DE3336806A1

DE3336806A1 - Verfahren zur messung des schmelzpunktes und des siedepunktes von gasen

Info

Publication number: DE3336806A1
Application number: DE19833336806
Authority: DE
Inventors: Koji Sapporo Fujioka
Original assignee: Hoxan Corp
Current assignee: Hoxan Corp
Priority date: 1982-10-13
Filing date: 1983-10-10
Publication date: 1984-04-26
Also published as: GB2131536A; GB8325403D0; US4549816A; GB2131536B

Description

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InachgereichtT

HOXAN Corporation, Sapporo/Japan *"■ - '

Verfahren zur Messung des Schmelzpunktes und des Siedepunktes von Gasen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Schmelzpunktes und des Siedepunktes von Gasen. Es sind verschiedene Verfahren bekannt bspw. mit Hilfe eines Gaschromatographen die Reinheit eines Gases zu untersuchen und dabei gleichzeitig den Anteil verschiedener Gase in einer Gasmischung zu ermitteln. Die Untersuchungsverfahren sind verhältnismäßig kompliziert und die dazu verwendeten Apparate teuer*

Es ist ferner eine vom gleichen Erfinder ausgehende Vorrichtung zum genauen Messen des Schmelzpunktes eines Gases bekannt, bei der die Tatsache ausgenutzt wird, daß der Schmelzpunkt und der Siedepunkt eines Gases sich in Abhängigkeit von dem Anteil der Verunreinigungen, die in dem Gas enthalten sind ändert und daß der Schmelzpunkt und der Siedepunkt mit Bezug auf die jeweiligen Mischungsanteile einer Gasmischung vorherbestimmte Werte annehmen.

Bei dieser bekannten Einrichtung ist in einem Isolierbehälter mit Abstand von dessen inneren Wandungen eine Gasmeßzelle mit einer Temperaturmeßeinrichtung angeordnet, in die das Untersuchungsgas bzw. die Untersuchungsgasmischung eingebracht und mittels eines Druckregelers unter gleichbleibendem Druck gehalten wird. Die Gasmeßzelle wird in dem Isolierbehälter von einem Gasmedium als Temperaturübertragungsgas umströmt. Dieses Gasmedium wird ion außen her über zwei parallel nebeneinander verlaufende Heiz- bzw. Kühlleitungssysteme dem die Gasmeßzelle aufnehmenden Isolierbehälter zugeführt. Bdde Systeme weisen je einen Wärmeaustauscher mit sekundär Heiz- bzw. Kühlquelle und je ein, den Gasdurchfluß steuerndes Ventil auf. Mit Hilfe dieser beiden Systeme läßt sich die Temperatur des in den Isolierbehälter eingeführten und die Gasmeßzelle umströmenden Temperaturübertragungsgases durch Änderung der Durchflußquer-

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schnitte der Steuerventile so ändern, daß der Schmelz- bzw. der Siedepunkt des in der Gasmeßzelle enthaltenen Gases erreicht und über die Temperaturmeßvorrichtung der Gasmeßzelle angezeigt werden kann.

Der Nachteil dieser Vorrichtung liegt im wesentlichen darin, daß das Heiz- und das Kühlsystem separiert voneinander und gegeneinander sorgfältig isoliert in der gleichen Vorrichtung untergebracht werden müssen, was den Herstellungsaufwand für die Vorrichtung außerordentlich groß macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung so zu verbessern, daß die Notwendigkeit der isolierten Unterbringung beider Systeme vermieden und auch der für das Betreiben beider Systeme notwendige Energieaufwand verringert wird ohne daß die Vorteile der genauen Bestimmung der Werte für Schmelz- und Siedepunkt des Untersuchungsgases durch Steuerung der Temperatur des Übertragungsgases verloren gehen.

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der sekundäre Heizabschnitt für die Beheizung des Heizwärmeaustauschers in Reihe mit einem Joule-Thompson Ausdehnungsventil verbunden ist und der sekundäre"Kühlungsabschnitt für das Kühlen des Kühlungswärmeaustauschers in Reihe oder parallel zu einem Kompressor für das Komprimieren des Temperaturübertragungsgases geschaltet ist.

Die temperaturübertragungsgasquelle kann auch aus einem geschlossenen Tank bestehen, der durch eine Trennwand in oberhalb der Trennwand miteinander verbundene Teiltanks aufgeteilt ist, die den heizwärmeaustauscher und den Kühlungswärmeaustauscher bilden, wobei der sekundäre Heizabschnitt zur Beheizung des flüssigen Temperaturübertragungs· gases in dem Hetzwärmeaustauscher ein Joule-Thompson Ausdehnungsventil, ein sekundärer Kühlabschnitt zur Kühlung des flüssigen Temperaturübertragungsgases im Kühlungswärmeaustauscher, ein Kompressor zur Komprimierung des Temperaturübertragungsgases und ein Kondensator in Reihe miteinander verbunden sind und die aus den beiden Wärme-Kühlungswärmeaustauschern austretenden Temperaturübertragungsgase einem Auslaß über die Wärme- bzw. Kühlleitwege mit den Wärmedurchfluß- Kühlmitteldurchfluß-Steuerventilen zugeführt werden, während ein Rücklaufleitungssystem mit den Rücklaufleitungen über die RücklaufSteuerventile parallel zueinander vnn dem Auslaß des Zwischenraums des Isolierbehälters gespeist die Rückführung des Temperaturübertragungsgases aus dem Isolierbehälter in die beiden Wärmeaustauscher bildenden Teiltanks bewirken.

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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 das Leiitungsschaubild einer bekannten Meßvorrichtung, Fig. 2 das Leitungsschaubild eines Ausführungsbeispiels der

erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 3 das Leitungsschaubild eines anderen Ausführungsbeispiels der Meßvorrichtung,
Fig. 4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm der Arbeitsweise der

Meßvorrichtung und

Fig. 5 das Leitungsschaubild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Meßvorrichtung.

:. Die bekannte Meßvorrichtung besteht, wie aus Fig. 1 hervorgeht, aus einem Isolierbehälter 1, in dem ein Versuchstank 3 für die Gasmeßzellen 5 eingesetzt ist. Versuchstank 3 und Isolierbehälter 1 können durch einen Deckel 1 verschlossen werden. Die Gasmeßzelle 5 ist mit einer Temperaturmeßvorrichtung 4 ausgestattet. Der Zwischenraum 2 zwischen den Innenwandungen des Isolierbehälters 1 und den Außenwandungen des Versuchstanks 3 kann von dem Temperaturübertragungsgas umströmt werden. Das üntersuchungsgas tritt durch den, dabei geöffneten, Auslaß 7 eines Leitungssystems 6 in den Versuchstank 3 ein. Dies Leitungssystem 6 dient der Temperaturkontrolle für den Versuchstank 3und besteht aus einem Wärmeleitweg 12 mit hintereinander geschaltetem Wärmedurchfluß-Steuerventil 9 und Wärmeaustauscher 11 mit einer sekundären Heizquelle 10 und einem parallel dazu verlaufenden Kühlleitweg 16 mit ebenfalls parallel hintereinander angeordnetem Kühlungsdurchfluß-Steuerventil 13, Kühlwärmeaustauscher 15 mit sekundärer Kühlquelle 14. Diese beiden parallel zueinander verlaufenden Leitwege 12 und 16 sind über ein gemeinsames Einlaßsteuerventil 18 mit einer Temperaturübertragungsgas-Quelle 8 verbunden. An die Meßgsjszelle 5 ist ein Gasdruckregler 19 angeschlossen. Zwischen dem Isolierbehälter 1 und der Temperaturübertragungsgasquelle 8 ist, 'ausgehend von einem Auslaß 17 im Deckel 1 des Isolierbehälters 1- vorgesehene Öffnung 17

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eine Rücklaufleitung für das Temperaturübertragungsgas angeordnet. Im oberen Teil des Versuchstanks 3 befindet sich eine Überströmöffnung 27, die in den Zwischenraum 2 führt.

In dieser Meßvorrichtung wird die Temperatur des Temperaturübertragungsgases bei dessen Fluß aus der Quelle 8 über das Einlaßsteuerventil 18 in die beiden Wärme- bzw. Kühlungsleitwege 12, 16 durch Verstellung der Durchflußöffnungen des Wärmedurchfluß- bzw. Kühlungsdurchflußsteuerventils 9,13 gesteuert und kontrolliert, so daß das in den Versuchstank 3 einströmende Temperaturübertragungsgas das in der Gasmeßzelle 5 enthaltene Untersuchungsgas bei entsprechender I Herabsetzung der Temperatur des Temperaturübertragungsgases verfestigt, zum Schmelzen und zum Sieden gebracht werden kann. Die dabei maßgebenden Temperaturen werden von der Temperaturmeßvorrichtung 4 genau angezeigt.

Diese Meßvorrichtung nach Fig. 1 erfordert aber, wie schon anfangs dargelegt, einen erheblichen technischen Aufwand, weil die sekundäre Heizquelle 10 und die sekundäre Kühlungsquelle 14 voneinander getrennt und gegeneinander isoliert in dem Leitungssystem 6 untergebracht werden müssen und jede für sich während dieses Prozesses erhebliche Energien für das Kühlen bzw. Heizen erfordern.

Die Meßvorrichtung nach Fig. 2 ist grundsätzlich ebenso aufgebaut wie die beschriebene nach Fig. 1. Der Isolierbehälter ist hier mit 21 bezeichnet; seine Wandungen 22 und der Boden 23 bestehen aus Isolierschichten mit Vakuumzwischenlagen 22 und 23, und er ist mit einem Deckel 24 abgedeckt. In seinem Innern befindet sich der Versuchstank 25. Das Temperaturübertragungsgas strömt in später noch näher erläuterter Weise durch den Zwischenraum 26, der von den Außenwandungen des Versuchstanks 25 und den Innenwandungen 21 des Isolierbehälters 21gebildet wird. Im oberen Bereich des Versuchstanks 25 ist die Überströmöffnung 27 vorgesehen, die in den Zwischen-

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raum 26 führt. Um den äußeren Umfang des Versuchs tanks 25 ist ein (strichpunktiert dargestellter) Strahlungsschild 28 gelegt. Im Versuchstank 25 befindet sich die Gasmeßzelle 29, die das Untersuchungsgas enthält, dessen Schmelz- und Siedepunkt ermittelt werden soll. Der Gasmeßzelle 29 ist zu diesem Zweck eine Temperaturmeßvorrichtung 30, die außerhalb der Gasmeßzelle 29 abgelesen werden kann, zugeordnet. Diese Temperaturmeßvorrichtung 30 arbeitet mit einem Widerstandsthermometer mit einem Widerstand 30', der in der Gasmeßzelle 29 angeordnet ist. Mit 31 ist ein Ausgang aus dem Zwischenraum 26 des Isolierbehälters 21 durch dessen Deckel 26 bezeichnet, der über eine Rücklaufleitung 53 zur Gasübertragungsquelle 32 führt, die mit Helium oder einem anderen Gas gefüllt ist. Mit dieser ist ein Leitungssystem 34 über eine Umlaufpumpe 33 verbunden. Das Leitungssystem 34 setzt sich aus dem Wärmeleitweg 37 mit einem von Hand oder magnetisch gesteuerten Wärmedurchfluß-Steuerventil 35 und einem Heizwärmeraustauscher 36 mit sekundärer Heizquelle 41 und einem parallel dazu verlaufenden Kühlungsleitweg 40 mit einem Kühlungsdurchflußsteuerventil 38 und in Reihe zu diesem liegenden Kühlungsaustauscher 39 zus ammeη *

Bei dieser Anordnung sind die sekundären Heiz- bzw. Kühlungsquellen für das Beheizen bzw. Kühlen der Wärme- bzw. Kühlungsaustauscher 36 und 37 nicht einzeln und voneinander getrennt angeordnet. Die sekundäre Heizquelle 41 für den Heizwärmeaustauscher 36 ist als ein Zick-Zack-Rohr ausgebildet, liegt in Reihe mit einem Joule-Thomson-Ausdehnungssteuerventil 42 und einem Kühlabschnitt 43 für den Kühlungswärmeaustauscher 39 der ebenfalls als Zick-Zackrohr ausgebildet ist; dieser liegt in Reihe mit einem Kompressor 44 für ein Kühlmittel z.B. Freon. Ein Heizleitungsabschnitt 47 der in Reihe mit dem sekundären Heizabschnitt 41 des Heizwärmeaustauschers 36 liegt, ist ebenfalls über einen Kondensator 45 und ein Magnetventil mit dem Kompressor 44 verbunden. Der Kühlleitungsabschnitt 49 ist in Reihe mit einem Magnetventil 48 und dem J-T-Ausdehnungs-

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ventil 42 und dem sekundären Kühlungsabschnitt 43 des Kühlungswärmeaustauschers 39 parallel zu dem bereits erwähnten Steuerventil 46 geschaltet.

Bei der Ausbildung nach Fig. 3, die im übrigen die gleiche grundsätzliche Ausbildung der Meßvorrichtung wie die vorstehend erläuterte zeigt, ist der sekundäre Kühlabschnitt anders als bei der Ausbildung nach Fig. 2 parallel zu dem J-T-Ausdehnungsventil 42, dem Magnetventil 48* und dem Kondensator 45 über den Kühlleitungsabschnltt 49¹ mit dem Kompressor 44 verbunden. Der Heizleitungsabschnitt 47' mit dem Magnetventil 46* und dem sekundären Heizabschnitt 41 sowie der Kühlleitungsabschnitt 49' der in Reihe mit dem sekundären Kühlungsabschnitt 43, dem J-T-Ausdehnungsventil 42 einem Magnetventil 48* und den Kondensator 45 liegt, sind parallel zueinander mit dem Kompressor 44 verbunden.

In beiden Ausführungsbeispielen wird der sekundäre Heizleitungsabschnitt 41 durch ein Hochdruckkühlmittel-Gas beheizt, das ihu vom Kompressor 44 über die Magnetventile 46,48 bzw. 46^f, 48' zugeführt wird. Das Kühlmittelgas wird dann durch den Kondensator 45 verflüssigt und dann adiabatisch mittels des J-T-Ausdehnungsventils 42 ausgedehnt und kühlt durch den damit verbundenen Temperaturabfall den sekundären Kühlabschnitt 43. Das Kühlmittelgas wird dann zum Kompressor 44 zurückgeführt und dort erneut kompremiert und in ein ümlaufsystem eingebracht.

Bei der Ausbildung nach Fig. 2 wird der sekundäre Heizab.schnitt 41 ständig durch den Kompressor 44 beheizt während bei der Ausbildung nach Fig. 3 dieser sekundäre Heizabschnitt und der Kühlabschnitt 43 selektiv durch die Arbeit der beiden Magnetventile 46' und 48 beheizt oder gekühlt werden.

In den Flg. 2 und 3 1st an der Ausgangsseite des Leitungssystems 34 ist ein Temperaturfühler 51 mit einem Mischer

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vorgesehen, von diesem führt eine Leitung durch den Isolierbehälter 21 in den oberen Teil über der Gasmeßzelle 29 des Versuchstanks 25. Der Auslaß 31 für den Zwischenraum 26 ist über eine Rücklaufleitung 53 zur Temperaturübertragungsgasquelle geführt.

Die Druckregeleinrichtung 54 arbeitet mit der Gasmeßzelle 29 zusammen um den Innendruck in dieser konstant auf einem festgelegten Wert zu halten. Die Einrichtung weist einen Druckregelbehälter 56 mit einem Druckfühler 57 auf, der mit der Gasmeßzelle 29 über eine Kapilarleitung 55 in der Weise zusammenwirkt, daß das Maß der Durchflußöffnung eines GasdurchfluSsteuerventils 59 durch einen Druckregeier 58 reguliert wird, zu dem der Ausgang des Druckfühlers 57 führt. Dabei wird die Stärke des Gasstroms kontrolliert, der von der Gasquelle 60 in den Druckregelbehälter 56 führt.

Wenn das Untersuchungsgas in der Meßzelle 29 sich in der Gasphase befindet, wird das Temperaturübertragungsgas, das den Heizwärmeaustauscher 36 des Wärmeleitweges 37 durchströmt, durch den sekundären Heizabschnitt 41 aufgeheizt, weil das Temperaturübertragungsgas von der Temperaturübertragungsgasquelle 32 unter dem Druck der Umlaufpumpe 33 reguliert durch die Durchflußöffnungen der Wärmedurchfluß-bzw. Kühlmitteldurchflußsteuerventile 38 und das Magnetventil 48 innen durchströmt. Gleichzeitig wird das Wärmeübertragungsgas, das den Kühlungswärmeaustauscher 39 durchströmt, durch den sekundären Kühlabschnitt 43 gekühlt. Auf diese Weise werden beide Teile des Temperaturübertragungsgases im Mischer 50 gemischt und auf die vorgesehene Temperatur wird durch den Auslaß 52 des Leitungssystems 34 in den Versuchstank 25 eingeführt.

Durch den beschriebenen Vorgang wird die Meßgaszelle 29, d i *■ in dem Versuchstank 25 angeordnet ist, durch das Temperaturübertragungsgas gekühlt und damit auch die Temperatur des Untersuchungsgases herabgesetzt. Anschließend fliegt das Tem-

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peraturübertragungsgas durch die Uberströraöffnung 27 in den Zwischenraum 26 zum Auslaß 31 und wird über die Rücklaufleitung 53 zur Temperaturübertragungsgasquelle 32 zurückgeführt.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird die Temperatur des Untersuchungsgases solange es sich in der Gasphase A befindet, ständig herabgesetzt bis es in die Flüssigkeitsphase B übergeht. Dieser Übergang läßt sich durch entsprechende Regulierung der beiden Wärmedurchfluß- bzw. Kühlungsdurchflußsteuerventile 35, 38 unter leichter weiterer Herabsetzung der Temperatur des Temperaturübertragungsgases über die Zeitspanne C festhalten und dabei die Siedepunkt-Temperatur des üntersuchungsgases mit Hilfe der Temperaturmeßeinrichtung 30 feststellen. Bspw. die Regulierung des Durchflusses des Temperaturübertragungsgases kann dabei in Bezug auf die Geschwindigkeit der Temperaturänderung um 0,1 C über 10 zu 20 Min. so verlangsamt werden, daß sich die genaue Temperatur T¹ des Siedepunktes ermitteln läßt.

Wenn dann anschließend das üntersuchungsgas weiter herabgekühlt wird und die Erstarrungsphase D erreicht wird, kann durch Schließen des Kühlungsdurchflußsteuerventils 38 und des Magnetventils 48 und Öffnen des Durchflusses des Wärmedurchflußsteuerventils bis 35 und des Magnetventils 46 der Vorgang umgekehrt werden bis wieder der Schmelzpunkt erreicht ist, der dann in der schon beschriebenen Weise das Messen der exakten Schmelzpunkttemperatur T 2¹ in der zeitlichen Phase E erlaubt. Zweckmäßig soll dabei für das Versuchsgas und das Temperaturübertragungsgas mit gleichen Drücken gearbeitet werden.

Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß die Vorrichtung zur Messung des Schmelzpunktes und des Siedepunktes bei der der Versuchstank 25 in dem Raum zwischen den Innenwandungen 21' des Isolierbehälters 21 unter Bildung eines Zwischenraums für das Temperaturübertragungsgas angeordnet ist, die Meßzelle

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mit der Temperaturmeßeinrichtung 30 in dem Versuchstank 25 angeordnet ist, der Wärmeleitweg 37 in dem das Uärmedurchflußsteuerventil 35 und der Heizwärmeraustauscher 36 in Reihe hintereinanderliegen und der Kühlleitweg 40, in dei.i das Kühlmitteldurchflußsteuerventil 38 und der Kühlungswärmeaustauscher 39 ebenfalls in Reihe angeordnet sind, gemeinsam parallel zueinander verlaufend innerhalb des Leitungssystems 34 mit der Temperaturübertragungsgasquelle 32 verbunden sind, der Auslaß 52 dieses Leitungssystems in den Versuclistank 25 führt, der mit dem Zwischenraum 26 kommunizierend verbunden ist, und ein Auslaß 31 des Zwischenraums 26 im Isolierbehälter 21 vorgesehen ist, der über eine Leitung 23 zur Temperaturübertragungsgasquelle 32 zurückführt, in der der sekundäre Heizabschnitt 41 des Heizwärmeaustauschers 36 und das J-T-Ausdehnungsventil 42 in Reihe zueinanderliegen und der sekundäre Kühlabschnitt 43 des Kühlungswärraeaustauschers 39 inSerie oder parallel mit dem Kompressor 44 für ein Kühlmittel verbunden sind, kann die Temperatur des Versuchungsgases auf den gewünschten Wert erhöht oder gesenkt werden durch Steuerung der Durchgangsöffnungen der Wärmedurchfluß- bzw. Kühlmitteldurchflußsteuerventile 35 und 38 für den Durchfluß des Temperaturübertragungsgases. Da die Temperatur des Untersuchungsgases auf diese Weise genau einstellbar ist, lassen sich Schmelzpunkt und Siedepunkt des Untersuchungsgases aufgrund des jeweiligen Phasenzustandes des Untersuchungsgases. Da die ileizquellen des Wärmeaustauschers 36 und des Kühlungswärmeaustauschers 39 nicht einzeln ausgebildet und angeordnet sind, sondern Heiz- und Kühlquellen in einer Leitung integriert sind, ist der Apparat einfacher und mit geringerem Herstellungsaufwand zu bauen.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen die Bezugszeichen denen wie bei der Erläuterung von Fig. 2 und 3 verwendet wurden. Der wesentliche Unterschied dieses Ausführungsbeispiels gegenüber den beiden

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anderen beschriebenen, besteht in der Form der Temperaturübertragungsgasquelle; diese besteht hier aus einem geschlossenen Tank 32, der in seiner Mitte eine senkrechte, mit Abstand vor der oberen Abdeckung des Tanks 32 endende Trennwand 32' in zwei durch den dabei entstehenden Spalt miteinander verbundene Keiltanks aufgeteilt ist. In diesem ist ein Temperaturübertragungsgas in flüssiger Form enthalten. Der eine der beiden Teiltanks stellt den Heizwärmeaustauscher 36 und der andere den Kühlungswärmeaustauscher 39 in der Form dar, daß motorisch angetriebene Quirle 61 und 62 in das Flüssiggas eingetaucht sind.

Ähnlich wie bei der Ausbildung nach Fig. 2 sind der Heizwärmeaustauscher 36 und der Kühlungswärmeaustauscher 39 mit dem Isolierbehälter 21 über das Leitungssysten 34 verbunden, daß eine Umlaufpumpe 33 mit einem parallel dazu geschalteten Umgehungsventil 33 aufweist, die über das Wärmedurchflußsteuerventil 35 und das Kühlmitteldurch- ' flußsteuerventil 38 zu den Wärme- bzw. Kühlungsleitwegen 37 und 40 führt, die in das flüssige Temperaturübertragungsgas in den Heiz- bzw. Kühlungswärmeaustauschern 36 und 39 eintauchen. Der Auslaß des Leitungssystems 34 führt wie bei den schon beschriebenen Ausführungsbeispielen in den Versuchstank 25 und steuert dort die Temperatur der Meßzelle 29 über den Mischer 50. Die Rücklaufleitungen 53, 53' sind parallel angeordnet und weisen Rücklaufsteuerventile 53a bzw. 53b auf. Der Zufluß zu diesem Rücklaufleitungszweigen kommt wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen aus dem Auslaß 31 des Isolierbehälters 21; sie führen in den Raum oberhalb des Spiegels des flüssigen Temperaturübertragungsgases in den beiden Teiltanks, die die Heiz- bzw. Kühlungswärmeaustauscher 39 bilden.

Auch hier sind.wie in den anderen Ausführungsbeispielen die Heiz- und· Kühlquellen für das Beheizen und Kühlen des Tempe-

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raturübertragungsgases nicht voneinander getrennt angeordnet; stattdessen sind der sekundäre Heizabschnitt 41, der Kondensator 45, das J-T-Ausdehnungsventil 42 und sekundärer Kühlungsabschnitt 43 in Serie mit dem Kompressor 44 verbunden. Das Heizmedium des Heizwärmeaustauschers 36 wird durch den sekundären Heizabschnitt 41 vom Hochdruckgas erhitzt, das der Kompressor 44 liefert und anschließend im Kondensator 45 verflüssigt und das verflüssigte Heizmedium wird umgekehrt adiabatisch ausgedehnt durch das J-T-Ausdehnungsventil 42 und setzt dabei die Temperatur des Kühlungswärmeaustauschers 39 mit Hilfe des sekundären Kühlungsabschnittes 43 herab. Wie bei den anderen Ausbildungsformen ist am Ausgang 52 des Leitungssystems 34 ein Mischer 50 mit einem Temperaturfühler 51 angeordnet. Der Ausgang führt in den Abschnitt oberhalb der Meßzelle 29 in den Versuchstank 25 durch den Isolierbehälter 21 hindurch.

Wenn das Untersuchungsgas in der Meßzelle 29 sich in der Gasphase A nach Fig. 4 befindet, wird das Temperaturübertragungsgas im Kühlungswärmeaustauscher 39 im voraus durch den Kühlungsabschnitt 43 über den Kompressor 44 und das J-T-Ausdehnungs ventil 42 gekühlt, und das gekühlte Gas wird im Rücklauf in den Versuchstank 25 durch Öffnung des Kühlungsleitweges 40 mit Hilfe des Kühlmitteldurchflußsteuerventils 38 und die Umlaufpumpe 33 eingeführt. Dabei wird die Meßzelle 29 im Versuchstank 25 und mit ihr das darin enthaltene Untersuchungsgas abgekühlt bis dessen Siedepunkt erreicht ist. Das Temperaturübertragungsgas wird dann durch die Überströmöffnung 27, den Zwischenraum 26, den Auslaß 31 und das Rücklaufsteuerventil 53¹ in den Kühlungswärmeaustauscher 39 darstellenden Teiltank zurückgeführt.

Wenn das Untersuchungsgas sich in der festen Phase D gemäß Fig. 4 befindet, wird das Temperaturübertragungsgas im Heizwärmeaustauscher 36 durch den sekundären Heizabschnitt 41 erhitzt und damit durch graduelles Erhöhen der Temperatur

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des Untersuchungsgases dessen Temperatur beim Übergang von der festen Phase D in die flüssige Phase B und damit die Schmelztemperatur T 2' ermittelt.

Wenn beide Wärme- bzw. Kühlungswärmeaustauscher 36 und 39 im Austausch untereinander durch Steuerung der Durchlaßöffnungen des Wärmedurchflußsteuerventils 35 und des Kühlmitteldurchflußsteuerventils 38 benutzt werden, lassen sich sehr geringe Temperaturwechsel z.B. von 0,1 C für 10-20 Min. einsteuern; ebenso wie dies mit den Ausbildungen der Meßvorrichtung nach den Fig. 2 und 3 möglich war und damit der Siedepunkt und der Schmelzpunkt des Untersuchungsgases bei für die Messung praktisch konstanten Temperaturen bestimmen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, die beschriebene Meßvorrichtung eine Temperaturübertragungsgasquelle 32 aufweist, die aus einem geschlossenen Tank besteht, der durch eine senkrechte Trennwand 32' in Teiltanks aufgeteilt ist, die die Heiz- und Kühlungswärmeaustauscher 36 und 39 bilden, in denen der sekundäre Heizabschnitt 41 für das Aufheizen des flüssigen Heizübertragungsgases im Heizwärmeaustauscher 36, das J-T-Ausdehnungsventil 42, der sekundäre Kühlungsabschnitt 43 für das Kühlen des flüssigen Temperaturübertragungsgases des Kühlungswärmeaustauschers 39, der Kompressor 44 für das Komprimieren des Wärmeübertragungsgases und der Kondensator 45 zueinander in Reihe liegend angeordnet sind, das Wärmeübertragungsgas aus den Wärme-Kühlungswärmeaustauschern 36 und 39 frei vom Auslaß 52 durch die Wärme- bzw. Kühlungsleitwege 37, 40 mit den Wärmedurchfluß- und Kühlmitteldurchflußsteuerventilen 35 und 38 fließt, während das Rücklaufleitungssystem in dem die Rücklaufkontrollventile 53a, 53b in den Rücklaufleitungen 53, 53' angeordnet sind parallel zueinander mit dem Auslaß 31 des Zwischenraums 26 für das Wärmeübertragungsgas verbunden sind. Der die Temperaturübertragungsgasquelle 32 bildende Tank steht mit dem Leitungssystem in Verbindung und kann, wie schon beschrieben die Temperatur des Unter-

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suchungsgases erhöhen oder absenken, in dem die Durchflußöffnungen der Wärmedurchfluß- bzw. Kühlmitteldurchflußsteuerventile 35 und 38 entsprechend gesteuert werden. Die Temperatur kann dabei sehr genau und damit der Schmelzpunkt und der Siedepunkt entsprechend genau gemessen werden. Die Heiz- und Kühlungswärmeaustauscher 36 und 39 sind auch hier nicht getrennt voneinander angeordnet sondern gemeinsam in einem Tank für das Temperaturübertragungsgas, das in seinem gasförmigen Zustand das Leitungssystem durchfließt. Die Vorrichtung kann deshalb bedeutend einfacher konstruiert werden und das Untersuchungsgas kann mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden, die eine große thermische Kapazität hat, wobei die Meßzeit erheblich abgekürzt wird.

Leerseite

Claims

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PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER · D. GROSSE · F. POUlMEIER

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HOXAN CORPORATION, Sapporo/Japan
Patentansprüche

1y Vorrichtung zum Meßen des Schmelzpunktes und des Siedepunktes von Gas bestehend aus einem Isolierbehälter (1;21) mit einem Versuchstank (3;25) der von einem Zwischenraum (2;26) umgeben gegenüber dessen Innenwänden (2',2I¹) angeordnet ist, einer Meßzelle (5;29) mit einem Gastemperaturmeßsystem (8;3O) die in dem Versuchstank (3;25) geordnet ist, einem Leitungssystem (6;34) das einen Wärmeleitweg (12;37) mit einem Wärmedurchflußsteuerventil (9;35) und einen Heizwärmeaustauscher (11;36), beheizt durch eine Sekundärluiizquelle (10;4l) in Reihe geschaltet und einen Kühlleitweg (16;4O) mit einem Kühlungsdurchflußsteuerventil (13;38) in Reihe mit einem Kühlungswärmeaustauscher aufweist, die parallel zueinander verlaufen, wobei ein Auslaß (7;52) des Leitungssystems (6;34) in den Versuchstank (3;25) führt und der Auslaß (17) des Zwischenraums (2;26) im Isolierbehälter (l;2l) vorgesehen ist,

dadurch gekennzeichnet daß der sekundäre Heizabschnitt (41) für die Beheizung des Heizwärmeaustauschers (36) in Reihe mit einem Joul-Thompson Ausdehnungsventil (42) verbunden ist und der sekundäre Kühlungsabschnitt (43) für das Kühlen des Kühlungswärmeaustauschers (39) Reihe oder parallel zu einem Kompressor (44) für das Komprimieren des Wärmeübertragungsgases geschaltet ist.

.2. Meßvorrichtung zur Messung des Schmelzpunktes und des Siedepunktes von Gas mit einem Isolierbehälter (1;21) in dem ein Versuchstank (3;25) umgeben von einem Zwischenraum (2;26) zu den Innenwandungen (2 ^f;21 *) des Isolier-

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behälters (2;21) angeordnet ist, einer Meßzelle (5;29) rait einer Gastemperaturmeßeinrichtung (8;3O) die in dem Versuchstank (3;25) angeordnet ist und mit einem Leitungssystem (6;34) das einen Wärmeleitweg (12;37) und einen Kühlungsleitweg (16;4O) mit einer Temperaturübertragungsgasquelle (32) für diese Leitwege, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturübertragungsgasquelle aus einem geschlossenen Tank besteht, der durch eine Trennwand (32') in oberhalb der Trennwand miteinander verbundene Teiltanks aufgeteilt ist, die den Heizwärmeaustauscher (36) und den Kühlungswärmeaustauscher (39) bilden, wobei der sekundäre Heizabschnitt(41) zur Beheizung des flüssigen Teraperaturwärmeübertragungsgases in dem Heizwärmeaustauscher (36), ein Joul-Thomson Ausehnungsventil (42), ein sekundärer Kühlabschnitt (43) zur Kühlung des flüssigen Temperaturübertragungsgases im Kühlungswärmeaustauscher (39), ein Kompressor (44) zur Komprimierung des Temperaturübertragungsgases und ein Kondensator (45) in Reihe miteinander verbunden sind und die aus den beiden Wärme-Köhlungswärmeaustauschern (36,39) austretenden Temperaturübertragungsgase einem Aus.laß (52) über die Wärme- bzw. Kühlleitwege (37,40) mit den Wärmedurchflußkühlmitteldurchfluß Steuerventilen (35,38) zugeführt werden, während ein Rücklaufleitungssystem mit den Rücklaufleitungen (53 und 53¹) über die Rücklaufsteuerventile (53a, 53b) parallel zueinander von dem Auslaß (31) des Zwischenraums (26) des Isolierbehälters (21) gespeist, die Rückführung des Temperaturübertragungsgases aus dem Isolierbehälter (21) in die beiden Wärmeaustauscher (36,39) bildenden Teiltanks bewirken.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Heiz-Wärme und Kühlungs-Wärmeaustauscher (36,39) jeweils motorisch angetriebene Quirle (61,62) auf-

—. 'i M.

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3-10-1983

weisen, die in das flüssige Temperaturübertragungsgas eintauchen.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Leitungssystem (34) ein Temperaturfühler (51) angeordnet ist, der den Auslaß (52) des Leitungssystems (34) oberhalb der Meßzelle (29) in dem Versuchstank (25) steuert.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Wärmedurchfluß- und Kühlmitteldurchflußsteuerventilen (35,38) ein Umgehungsventil (63) für eine diesem vorgeordnete Umlaufpumpe (33) vorgeschaltet ist, und die hinter diesen Ventilen (35 und 38) verlaufenden Wärme- bzw. Kühlleitwege (37,40) in das flüssige Temperaturübertragungsgas in den beiden Heiz- bzw. Kühlungswärmeaustauschern (36,39) eintauchen.