DEE0000053MA - Vorrichtung zum Überwachen und Beeinflussen des Wärmeaustausches zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung - Google Patents

Description

Dr. Michael Erlenbach Dr. Adolf Sieglitz

FARBWERKE HOECHST

Frankfurt am Main-Höchst IG. Oktober 1949 a ι ι ^SV/^Ba*

Anlage I

zur Patentanmeldung Fw Zll

Tqrrichtung zum Überwachen und. Beeinflussen des Wärmeaustausches zwischen' Stof f systemen und deren TJmgebung₀

Der Wärmeaustausch zwischen Einstoff- oder Mehrstoff-Systemen und deren Umgebung ist von großer Bedeutung für technische und physikalische Messungen und für die technische Herstellung neuer Stoffe. Dabei wird unter Wärmeaustausch zwischen 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 Wärmeaustausches mögen folgende Beispiele belegen.

Zahlreiche Eigenschaften von reinen Stoffen oder Stoffgemisehen, ZoBo die Viskosität von Flüssigkeiten oder Gasen, sind abhängig von der Temperatur des Stoffes oder Stoffgemisches» Darum erfduert die Messung dieser Eigenschaften die Einhaltung konstanter Temperatur^d₀ ho 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_s

mit anderen Worten für die Untersuchung des Gehaltes an Leichtersiedendem in Flüssigkeit und Dampf* Selche Stoffgemisch« sind z«B« MethanoI-Ithanol oder Methanol-Athanol-Waeser. Wohl ist der übergang vom flüssigen zum dampfförmigen Aggregatzustand beim Binstoff-System, etwa bei reinem Methanol, bei gegebenem Druck durch einen konstanten Siedepunkt ausgezeichnet, und dieser bleibt selbst bei beträchtlichem Temperaturunterschied »wischen dem siedenden System und dessen Umgebung konstant« Andere verhält es sich bei Mehratoff-Systemen im Gleichgewichtszustand« Besteht hier ein Wärmeaustausch, etwa auf Grund eines Temperaturgefälles zur Umgebung des siedenden Systeme, so findet Kondensation eines Teiles Dampf im Siedegefäß statt» Dazu genügt ^ eohon einige Zehntelgrad Temperaturunterschied oder wenigerα Dadurch ändert sich die Dampfzusa&mensetzung, indem an den Gefäßwänden Dämpfe der schwerer siedenden Gemisohkomponente bevorzugt kondensieren« Diese Fraktionierung fährt zwangsläufig auch zu einer Änderung der Flüssigkeitszueammensetzung und damit zu einer fortschreitenden Änderung des Siedepunktes, Somit ist eine Gleichgewichts einstellung selbst bei geringem Wärmeaustausch zwischen siedendem Mehrstoff-System und Umgebung unmöglich«

Weiterhin ist der Wärmeaustausch zwischen Stoff-Systemen 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. Hun sind vielfach chemische Reaktionen mit einer ständigen Wärmetönung verbunden, z.B» die Zersetzung eines strSmenden Gases an einem festen Katalysator. Die dadurch verursachte Temperaturänderung führt aber zu einer unerwünschten

Änderung der Gleichgewichts einstellig- und damit zu fehlerhaften Ergebnissen«, Darum ist insbesondere bei kataIytisehen 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«

Yiieder eine andere Holle spielt der Wärmeaustausch beim Messen gewisser Eigenschaften von reinen Stoffen oder
Stoffgemischen₉ Z _eB₀ von Umwandlungspunkten_f bei denen eine
feste Phase in eine flüssige Phase oder in eine andere feste Phase übergeht. Oeht beispielsweise flüssiger Schwefel durch Abkühlen, d.h. durch Wärmeabgabe an seine Umgebung in festen Schwefel über, so beobachtet man Knicke in der Temperatur-^eit-Kurve₀ 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 Schnielzpunkt mehr oder weniger stark, und diese beiden Punkte rücken umso näher, je langsamer die Temperaturänderung bei beiden Messungen erfolgt.

Zur Ausschaltung und zur Hegelung des Wärmeaustausches zm sehen Stoffsystemen und deren Umgebung sind schon zahlreiche Vorrichtungen vorgeschlagen worden»

So ist es bekannt, bei der Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten und Gasen der. arme«?.ustausch zwischen dem unter-

suchten Stoff und dessen Umgehung 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 bleiben in den Fällen unbefriedigend, in denen die Bedienung der Meßapparatur ungehinderten Zugang verlangt, und sie versagen praktisch oberhalb 300 - 400°C.

Hs ist schon vorgesehlagen worden,, bei SiedegefaSen und Destillierkolonnen zur Ausschaltung des Wärmeaustausches mit der Umgebung Asbest, Glaswolle, Magnesia und andere wärmeis oliereade Stoffe zu verwenden, wodurch jedoch lediglich eine nicht ausreichende Verringerung des Wärmeaustausches erreicht wurde aber keine grundsätzliche Behebung desselben,, Es ist auch schon verflucht worden, diese bekannte Art der Wärmedämmung, insbesondere bei größerem Temperaturgefall©, durch künstliche Kompensation der Wärmeverluste zu verbessern, indem man die Umgebung mit Gas oder Stromwärme beheizte φ Da hierbei die gleichmäßige räumliche Verteilung der zugeführten Wärme in der mit Isoliermitteln angefüllten Umgebung nicht leicht durchzuführen und auch nicht leicht zu überwachen ist, befriedigt auch diese Lösung nicht. Auch versagt die Lösung, wenn ein Temperaturgefalle in umgekehrter Sichtung auszugleichen ist, die Umgebung also die höhere Temperatur aufweisto

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 Messen in temperaturkonstanten Säumen, z.B. mit Hilfe einer Klima-Anlage, zur Ausschaltung des Wärmeaus-

tausohes bekannt. Solche Anlagen sind aber nur in einem begrenzten Temperaturbereich anwendbar und zudem recht kostspielig.

Es ist ferner bekannt, die Bestimmung chemischer Heaktionskonstanten in elektrisch geheizten öfen vorzunehmen, um zugleich die Heaktionstemperatur einzuhalten und Wärmeνerluste an die Umgebung zu vermeiden« Diese Torrichtungen erlauben bekanntermaßen in manchen Fällen Taicht' die notwendige schnelle Abführung auftretender Reaktionswärme.

Es ist auch bekannt, eine Regelung des Wärmeaustausches bei thermischen Analysen_i wie der Messung des Erstarrungspunktes» m 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 Metallblock und Umgebung abhängt und darum keine zeitlich gleichmäßige ist, wird die Ermittlung des Umwandlungepunktes durch graphische Interpolation erschwert, was einen Kachteil 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 Flüssigkeitsbad 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. Mit der hierbei benutzter, bekannten Apparatur ist der Nachteil verknüpft, daß die Erwarmur.£ der Flüssigkeit 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, was unzureichend ist.

Die im Yorstehenden aufgezeigten Nachteile kann man vermeiden und eine allen praktischen Erfordernissen Genüge leistende Überwachung und Beeinflussung, wie insbesondere Ausschaltung, Regelung und Einstellung des Wärmeaustausches zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung, insbesondäre bei der Vornahme technischer und physikalischer Messungen und bei der He^st-eifeaag chemischer ft?o4uk-3fe^, erreichen, wenn man die im folgenden vorgeschlagene Vorrichtung verwendet« Die Vorrichtung gemäß der Erfindtuig"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 Gas— oder Dampfstrom durchflossenen Behälter angeordnet Sind₀ Die Temperatur des Gas— oder Dampfstromes kann dabei entsprechend dem jeweils vorliegenden Anwendungszweck mit der Temperatur des umspülten Stoffsystems 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 AbfallSo Zweckmäßig verwendet man als Vorrichtung gemäß der Erfindung ein geschlossenes Leitungssystem mit einem Gas- bzwo Dampfumlauf, z.B. einen Windkanal, in welchem durch eine Umtriebsvorrichtung, z.B₀ einen Propeller, fortbewegte luft rundläuft ο Anstelle 'von Luft kann man auch irgend ein anderes Gas oder einen Dampf bzw. auch Gemische verwenden. In manchen Fällen hat sieh wegen der besseren Wärmeübertragung die Verwendung von Wasserstoff als zweckmäßig herausgestellt. Eum 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 Gasstrom 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, ζ.B_e in zeitlich gleichmäßiger Porm stufenlos oder in gleichen Temperatürstufen. 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 Lampfstrom wird zweckmäßig thermisch gut isolierte

Man kann mit Hilfe der so ausgestalteten Vorrichtung ohne Schwierigkeit sowohl hohe Temperaturen? Z ₀B₀ 700° C_r als au.ch tiefe Temperaturen bis herunter zur Temperatur flüssiger Luft einstellen und bei diesen Temperaturen einen Wärmeaustausch ausschalten bzw. einen geregelten Wärmeaustausch erziehen«

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 gehalt en .o

Sie 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

Leichtig

keit die Erhaltung voller Sicht und bequemer Zugänglichkeit der Meß- oder Reaktionsapparaturen und -geräte, z.B. des Siedegefäßes einer Grleichgewichtsapparatur. 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^^ifangs bestehende Wärmeaustausch sehr schnell ausgeschaltet^/Tei dem gemäß der bisher benutzten Anordnung mit Isoliermasse umgebenen Siedegefäß wegen deren großer thermischer Trägheit erst nach längerer Dauer erreicht wird. V.'eg en der schnell eingestellten 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 Wärmeaustausches 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 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 Hhythmus 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 Zehn-

telgrad kälter als das siedende Wasser, so kann man deutlich ein leichtes Betauen der Glasinnenwand sehen, d.h_e es tritt Tropfenkondensation des Wasers ein«, Beim wiedereinsetzenden Erwärmen der Glasband 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, -w der Kühler und gegebenenfalls vorgesehene Kondensatgefäße außerhalb des Windkanals vorgesehen sind, wobei der Kühler und die etwa vorhandenen Kondensatgefäße mit dem Siedegefäß verbunden sind (siehe Abb» 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 Überlegungen berechneten vergleichen. Die Dampfdrücke 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 von eier Pj^s3.gl:eitszusammensexzung ^{ö &}

der D ampf zusammensetzung/Tief ert die Gleichgewichtskurve und diese läßt sich als gleichseitige Hyperbel durch den sogenannten Trennfaktor, auch relative Flüchtigkeit genannt, kennzeichnen.

Das System Chloroform-Tetrachlorkohlenstoff stellt ein nahezu ideales Zweistoffgemisch dar, da die Dipolmomente der beiden Komponenten sehr klein bzw. Null sind und auch die Mischungswärmen klein sind. Pur dieses System errechnet sich der· theoretische Trennfaktor zu 1,64. Experimentell wurde das System unter zwei verschiedenen Bedingungen gemessen: Einmal in einer Gleichgewichtsapparatur, deren Siedegefäß in der bekannten Weise zur Kompensation von Wärmeverlusten mit einem Heizdraht und mit Asbest als Isoliermasse umgeben war, ein anderes Mal in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung unter Verwendung eines isothermen Luftstromes um das sonst ungeschützte 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_e AnaleEd_e 20, 765} 1948) wird so in einem Luftstrom angeordnet, daß das Siedegefäß der Gleichgewichtsapparatur allseitig von dem Luftstrom umgeben ist. Untersucht man bei einer im Zeitmittel übereinstimmenden Temperatur von Siedegefäß und strömender Luft in dieser Apparatur das System Chloroform-Tetrachlorkohlenstoff, so erhält man bei 760 Torr eine Gleichgewichtskurve mit dem Trennfaktor 1,64, womit eine Übereinstimmung mit dem Trennfaktor 1,64 der theoretisch geforderten Kurve gegeben und der Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zu ersehen ist. Verwendet man anstelle 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 Ammoniumnitrat-Wasserö Bestimmt man dabei unter Benutzung etwa der Gleichgewichtsapparatur von Othmer im isothermen Luftstrom die Siedekurven wässeriger Ammoniumnitratlö'sungen bei. gegebenen Drucken, so erhält, man wesentlich genauere Eesultete.als bei bekannter Ausführung der Messungen'des Dampfdrucks über wässerigen Ammoniumnitratlösungen bei gegebener Temperatur, und konstantem Volumen (E=Janecke und E.Rahlfs, "Ober das System IH₄IfO₅ - H₂0| Z.anorg. u. allg. Cheiiu^:.192 (1930),,

Weitere Vorteile der vorgeschlagenen Vorrichtung ergehen sich bei der Eichung und beim Vergleichen von, Thermometern. Bringt man in einer Gleichg^ewichtsapparatur aus Glas nach dem Prinzip der in Abb. l/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 Abb. 1 gezeigten Weise in einem Windkanal an, so kann man nach Einstellung der Temperaturgleichheit die Festlegung des 1OO⁰-Pixpunktes sehr bequem vornehmen. In entsprechender Weise lassen sich auch andere Fixpunkte festlegen. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, daß 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 Abweichung der zu vergleichenden Thermometer. Auch hierbei entfällt jede Thermometerfadenkorrektur, was sich besonders vorteilhaft bei hohen Temperaturen auswirkt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin mit besonderem Vorteil Verwendung finden zur Bestimmung von Zustandsgrößen bei konstanter Temperatur, z.B. Gasdruck, Partialdruck,

Gasvolumen.

Eine andere vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung erlaubt die genaue Bestimmung

chemischer Heaktionskonstanten bei konstanter Heaktionstemperatur. Beispielsweise läßt sich in einer Apparatur, wie sie von G.Mo Schwab und N. Theophilides (Journ_e Phys.Chem. 50 (1946) S. 427 ff) beschrieben und (in Pig. 1 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 besteht 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 anstelle von elektrischen öfen, wie sie bisher für solche Messungen

verwendet wurden.

sorgt für einen schnellen Austausch der Reaktionswärme und damit für Aufrechterhaltung 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 Hilfe 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.

Bin weiterer Vorteil der Vorrichtung liegt in der Möglichkeit, eine in manchen Fällen notwendige, noch weitergehende Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung eines Um-

wandlungspunktes durch die willkürliche Handhabung des Tempos der Temperatüränderung 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 Reagenz

glas wird, wie in der Abbildung

kanal gebrachte Zur Bestimmung des Erstarrungspunktes wird die schnell umgewälzte Luft im ^jWindkanal zunächst 2 Grad kälter eingestellt als die Paraffinschmelze und dann gleichmäßig um 0,4 Grad pro 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 ErstarriAngspunkt zu 50,8° C_e ^er 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 Paraffin-Temperatur, die etwa 4 Grad unter dem Schmelzpunkt liegt, stellt die Temperatur der strömenden Luft 7 Grad höher ein und hält sie während der Messung ständig 7 Grad höher als die Temperatur des Paraffins β Das Schmelzen erfolgt bei einer Temperatursteigerung von 0,08 Grad pro Minute, anschließend steigt die Temperatur etwa dreimal schneller. Durch graphische Interpolation erhält man den Schmelzpunkt zu 50,9°C, also um 0,1 Grad höher als den Erstarrungspunkt des gleichen Paraffins.

Die so erhaltenen erte für den Schmelzpunkt und den Erstarrungspunkt zeigen eine sehr gute Übereinstimmung.

Wind-

Zum Vergleich dieser Ergebnisse mit Bolchen bisher geübter Methoden wurde der Erstarrungspunkt des gleichen Paraf-

fins nach der Methode von Shukoff bestimmt (Lunge-Berl_f Chemisch-technische Untersuchungsmethoden, 8.Auflage, Band IY_s Seite 400). Kach dieser Methode, die nach den Literaturangaben die bisher genauesten Resultate ergibt, liegt der Erstarrungspunkt zwischen 51,2 und 50,6° C· Der Schmelzpunkt des Paraffins wurde in der Kapillare bestimmt, wie es im chemischen Laboratorium bei organischen Körpern allgemein üblich ist (Lunge-Berl, Chemisch-technische ^ntersuchungsmethoden, 8. Aufl_e, Bd. I, Seite 177 und 1139). Er wurde zu 50,6 bis zu 50,8° C ermittelt. Erstarrungs- und Schmelzpunkt sind also mit Hilfe der erfingungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung mit 50,8° bzw. mit 50,9° wesentlich eindeutiger und besser übereinstimmend ermittelt als nach den bekannten Methoden mit 50,6° bis 51,2° bzw. mit 50,6° bis 50,8°.

Die zeitliche Regelung der Tempeieaturänderung im Sinne eines Anstiegs oder Abfalls der Temperatur ist mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung ohne Schwie rigkeiten in einfachster Weise auszuführen.

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 SchmelzpunktsbeStimmungen von kleinen Substanzmengen bei Temperaturen über 300 - 400° C überhaupt genau durchzuführen sind, was nach der oben angegebenen bekannten Methode nicht möglich war.

In der Abbildung 1 ist eine beispielsweise Ausführungeform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Ausschaltung und Überwachung des Wärmeaustausches gezeigt, und

zwar ein Windkanal zur Umspiilung eines Stoffsystems in einer Meßapparatur mit einem Gas- oder Dampfstrom von übereinstimmender und gleichbleibender Temperatur. Abbildung 1 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 1 angeordnet sind» Ein Ventilator 6 sorgt für den Umlauf des Gas- oder Dampfstromes in der angedeuteten Pfeilrichtung in dem geschlossenen Leitungssystem des Windkanals 1. Zur Einhaltung des isothermen Zustandes sind Heizelemente 7 und 8 vorgesehene Durch ein Kontaktthermometer 9 wird über eine Regelvorrichtung 10 für Konstanthaltung der Gas- oder Dampftemperatur Sorge getragene 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, die zweckmäßigerweise an der Stelle des Windkanals angeordnet sind, an der sich das Siedegefäß befindet«

In der Abbildung 2 ist eine weitere beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Regelung und Überwachung des Wärmeaustausches gezeigt, und zwar ein Windkanal zur Umspiilung eines Stoff systems in einem Meßgerät mit einem Gas- oder Dampfstrom, dessen Temperatur nach einem bestimmten Programm in Abhängigkeit von der Zeit sich ändert. Abbildung 2 wird im folgenden erläutert.

In einem Windkanal 13 ist ein Apparat 14 zur Bestimmung des Erstarrungspunktes einer Substanz eingebaut. Ein Yen-

tilator 15 sorgt für den Umlauf des Gas- oder Dampfstromes in der angedeuteten Pfeilrichtung in dem geschlossenen Leitungssystem des Windkanals 13. Zur Einhaltung eines geregelten Wärmeaustausches zwischen dem Apparat 14 und dem umgebenden Gas- oder Dampfstrom sind Heizelemente 16 und 17 vorgebeueru Durch*ein Kontaktthermometer 18 wird über eine Regelvorrichtung 19 für eine geregelte Änderung der Gas- oder D-jjapftemperatur Sorge getragen. Die Überwachung -des Temperaturverlaufs im Meß-System , „J-4 und im vorbeiströmenden Medium erfolgt mit Hilfe der Thermometer 20 und 21. Es können noch in der schematischen Abbildung nicht gezeigte Beobachtungsfenster vorgesehen sein, die zweckmäßig/erweise an der Stelle des Windkanals angeordnet sind, an der sich der Apparat 14 befindete

Claims (1)

1. Patentansprüche :

   I₀ Yorrichtung sum Cberwachen und Beeinflussen, wie insbesondere zum Ausschalten, Einstellen und Regeln des Wärmeaustausches zwischen Stoffsystemen und deren Umgebung? insbesondere bei der Yorn,ahme_r technischer und ,physikalischer Messungen und bei der .Ee*«4<©ü«&g- chemischer 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 v/eitgehend homogenen Gas- oder Dampfstrom durchflossenen Behälter angeordnet sind«,

   2o Yorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß als von einem thermisch y/eitgehend homogenen Gas- oder Dampfstrom d.orchfIossener Behälter ein geschlossenes Leitungssystem, beispielsweise ein Windkanal, dient, in welchem der Gas- oder Dampfstrom mittels einer Umtriebsvjrrichtung in Umlauf gebracht wird=

   3o Yorrichtung nach Anspruch 1 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«,

   4o Vorrichtung nach Anspruch 1-3 zur Bestimmung von

   Siede- und Kondensationskurven bzw₀ Gleichgewichtskurven, dadurch gekennzeichnet j daß das Siedegefäß einer Apparatur zur Bestimmung des Gleichgewichtes flüssig-dampfförmig innerhalb eines Windkanales_j der Kühler und gegebenenfalls vorgesehene Kondensatgefäße außerhalb desselben angeordnet sind, wobei der Kühler und die etw% vorhandenen Kondensatgefäße mit dem Siedegefäß verbunden sind,

   5ο "Vorrichtung nach Anspruch 1-3 zur Eichung von SherJio-

   metem und zum Vergleich geprüfter Thermometer mit ungeprüften Thermometern j dadurch g-kennzeichnet, daß die Thermometer zu ihrer Eichung bzw. Prüfung über ihre ganze Lrlnge mindestens aber über die ganze Länge des Thermometerfadens auf der Eichtemperatur bzw. Prüftemperatur gehalten werden.

   6 ο Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung vorgesehen! ist, die gestattet., die von dem Gas- odei PampXstiom umspülten Stoffsysteme dem Einfluß sich ändernder Temperaturen auszusetzen? wobei die zeitliche Temperaturänderuxig nach Fineia bestimmten den Erfordernissen des jeweils vorliegenden Falles tntsprechenden Programm erfolgen_fund wobei die Temperatur des Gas- oder Pampf stromes mit der Temperatur .es von diesem umspülten Stoffsystemes zeitlich übereinstimmen kann*,

   7ο Vorrichtung gemöß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

   daß als Regelvorrichtung eine solche für eine stufenlos oi..er in bestimmten T^mperaturstufen erfolgende Änderung in zeitlich festgelegter Porm verwendet wird»