DE823945C - Vorrichtung zum UEberwachen und Beeinflussen des Waermeaustausches zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung - Google Patents

Vorrichtung zum UEberwachen und Beeinflussen des Waermeaustausches zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung

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DE823945C
DE823945C DEE53A DEE0000053A DE823945C DE 823945 C DE823945 C DE 823945C DE E53 A DEE53 A DE E53A DE E0000053 A DEE0000053 A DE E0000053A DE 823945 C DE823945 C DE 823945C
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Dr Josef Monheim
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/02Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering
    • G01N25/08Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering of boiling point

Description

  • Vorrichtung zum Uberwachen und Beeinflussen des Wärmeaustausches zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung Der \NT':irmeaustausch zwischen Einstoff- oder Mehrstoffsystemen und deren Umgebung ist von großer Bedeutung für technische und physikalische Messungen und für die technische Herstellung neuer Stoffe. Dabei wird unter Wärmeaustausch zwischeii einem Stoff und dessen Umgebung die Änderung des Wärmeinhaltes des Stoffes verstanden, d. h. ob er Wärme an seine Umgebung abgibt und damit seinen Wärmeinhalt verkleinert, oder ob er Wärme von seiner Umgebung aufnimmt unter Vergrößerung seines Wärmeinhaltes. Die Bedeutung des Wärmeanstausches mögen folgende Beispiele belegen.
  • Zahlreiche Eigenschaften von reinen Stoffen oder Stoffgemischen, z. B. die Viskosität von Flüssigkeiten oder Gasen, sind abhängig von der Temperatur des Stoffes oder Stoffgemisches. Darum erfordert die Messung dieser Eigenschaften die Einhaltung konstanter Temperatur, d. h. die Ausschaltung des Wärmeaustausches zwischen dem untersuchten System und dessen Umgebung.
  • Dies gilt auch für die Untersuchung der Lage des Gleichgewichtes flüssig-dampfförmig von siedenden Stoffgemischen, mit anderen Worten für die Untersuchung des Gehaltes an Leichtersiedendem in Flüssigkeit und Dampf. Solche Stoffgemische sind z. B. SIethanol-Äthanol oder Methanol-Äthanol-Wasser. Wohl ist der Übergang vom flüssigen zum dampfförmigen Aggregatzustand beim Einstoffsystem, etwa bei reinem Methanol, bei gegebe- nem Druck durch einen konstanten Siedepunkt ausgezeichnet, und dieser bleibt selbst bei beträchtlichem Temperaturunterschied zwischen dem siedenden System und dessen Umgebung konstant.
  • Anders verhält es sich bei Mehrstoffsystemen im Gleichgewichtszustand. Besteht hier ein Wärmeaustausch, etwa auf Grund eines Temperaturgefälles zur Umgebung des siedenden Systems, so findet Kondensation eines Teiles Dampf im Siedegefäß statt. Dazu genügt schon einige Zehntelgrad Temperaturunterschied oder weniger. Dadurch ändert sich die Dampfzusammensetzung, indem an den Gefäßwänden Dämpfe der schwerer siedenden Genischkomponente bevorzugt kondensieren. Diese Fraktionierung führt zwangsläufig auch zu einer Änderung der Flüssigkeitszusammensetzung und damit zu einer fortschreitenden Änderung des Siedepunktes. Somit ist eine Gleichgewichtseinstellung selbst bei geringem Wärmeaustausch zwischen siedendem Mehrstoffsystem und Umgebung unmöglich.
  • Weiterhin ist der Wärmeaustausch zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung zu beachten bei der Untersuchung chemischer Gleichgewichte, also solcher Gleichgewichte, die durch Stoffumwandlung im chemischen Sinn gekennzeichnet sind. Da die Lage des Gleichgewichtes bei chemischen Reaktionen temperaturabhängig ist, sind solche Untersuchungen bei konstanter Temperatur auszuführen.
  • Nun sind vielfach chemische Reaktionen mit einer ständigen Wärmetönung verbunden, z. B. die Zersetzung eines strömenden Gases an einem festen Katalysator. Die dadurch verursachte Temperaturänderung führt aber zu einer unerwünschten Änderung der Gleichgewichtseinstellung und damit zu fehlerhaften Ergebnissen. Darum ist insbesondere bei katalytischen Reaktionen der schnelle Austausch der Reaktionswärme mit der Umgebung bei konstant gehaltener Temperatur von großer Wichtigkeit, und erst bei Erfüllung dieser Voraussetzung ist eine genaue Bestimmung chemischer Reaktionskonstanten oder die technische Herstellung mancher chemischer Produkte möglich.
  • Wieder eine andere Rolle spielt der Wärmeaustausch beim Messen gewisser Eigenschaften von reinen Stoffen oder Stoffgemischen, z. B. von Umwandlungspunkten, bei denen eine feste Phase in eine flüssige Phase oder in eine andere feste Phase übergeht. Geht beispielsweise flüssiger Schwefel durch Abkühlen, d. h. durch Wärmeabgabe an seine Umgebung in festen Schwefel über, so beobachtet man Knicke in der Temperaturzeitkurve. Diese Knicke treten beim Beginn und beim Ende der Abscheidung des festen Stoffes auf. Sie sind bedingt durch unterschiedliche Abkühlungsgeschwindigkeiten des geschmolzenen und des erstarrten Stoffes. Bei solchen thermischen Analysen führt erst die Regelung des Wärmeaustausches im Sinn einer gleichmäßigen und langsamen Temperaturänderung zu guten Meßergebnissen. Bekanntlich differieren bei manchen Stoffen, z. B. bei einem Fett, Erstarrungspunkt bei raschem Abkühlen und Schmelzpunkt mehr oder weniger stark, und diese beideii Punkte rücken um so näher, je langsamer die Temperaturänderung bei heiden Messungen erfolgt.
  • Zur Ausschaltung und zur Regelung des Wärmeaustausches zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung sind schon zahlreiche Vorrichtungen vorgeschlagen worden.
  • So ist es bekannt, bei der Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten und Gasen den Wärmeaustausch zwischen dem untersuchten Stoff und dessen Umgebung dadurch zu unterbinden, daß der Stoff mit einer geeigneten Flüssigkeit der gewünschten Temperatur unter Aufrechterhaltung weitgehender Temperaturkonstanz umgeben wird, sei es in Form eines Rührbades oder einer Umlaufvorrichtung. Diese Vorrichtungen bleilen in den Fällen unbefriedigend, in denen die Bedienung der Meßapparatur ungehinderten Zugang verlangt, und sie versagen praktisch oberhalb 300 bis 4000 C.
  • Es ist schon vorgeschlagen worden, bei Siedegefäßen und Destillierkolonnen zur Ausschaltung des Wärmeaustausches mit der Umgebung Asbest, Glaswolle, Magnesia und andere wärmeisolierende Stoffe zu verwenden, wodurch jedoch lediglich eine nicht ausreichende Verringerung des Wärmeaustausches erreicht wurde aber keile grundsätzliche Behebung desselben. Es ist auch schon versucht worden, diese bekannte trt der Wärmedämmung, insbesondere bei größerem Temperaturgefälle, durch künstliche Kompensation der Wärmeverluste zu verbessern, indem man die Umgebung mit Gas oder Stromwärme beheizte. I) a hierbei die gleichmäßige räumliche Verteilung der zugeführten Wärme in der mit Isoiermitteln angefüllten Umgebung nicht leicht durchzuführen und auch nicht leicht zu überwachen ist, befriedigt auch diese Lösung nicht.
  • Auch versagt die Lösung, wenn ein Temperaturgefälle in umgekehrter richtung auszugleichen ist, die Umgebung also die höhere Temperatur aufwei8st.
  • Es ist bei Destillierkolonnen auch schon vorgeschlagen worden, diese mit einem gegebenenfalls mit Silber- oder Kupferbelag versehenen Vakuummantelgefäß zu umhüllen. Auch diese Lösung hat aus apparativen Gründen in der Praxis wenig Eingang gefunden.
  • Auch ist das Dessen in temperaturkonstanten Räumen, z. B. mit Hilfe einer Klimaanlage, zur Ausschaltung des Wärmesaustausches bekannt.
  • Solche Anlagen sind aller nur in einem begrenzten Temperaturbereich an'ven<lliar unter zudem reicht kostspielig.
  • Es ist ferner bekant, die Bestimmung chemischer Reaktionskonstanten in elektrisch geheizten Öfen vorzunehmen, um zugleich die Reaktionstemperatur einzuhalten und Wärmeverluste an die Umgebung zu vermeiden. Diese Vorrichtungen erlauben bekanntermaßen in manchen Fällen nicht die notwendige schnelle Alifübrung auftretell (ler Reaktionswärme.
  • Es ist auch bekannt, eine Regelung des Wärmeaustausches bei thermischen Allalvsen, wie der Messung des Erstarrungspunktes, in der Form durchzuführen, daß man den zu untersuchenden Stoff in einen Kupfer- oder Aluminiumblock von größerer Wärmekapazität bringt, um auf Grund des langsameren und gleichmäßigeren Abkühlens bessere Messungen zu erzielen. Da die Geschwindigkeit der Abkühlung vom Temperaturgefälle zwischen N{etallblock und Umgebung abhängt und darum keine zeitlich gleichmäßige ist, wird die Ermittlung des Umwandlungspunktes durch graphische Interpolation erschwert, was einen Nachteil dieser in der benutzten bekannten Vorrichtung begründet liegenden Methode darstellt.
  • Es ist ferner bekannt, Schmelzpunkte in der Weise zu bestimmen, daß man den zu messenden festen Stoff, geschützt durch ein Glasgefäß, in ein F lüssigkeitshad von relativ großer Wärmekapazität bringt und dieses langsam erwärmt. Geeignete Flüssigkeiten sind vielfach Wasser, konzentrierte Schwefelsäure oder Trikresylphosphat. Die beim Schmelzen des festen Stoffes abgelesene Temperatur des Flüssigkeitsbades gilt als Schmelzpunkt.
  • Nlit der hierbei benutzten bekannten Apparatur ist der Nachteil verknüpft, daß die Erwärmung der lx lüssigkeit und damit auch deren Temperatur keine homogene ist, was bewirkt. daß die Bestimmungen für die praktischen Bedürfnisse ungenau ausfallen; sie sind bisweilen nur auf etwa ein Grad genau, vas unzureichend ist.
  • Die im vorstehenden aufgezeigten Nachteile kann man vermeiden und eine allen praktischen Erfordernissen Genüge leistende Überwachung und Beeinflussung, wie insbesondere Ausschaltung, Regeltiiig und Einstellung des Wärmeaustausches zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung, insliesondere bei der Vornahme technischer und physikalischer Messungen und bei der Ermittlung chemischer Reaktionskonstanten, erreichen, wenn man die im folgenden vorgeschlagene Vorrichtung verwendet. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die an einer Messung oder an einer chemischen Reaktion beteiligten Stoffsysteme mit den dazu notwendigen Apparaturen oder Geräten ganz oder teilweise in einem von einem thermisch weitgehend homogenen (?ias- oder Dampfstrom durchflossenen Behälter angeordnet sind. Die Temperatur des Gas- oder I)ampfstromes kann dabei entsprechend dem jeweils vorliegenden Anwendungszweck mit der Temperatur des umspülten Stoffsvstems übereinstimmend gehalten werden. In anderen Fällen kann die Temperatur des Gas- oder Dampfstromes nach einem bestimmten, den Erfordernissen des jeweils vorliegenden Falles entsprechenden Programm zeitlich verändert werden, beispielsweise im Sinne eines Anstiegs oder Abfalls. Zweckmäßig verwendet man als Vorrichtung gemäß der Erfindung ein geschlossenes Leitungssystem mit einem Gas- bzw.
  • J)ampfumlauf z. B. einen Windkanal, in welchem durch eine UmtrieSsvorrichtung, z. B. einen Propeller, fortliewegte Luft rundläuft. An Stelle von Luft kann man auch irgendein anderes Gas oder einen Dampf bzw. auch Gemische verwenden. In manchen Fällen hat sich wegen der besseren Wärmeülertragnng die Verwendung von Wasserstoff als zweckmäßig herausgestellt. Zum Betreiben der Vorrichtung ist zweckmäßig, für die Aufrechterhaltung übereinstimmender Temperatur von Stoffsystem und Gasstrom ein Temperaturregler für den Gasstrom vorgesehen. Das benutzte gas- bzw. dampfförmige Medium kann durch geregelte Wärmezufuhr auf praktisch konstanter Temperatur gehalten werden, wobei beispielsweise Toleranzen in der Größenordnung von Zehntelgraden einhaltbar sind. Derselbe Temperaturregler für den Gas strom kann in anderen Fällen zur Herbeiführung und Einhaltung eines geregelten Wärmeaustausches zwischen Gasstrom und umspülten Stoffsystem dienen. Das benutzte gas- oder dampfförmige Medium wird dabei durch geregelte Wärmezufuhr bzw. Wärmeentnahme in seiner Temperatur in gewünschter Weise erhöht bzw. erniedrigt, z. B. in zeitlich gleichmäßiger Form stufenlos oder in gleichen Temperaturstufen. Die Zufuhr bzw. Entnahme von Wärme aus dem Gasstrom kann direkt oder indirekt erfolgen, z. B. durch Einleiten heißer oder kalter Luft in den Windkanal oder durch Anbringen von Heiz- oder Kühlelementen im Windkanal oder durch Kombination dieser Maßnahmen.
  • Die Vorrichtung für den Gas- oder Dampfstrom wird zweckmäßig thermisch gut isoliert.
  • Man kann mit Hilfe der so ausgestalteten Vorrichtung ohne Schwierigkeit sowohl hohe Temperaturen, z. B. 7000 C, als auch tiefe Temperaturen bis herunter zur Temperatur flüssiger Luft einstellen und bei diesen Temperaturen einen Wärmeaustausch ausschalten bzw. einen geregelten Wärmeaustausch erzielen.
  • Zur beschleunigten Einstellung eines gewünschten Wärmeaustausches zwischen einem Stoffsystem und dem es umgebenden, die Vorrichtung durchströmenden Medium oder zur beschleunigten Ausschaltung eines solchen Wärmeaustausches wird die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zweckmäßig kräftig gehalten.
  • Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung liegen insbesondere im folgenden.
  • Die Verwendung einer Vorrichtung mit einem strömenden Gas oder Dampf als isothermem Medium bzw. als temperaturgeregeltem Medium erlaubt mit Leichtigkeit die Erhaltung voller Sicht und bequemer Zugänglichkeit der Meß- oder Reaktionsapparaturen und -geräte, z. B. des Siedegefäßes einer Gleichgewichtsapparatur. Dies ist durch Anbringen von durchsichtigen Fenstern und verschließbaren Öffnungen im Windkanal zu erreichen. Dabei ist im Gegensatz zur Verwendung umlaufender Flüssigkeit keine völlige Abdichtung nach außen notwendig. Die Temperaturgleichheit von siedender Flüssigkeit im Siedegefäß und Gasstrom im Umlaufthermostat ist leicht und schnell einzustellen und bequem. z. B. mit zwei Thermometern, zu kontrollieren. Damit ist der anfangs bestehende Wärmeaustausch sehr schnell ausgeschaltet, was bei dem gemäß der bisher benutzten Anordnung mit 1 sol iermasse umgebenen Siedegefäß wegen deren großer thermischer Trägheit erst nach längerer Dauer erreicht wird. Wegen der schnell ein- gestellten Temperaturkonstanz der Umgebung des Siedegefäßes kann sich dann auch das dynamische Gleichgewicht in der Gleichgewichtsapparatur wesentlich schneller einstellen. Da die Wand des Siedegefäßes im schnell bewegten Gasstrom überall die gleiche Temperatur hat, ist auch ein lokaler Wärmeaustausch durch ungleiche Isolierung vermieden. Darum stellt die vorgeschlagene Anordnung zugleich eine elegante und bequeme Überwachung des Wärmeaustaussches zwischen einem System und seiner Umgebung dar.
  • Weitere Vorteile der neuen Vorrichtung erkennt man insbesondere beim Sieden einer Flüssigkeit, deren Dämpfe Tropfenkondensation zeigen, z.B. von reinem Wasser. Ist ein mit Luft betriebener. temperaturgeregelter Umlaufthermostat auf die Temperatur des siedenden Wassers eingestellt, so schwankt die Temperatur der etwa 100° heißen Luft in kurzzeitigem Rhythmus um einige Zehntelgrad entsprechend den Heizperioden des Thermostaten. Solange die Luft etwas wärmer ist als das in einem Siedegefäß befindliche siedende Wasser, bleibt die Innenwand des siedegefäßes frei von Kondensat. Ist die umgebende Luft nur wenige Zehntelgrad kälter als das siedende Wasser, so kann man deutlich cin leichtes Betauen der Glasinnenwand sehen, d. h. es tritt Tropfenkondensation des Wassers ein. Beim wiedereinsetzenden Erwärmen der Glaswand verschwindet der Tau wieder, ohne daß es inzwischen zur Bildung größerer Wassertropfen oder zu einem Herabfließen von Wassertropfen an der Wand gekommen wäre.
  • Hieraus ergibt sich, daß die Verwendung eines umgebenden, im Zeitmittel isothermen Luftstromes den Wärmeaustausch zwischen dem zu isolierenden Gefäß und seiner Umgebung praktisch vollkommen ausschaltet.
  • Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann man mit besonderem Vorteil zur Bestimmung von Siede-und Kondensationskurven bzw. Gleichgewichtskurven in der Weise ausgestalten, daß das Siedegefäß einer Gleichgewichtsapparatur innerhalb eines Windkanals, dagegen der Kühler und gegebenenfalls vorgesehene Kondensatgefäße außerhalb des Windkanals vorgesehen sind, wobei der Kühler und die tetwa vorhandenen Kondensatgefäße mit dem Siedgefäß verbunden sind (s. bb. 1).
  • Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich durch Untersuchung von Zweistoffgemischen. Bei einem solchen idealen oder nahezu idealen System kann man die experimentell ermittelte Gleichgewichtskurve mit einer auf Grund theoretischer Oberlegungen berechneten vergleichen.
  • Die 1)ampfdrücke der Einzelkomponenten erlauben die Berechnung der Zusammensetzung des Dampfes und der im Gleichgewicht mit dem Dampf stehenden Flüssigkeit von Gemischen der beiden Komponenten für deren Siedetemperaturen bei gegebenem Druck. Die Abhängigkeit der Dampfzusammensetzung von der Flüssigkeitszusammensetzung liefert die Gleichgewichtskurve, und diese läßt sich als gleichseitige Hyperbel durch den sog. Trennfaktor, auch relative Flüchtigkeit genanlit, kennzeichnen. Das system chloroformtetrachlorkohlenstoff stellt ein naheau ideales Zweistoffgemisch dar, da die Dipolmomente der beiden Komponenten sehr klein bzw. Null sind und auch die Mischungswärmen klein sind. Für dieses system errechnet sich der theoretische Trenufaktor zu 1,64. Experimentell wurde das System unter zwei verschiedenen Bedingungen gemessen: Einmal in einer Gleichgewichtsapparatur, deren Sieegefäß in der bekannten Weise zur Kompensation von Wärmeverlusten mit einem Heizdraht und mit Asbest als Isoliermasse umgeben war, ein anderes Mal iii der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung unter Verwendung eines isothermen Luftstromes um das sonst ungeschütte Siedegefäß, und zwar in folgender Weise: Eine Apparatur zur Bestimmung des Gleichgewichts flüssig-dampfförmig von Mehrstoffsystemen, wie sie von Othmer entwickelt wurde (D. F. Othmer. Composition of vapors from boiling solutions; ind. Eng. Chem. Anal. Ed. 20, 763; 1948) wird so in einem Luftstrom angeordnet, daß das Siedegefäß der leichgewichtsappatur allseitig von dem Luftstrom umgeben ist. Untersucht man bei einer im Leitmittel übereinstimmenden Temperatur von Siedegefäß und strömender Luft in dieser Apparatur das System Chloroformtetrachlorkohlenstoff. so erhält man bei 760 Torr eine Gleichgewichtskurve mit dem Trennfaktor 1,64, womit eine Übreinstimmung mit dem Trennfaktor 1.64 der theoretisch geforderten Kurve gegeben und der Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtuiig zu ersehen ist. Verwendet man an Stelle des Luftstromes um das Siedegefäß eine gute Asbestisolierung verbunden mit einer weitgehenden Kompensierung der Wärmeverluste des Siedegefäßes durch eine elektrische heizung, so erhält man eine Kurve mit dem Trennfaktor 1,79.
  • Ein weiteres Beispiel für die vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Untersuchung von Zweistoffgemischen, insbesondere bei Erforschung des Verhaltens von Salzlösungen beim Eindampfen, liefert das System Ammoniummitratwasser. Bestimmt man dabei unter Benutzung etwa der Gleichgewichtsapparatur von Othnmer im isothermen Luftstrom die Siedekurven wäßriger Ammoniumnitratlösungen bei gegebenren Drücken. so erhält man wesentlich genauere Resultate als bei bekannter ausführung der Messungen des Dampfdrucks über wäßrigen Ammoniumnitratlösungen bei gegebener Temperatur und konstanten Volumen (s. E. Jänecke und E. Rahlfs, Über das System NH4NO3-H2O; Z. anorg. u. allg. Chem. 192. 1930. S. 237 bis 244).
  • Weitere Vorteile der vorgeschlagenen Vorrichtung ergeben sich bei der Eichung und heim Vergleichen von Termometern. ringt man in einer Gleichgewichtsapparatur aus Glas nach dem Prinzip der in Abb. 1 gezeigten Apparatur Thermometer so an, daß ihre Quecksilbergefäße z. B. in siedendes Wasser bei Atmosphärendruck tauchen und der übrige Teil der Thermometer vom Dampf des siedenden Wassers umgeben ist, und bringt man diese apparatur nach der in Al)b. 1 gezeigten Weise in einem Windkanal an, so kann man nach Einstellung der Temperaturgleichheit die Festlegung des 100°-Fixpunktes sehr bequem vornehmen. In entsprechender Weise lassen sich auch andere Fixpunkte festlegen. Der Vorteil dieser Metho (le liegt darin, ilaß die Thermometer ihrer ganzen Länge nach auf der Eichtemperatur sich befinden und darum jede Fadenkorrektur entfällt.
  • Ein weiterer Vorteil ist die leicht einzurichtende Sicht auf die ganze Länge der Thermometer.
  • Ebenso vorteilhaft kann man im Windkanal geeichte mit ungeeichten Thermometern vergleichen.
  • Zu diesem Zweck befestigt man die zu vergleichenden Thermometer so im Windkanal, daß man sie ihrer ganzen Länge nach durch ein Fenster im Windkanal beobachten kann. Nun ändert man die Temperatur des Luftstromes um gleiche oder beliebige Beträge und bestimmt auf jeder Temperaturstufe die \bu eichung der zu vergleichenden Thermometer. ii hierbei entfällt jede Thermometerfadenkorrektur, was sich besonders vorteilhaft bei hohen Temperatureii auswirkt. l)ie erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin mit besonderen Vorteil Verwendung finden zur Bestimmung voll Zustandsgrößen bei konstanter Tenperatur, z. B. Gasdruck, Partialdruck, Gas-X olumell.
  • Eine andere vorteilllafte Anwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung erlaubt die genaue Bestimmung chemischer Reaktionskonstanten bei konstanter Reaktionstemperatur.
  • Beispielsweise läßt sich in einer Apparatur, wie sie von G.. G. M.Schwab und N.Theophilides (Journ.
  • Phys. Chem. 50, 1946, S. 427 ff.) beschrieben und (in Fig. I, S. 428) dargestellt ist, der Temperaturkoeffizient einer heterogenen Katalyse und daraus die Aktivierungsenergie bestimmen, z. B. bei der Zersetzung von Ameisensäuredampf an einem festen, metallischen Katalysator. Das Prinzip des Vorgehens gestellt dabei darin, die Ameisensäure zu verdampfen, bei der gewünschten Temperatur über den Katalysator zu leiten, die nicht zersetzte Ameisensäure durch Kondensation zurückzugewinnen und die Zerfallsgeschwindigkeit aus den gasförmigen Zersetzungsprodukten Kohlensäure und Wasserstoff zu bestimmen. Solche Messungen können vorteilhaft mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung durchgeführt werden an Stelle von elektrischen Öfen, wie sie bisher für solche Messungen verwendet wurden. Der kräftige Luftstrom im Windkanal sorgt für einen schnellen Austausch der Reaktionswärme und damit für Aufrechterhal tung der notwendigen konstanten Reaktionstemperatur.
  • Auch zur Bestimmung von Umwandlungspunkten, etwa des Erstarrungspunktes oder des Schmelzpunktes, ist die vorgeschlagene Vorrichtung mit Vorteil zu verwenden, denn man kann mit ihrer J-lilfe Meßergebnisse von größerer Genauigkeit erreichen. Dies gilt besonders für extrem hohe und tiefe Temperaturen. Aber auch bei gewöhnlichen Temperaturen erzielt man eine größere Genauigkeit der Temperaturbestimmung.
  • Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung liegt in der Möglichkeit, eine in manchen Fällen notwendige, noch weitergehende Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung eines Umwandlungspunktes durch die willkürliche Handhabung des Tempos der Temperaturänderung zu erzielen, wie sich des näheren aus folgenden Beispielen ergibt. Etwa 30 g Hartparaffin werden in einem weiten Reagenzglas geschmolzen, worauf man ein Zehntelgrad-Thermometer in die Schmelze einsetzt. Das Reagenzglas wird, wie in der Abb. 2 dargestellt, in einen Windkanal gebracht. Zur Bestimmung des Erstarrungspunktes wird die schnell umgewälzte Luft im Windkanal zunächst 20 kälter eingestellt als die Paraffinschmelze und dann gleichmäßig um o, je Minute abgekühlt. Während des Erstarrens bleibt die Temperatur über 10 Minuten auf gleicher Höhe stehen. Beim Auftragen der Temperatur gegen die Zeit ergibt sich durch graphische Interpolation der Erstarrungspunkt zu 50,80 C. Der Verlauf der Erstarrung läßt sich dabei sehr gut durch Fenster im Windkanal beobachten.
  • Zur Bestimmung des Schmelzpunktes wird dieselbe Anordnung benutzt. Man beginnt bei einer Paraffintemperatur, die etwa 40 unter dem Schmelzpunkt liegt, stellt die Temperatur der strömenden Luft 70, höher ein und hält sie während der Messung ständig 70 höher als die Temperatur des Paraffins. Das Schmelzen erfolgt bei einer Temperatursteigerung von 0,080 je Minute, anschließend steigt die Temperatur etwa dreimal schneller. Durch graphische Interpolation erhält man den Schmelzpunkt zu 50,90 C, also um 0,1° höher als den Erstarrungspunkt des gleichen Paraffins.
  • Die so erhaltenen Werte für den Schmelzpunkt und den Erstarrungspunkt zeigen eine sehr gute Übereinstimmung.
  • Zum Vergleich dieser Ergebnisse mit solchen bisher geübter Methoden wurde der Erstarrungspunkt des gleichen Paraffins nach der Methode von Shukoff bestimmt (Lunge-Berl, Chemischtechnische Untersuchungsmethoden, 8. Aufl., Bd. IV, S. 400). Nach dieser Methode, die nach den Literaturangaben die bisher genauesten Resultate ergibt, liegt der Erstarrungspunkt zwischen 5 r, 2 und 50,60 C. Der Schmelzpunkt des Paraffins wurde in der Kapillare bestimmt, wie es im chemischen Laboratorium bei organischen Körpern allgemein üblich ist (L u n g e-B e r I, Chemischtechnische Untersuchungsmethoden, 8. Aufl., Bd. I, Seite I77 und 1139). Er wurde zu 50, 6 bis zu 50,80 C ermittelt. Erstarrungs- und Schmelzpunkt sind also mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung mit 50,80 bzw. mit 50,90 wesentlich eindeutiger und besser übereinstimmend ermittelt als nach den bekannten Methoden mit 50,6 bis 51,20 bzw. mit 50,6 bis 50,80.
  • Die zeitliche Regelung der Temperaturänderung im Sinne eines Anstiegs oder Abfalls der Temperatur ist mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung ohne Schwierigkeiten in einfachster Weise auszufüllen.
  • Weitere Vorteile bestehen darin, daß Abkühlungsdiagramme bei sehr tiefen Temperaturen mit Hilfe dieser Ausführungsform der Vorrichtung in einfacher Weise auszuführen sind, was bisher nur sehr umständlich geschehen konnte, sowie daß Schmel zpunktbestimmungen von kleinen Substanzmengen bei Temperaturen über 300 bis 4000 C überhaupt genau durchzuführen sind, was nach der oben angegebenen bekannten Methode nicht möglich war.
  • In der Abb. 1 ist eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Ausschaltung und Überwachung des Wärmeaustausches gezeigt, und zwar ein Windkanal zur Umspülung eines Stoffsystems in einer Meßapparatur mit einem Gas- oder Dampfstrom von übereinstimmender und gleichbleibender Temperatur. Abli. I wird im folgenden erläutert.
  • In einem Windkanal 1 ist die Gleichgewichtsapparatur 2 mit ihrem Siedegefäß 3 eingebaut, während der Kühler 4 und ein Kondensatgefäß 5 außerhalb des Windkanals I angeordnet sind. Ein Ventilator 6 sorgt für den Umlauf des Gas- oder Dampfstromes in der angedeuteten Pfeilrichtung in dem geschlossenen Leitungssystem des Windkanals I. Zur Einhaltung des isothermen Zustandes sind Heizelemente 7 und 8 vorgesehen. Durch ein Kontaktthermometer g wird über eine Regelvorrichtung 10 für Konstanthaltung der Gas- oder Dampftemperatur Sorge getragen. Die Überwachung der Temperaturgleichheit zwischen Meßsystem und vorbeiströmendem Medium erfolgt durch die Thermometer 11 und 12. Es können noch in der schematischen Abbildung nicht gezeigte Beobachtungsfenster vorgesehen sein, di ezweckmäßigerweise an der Stelle des Windkanals angeordnet sind, an der sich das Siedegefäß befindet.
  • In der Abb. 2 ist eine weitere beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Regelung und Überwachung des Wärmeaustausches gezeigt, und zwar ein Windkanal zur Umspülung eines Stoffsystems in einem Meßgerät mit einem Gas- oder Dampfstrom, dessen Temperatur nach einem bestimmten Programm in Abhängigkeit von der Zeit sich ändert. Abb. 2 wird im folgenden erläutert.
  • In einem Windkanal I3 ist ein Apparat 14 zur Bestimmung des Erstarrungspunktes einer Substanz eingebaut. Ein Ventilator 15 sorgt für den Umlauf des Gas- oder Dampfstromes in der angedeuteten Pfeilrichtung in dem geschlossenen Leitungssystem des Windkanals I3. Zur Einhaltung eines geregelten Wärmeaustausches zwischen dem Apparat 14 und dem umgebenden Gas- oder Dampfstrom sind Heizelemente I6 und I7 vorgesehen.
  • Durch ein Kontaktthermometer I8 wird über eine Regelvorrichtung 19 für eine geregelte Änderung der Gas- oder Dampftemperatur Sorge getragen.
  • Die Überwachung des Temperaturverlaufs im Meßsystem 14 und im vorbeiströmenden Medium erfolgt mit Hilfe der Thermometer 20 und 2I. Es können noch in der schematischen Abbildung nicht gezeigte Beobachtungsfenster vorgesehen sein, die zweckmäßigerweise an der Stelle des NNiodkaiials angeordnet sind, an der sich dz Apparat 14 befindet.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Vorrichtung zunl ßber'vaclien und Beeinflussen, wie insbesondere zum Ausschalten, Einstellen und Regeln des Wärmeaustusches zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung, insbesondere bei der Vornahme technischer und physikalischer Messungen und bei der Ermittlung chemischer Reaktionskonstanten, dadurch gekennzeichnet, daß die an einer Messung oder an einer chemischen Reaktion beteiligten Stoffsysteme mit den dazu notwendigen Geräten oder Apparaturen ganz oder teilweise in einem von einem thermisch weigehend homogenen Gas-oder Dampfstrom durclif1ossenei Behälter angeordnet sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als von einem thermisch weitgehend homogenen Gas- oder Dampfstrom durchflossener Behälter ein geschlossenes Leitungssystem, beispielsweise ein Windkanal, dient, in welchem der Gas- oder Dampfstrom mittels einer Umtriebsvorrichtung in Umlauf gebracht wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Ansprucl I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, die gestattet, die von dem Gas- oder Dampfstrom umspülten Stoffsysteme dem Einfluß gleichbleibender Temperaturen auszusetzen, wobei die Temperatur des Gas-oder Dampfstromes mit der Temperatur des von diesem umspülten Stoffsystems übereinstimmen kann.
  4. 4. Vorrichtung nach anspruch 1 bis 3 zur Bestimmung von Siede- und Kondensationskurven bzw. Gleichgewichtskurven, dadurch gekennzeichnet, daß das Siedegefäß einer apparatur zur Bestimmung des Gleichgewichtes flüssigdampfförmig innerhalb eines Windkanals, der Kühler und gegebenenfalls vorgesehene Kondensatgefäße außerhalb desselhen angeordnet sind, wobei der Kühler 1111<1 und die etwa vorlandenen Kondensatgefäße mit dem Siedegefäß verbunden sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch t bis 3 zur Eichung von Thermometern und zum Vergleich geprüfter Thermometer mit ungeprüften Thermometern, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermometer zu ihrer Eichtung bzw. Prüfung über ihre ganze Länge, mindestens aber über die ganze Länge des Thern1ometerfadens, auf der Eichtemperatur bzxv. Prüftemperatur gehalten werden.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, die gestattet, die von dem Gas- oder Dampfstrom umspülten Stoffsysteme dem Einfluß sich ändernder Temperaturen auszusetzen, wobei die zeitliche Temperaturänderung nach einem bestimmten, den Erfordernissen des jeweils vorliegenden Falles entsprechenden Programm erfolgen und wobei die Temperatur des Gas- oder Dampfstromes mit der Temperatur des von diesem umspülten Stoffsystems zeitlich übereinstimmen kann.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelvorrichtung eine solche für eine stufenlos oder in bestimmten Temperaturstufen erfolgende Änderung in zeitlich festgelegter Form verwendet wird.
DEE53A 1949-10-15 1949-10-15 Vorrichtung zum UEberwachen und Beeinflussen des Waermeaustausches zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung Expired DE823945C (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1124264B (de) * 1957-07-22 1962-02-22 Ici Ltd Maschinen, Apparaturen bzw. Teile derselben umgebender Siedethermostat

Cited By (1)

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DE1124264B (de) * 1957-07-22 1962-02-22 Ici Ltd Maschinen, Apparaturen bzw. Teile derselben umgebender Siedethermostat

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