

Zum Zwecke der Kalibrierung der Bombe, d. h. zur Bestimmung ihrer wirksamen Wärmekapazität, kann eine elektrische Heizeinrichtung in dem Gehäuse zu dessen Beheizung angeordnet sein.

Die kalorimetrische Bombe kann in einem isothermischen oder adiabatischen Gehäuse verwendet werden. Es wird jedoch vorzugs­ weise ein thermisch-statischer Mantel verwendet, daher schlägt die Erfindung eine Verkleidung für die Bombe aus wärmeisolieren­ dem Material vor, beispielsweise aus Polystyrol.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Hierbei zeigt

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer beispielhaften Vorrichtung und

Fig. 2 schematisch eine Möglichkeit zur Kühlung der kalorimetrischen Bombe.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält eine kalorimetrische Bombe 10, eine wärmeisolie­ rende Umkleidung 12 aus Polystyrol und einen Meßwertanzeiger 14.

Die Bombe 10 enthält ein Gehäuse 16, in dem eine Brennkammer 18 gebildet ist. Das Gehäuse 16 enthält einen Körper 20 aus rostfreiem Stahl mit einer Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten 22, die in der äußeren Oberfläche ein­ gearbeitet sind, sowie eine dicht aufgepaßte Kupferhülse 24, die den Körper 20 umgibt und in engem thermischen Kontakt mit diesem steht.

Ein Deckel 26 aus rostfreiem Stahl, der eine Sauerstoff­ einlaßverbindung 28 und zwei isolierte Elektroden 30 und 32 aufweist, wird verwendet, um die Kammer abzudichten. Die Elektroden verlaufen in die Kammer 18, und ein Tiegel 34 aus rostfreiem Stahl wird von der Elektrode 32 gehaltert. Ein Schmelzdraht 36 erstreckt sich zwischen den Elektroden in den Tiegel 34. Gegenüber dem Tiegel ist ein Schild 38 angeordnet.

Ein Ring 40 aus Aluminiumbronze ist in den Körper 20 einge­ schraubt, um den Deckel 28 in seiner Stellung zu halten. Temperatursensoren 42, beispielsweise Halbleiter- oder Pla­ tinwiderstandstypen, sind in einigen der Nuten 22 angeordnet, d. h. zwischen dem Körper 20 und der Hülse 24 und in gutem thermischen Kontakt mit dem Körper. Die Sensoren sind mit Anschlüssen 44 an der Außenseite des Bombengehäuses ver­ bunden, und wenn die Bombe in der Verkleidung 12 angeordnet ist, kontaktieren die Anschlüsse 44 entsprechende Anschlüs­ se 46 an der Verkleidung 12, die mit dem Datenmeß- bzw. Anzeigegerät 14 verbunden sind.

Elektrische Heizelemente 48 sind in den übrigen Nuten 22 angeordnet. Diese Elemente enden in Kontakten 50, die mit entsprechenden Kontakten 52 an der Verkleidung 12 in Eingriff bringbar sind, die ihrerseits durch einen Ener­ giemesser 54, beispielsweise ein Wattmeter, mit einer elek­ trischen Quelle 56 verbindbar sind. Die Kontakte 46 und 52 sind in Praxis derart ausgebildet, daß Wärmeleitungsver­ luste durch sie minimiert sind.

Die Vorrichtung wird anfangs folgendermaßen kalibriert, indem ihre Wärmekapazität oder ihr Wärmeäquiva­ lent bestimmt werden.

Die Bombe wird ohne Probe in dem Tiegel 34 in die Verkleidung 12 eingesetzt, die abgedichtet wird. Das System ist in der Lage, in thermisches Gleichgewicht zu gelangen, wobei dies durch Messen der Temperatur der Bombe mit Hilfe der Sensoren 42 überprüft wird. Die von den Sensoren angezeigten Temperaturen werden mit Hilfe der Datenmeßeinrichtung 14 aufgezeichnet oder überwacht, und wenn konstante Temperaturbedingungen er­ reicht sind, wird die Quelle 56 dazu verwendet, in die Heiz­ elemente 48 eine vorbestimmte Energiemenge einzubringen, die mit Hilfe des Energiemessers 54 gemessen wird. Der sich erge­ bende Temperaturanstieg der Bombe wird automatisch mit Hilfe der Sensoren 42 gemessen und von dem Datenmeßgerät aufgezeich­ net. Wenn wieder thermische Stabilität erreicht ist, wird der Temperaturanstieg, d. h. die Differenz zwischen der Anfangs- und der Endtemperatur, dazu verwendet, die effektive Wärme­ kapazität zu berechnen, die in Standardeinheiten, beispiels­ weise Joule pro Grad Kelvin ausgedrückt wird.

Dieser Kalibrierungsprozeß kann mit Leichtigkeit und schnell ausgeführt werden, im wesentlichen deshalb, weil er elektrisch durchgeführt wird, im Gegensatz zu dem standardisierten Phe­ nylameisensäureverfahren, siehe beispielsweise das oben er­ wähnte Buch von SABS.

Die Bombe wird zu ihrem Gebrauch dadurch vorbereitet, daß eine Probe bekannter Masse des zu testenden Brennstoffes in den Tiegel 34 eingesetzt wird, wobei der Schmelzdraht 36 in die Probe hineinreicht. Eine geringe Menge Wasser wird in die Kammer hinzugefügt und die Vorrichtung dann zusammen­ gesetzt.

Eine Unterlegscheibe 60 aus geeignetem druckdeformierbarem wärmeleitenden Material wird zwischen den Körper 20 und den Deckel 26 eingelegt und festgeklemmt, um eine gute Wärme­ übertragung zwischen diesen Teilen zu gewährleisten. Anschließend wird die Kammer durch die Verbindung 28 mit Sauerstoff bis zu einem Druck von etwa 30 atü gefüllt.

Anschließend wird die Bombe in die Verkleidung 12, wie in Fig. 1 dargestellt, eingesetzt. Die von den Sensoren 42 ge­ messene Temperatur des Gehäuses 16 wird von der Datenmeß­ einrichtung 14 aufgezeichnet, und wenn thermische Stabilität erreicht ist, wird die Bombe automatisch gezündet, indem ein elektrischer Impuls in den Schmelzdraht 36 geleitet wird. Die Probe zündet dann in der gesättigten Sauerstoff­ atmosphäre, um vollständig zu verbrennen. Die Temperatur des Körpers 20 steigt an, und die Kupferhülse 24, die in hohem Maße wärmeleitend ist, hilft mit, die Temperatur über die äußere Oberfläche des Körpers 20 auszugleichen, wo die Sensoren 42 angeordnet sind. Die thermische Trägheit des Systemes ist in beachtlichem Ausmaße verringert im Vergleich zu den bekannten Geräten, da die Schnittstellen zwischen der Bombe und der Wasserhülse und zwischen der Wasserhülse und ihrem Behälter beseitigt sind. Daher steigt die Temperatur schneller an und wird die thermische Stabili­ tät in einer kürzeren Zeit erreicht. Der von den Sensoren 42 gemessene Temperaturanstieg wird, wie oben beschrieben, mit Hilfe des Datenaufzeichnungsgerätes 14 überprüft und aufge­ zeichnet.

Die wirksame Wärmekapazität der Anordnung, die vorher während der Kalibrierung bestimmt wurde, wird mit dem durch die verbrann­ te Probe erzeugten Temperaturanstieg multipliziert, um die gesamte während der Verbrennung der Probe freigegebene Wärme­ menge zu errechnen.

Wie beispielsweise in dem obengenannten SABS-Buch beschrie­ ben, werden anschließend Korrekturfaktoren, die Hitze von dem Schmelzdraht und andere Parameter berücksichtigen, ange­ wendet, um den oberen Heizwert der Probe zu bestimmen.

Das Kalorimeter wird anschließend aus der Verkleidung 12 herausgenommen und gereinigt. Das Kalorimeter kann auch ge­ kühlt werden. Dies kann auf die schematisch in Fig. 2 dar­ gestellte Art geschehen. Die erhitzte kalorimetrische Bom­ be 10 wird in thermischen Kontakt mit einem Peltier-Element 62 gebracht und Strom aus einer Quelle 64 wird durch das Element geleitet. Ein Luft- oder Wasserstrom 66 wird auf die heißere Komponente des Peltier-Elementes geleitet, um diese zu kühlen. Dieses Verfahren vermeidet die bei Wasserkühlung des Kalori­ meters auftretenden Probleme, insbesondere die Notwendigkeit, sicherzustellen, daß alle Wassertropfen von dem Kalorimeter entfernt werden. Als eine Alternative kan das Kalorimeter auch dadurch gekühlt werden, daß ein Luftstrom von einem Ventilator über die Bombe geleitet wird.

Die kalorimetrische Bombe nach der Erfindung kann selbst­ verständlich auch in einem herkömmlichen isothermischen oder adiabatischen System verwendet werden. Eine derartige Ver­ wendung zieht jedoch die Verwendung einer Temperatursteuer­ einrichtung nach sich. Die Verwendung der thermisch statisch isolierenden Verkleidung 12, die einem hochwirksamen isother­ mischem System äquivalent ist, vermeidet den Gebrauch derar­ tiger Steuereinrichtungen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Brennwerts eines Brenn­ stoffs, mit einer kalorimetrischen Bombe (10), die ein Gehäuse (16) aufweist, das eine Kammer (18) definiert, in der eine Probe des Brennstoffs verbrannt wird, so­ wie mit Einrichtungen (14, 42) zur Messung der Tempe­ ratur des Gehäuses (16) über eine Zeitperiode, um da­ durch den Brennwert des Materials zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) einen Körper (20), in dem die Kammer (18) gebildet ist, und einen Mantel (24) aus einem thermisch leitenden Material aufweist, der in engem thermischen Kontakt mit dem Körper (20) steht, wobei die Temperaturmeßeinrichtung (42) zwi­ schen dem Körper (20) und dem Mantel (24) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung (42) mit an der Außenseite des Gehäuses (16) angeordneten elektrischen Anschlüssen (44) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Körper (20) mit einer Vielzahl von Nuten (22) gebildet ist, die von dem Mantel (24) abgedeckt sind, und daß die Temperaturmeßeinrichtung eine Vielzahl von in den Nuten (22) angeordneten Temperatursensoren (42) enthält.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie in dem Gehäuse (16) zum Heizen des Gehäuses angeordnete elektrische Heizeinrichtung (48) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie eine Verkleidung (12) aus wärmeiso­ lierendem Material aufweist, in der die kalorimetrische Bombe (10) angeordnet ist.