PL101975B1 - Modular calorimetric vessel - Google Patents

Description

Opis patentowy opublikowano: 31.07.1979 l 101975 Int.Cla.

G01K 17/00 G01N 25/20 C L \ <- L ^ i A I U--edu Patentowego 1 Twórcywynalazku: Stanislaw Randzio, Boguslaw Piasecki, Tomasz Strzelecki Uprawniony z patentu: Zjednoczone Zaklady Produkcji Aparatury Naukowej, Warszawa (Polska) Modulowe naczynie kalorymetryczne Przedmiot wynalazku dotyczy ulepszonego rozwiazania modulowego naczynia kalorymetrycznego przezna¬ czonego do pomiaru w ukladach kalorymetrycznych mocy i energii cieplnych przeprowadzanych w nich reakcji i przemian.

Warunki prawidlowosci pomiaru kalorymetrycznego, niezaleznie od zastosowanej metody wyznaczania mocy cieplnej reakcji lub przemiany fizykochemicznej, jest zachowanie jednoznacznej i takiej samej zaleznosci dynamicznej pomiedzy sygnalem uzyskiwanym z czujnika kalorymetrycznego spowodowanym wydzielaniem sie ciepla w trakcie badanej reakcji i sygnalem z czujnika kalorymetrycznego wywolanym wydzielaniem znanej mocy cieplnej w grzejniku wzorcujacym. Praktycznie realizacja tej zasady wymaga uzyskania w ukladzie równo¬ sci trzech parametrów charakteryzujacych naczynia kalorymetryczne w procesie wzorcowania i pomiaru: pojem¬ nosci cieplnej, wspólczynników wymiany ciepla i geometrycznego rozkladu pola temperaturowego zródla ciepla.

Znane konstrukcje naczyn kalorymetrycznych spelniaja wyzej wymieniony warunek jedynie w zastosowa¬ niu do badania reakcji okreslonego rodzaju.

Uklady konstrukcyjne wyposazone sa zwykle w takie podstawowe zespoly, jak: przewód wprowadzajacy naczynie i doprowadzajacy reagenty, w wymienniki ciepla oraz w naczynie reakcyjne. Sposród stosowanych aktualnie rozwiazan wyróznia sie dwa zasadnicze typy tych ukladów: z oddzielnymi naczyniami do pomiaru i wzorcowania oraz umieszczonymi w nich grzejnikami lub ze stalym grzejnikiem wzorcujacym umieszczonym bezposrednio w kalorymetrze w poblizu naczynia pomiarowego.

Wykorzystanie oddzielnych naczyn do pomiaru ido wzorcowania ma takie wady, jak:*brak mozliwosci stosowania metody pomiaru kompensacyjnego oraz spelnienie wylacznie warunku równosci wspólczynnika wymiany ciepla przy pomiarach i wzorcowaniu, co pozwala wyznaczyc w sposób poprawny jedynie calkowita energie wydzielana w trakcie reakcji. Dokladnosc tego pomiaru jest ograniczona, bowiem wspólczynnik wymia¬ ny ciepla zalezy zarówno od rozkladu pola temperaturowego zródla ciepla, jak i od sposobu oddzialywania cieplnego naczynia z otoczeniem, a równosc tych parametrów jest trudna do uzyskania w dwu róznych naczy¬ niach.2 101975 Drugi z wymienionych typów ukladów, ze stalym grzejnikiem wzorcujacym umozliwia stosowanie kom¬ pensacyjnej metody pomiaru oraz zapewnia niezmiennosc konfiguracji elektrycznych przewodów doprowadzaja¬ cych i zachodzacej przez nie wymiany ciepla z termostatem lub otoczeniem. W ukladach tych grzejnik znajduje sie przykladowo w cylindrycznej zamknietej obudowie, umocowanej wewnatrz kalorymetru, zas naczynie kalo¬ rymetryczne posiada odpowiednio uksztaltowane wglebienie, w które wspomniana obudowa jest wsunieta pod¬ czas pomiaru.

Rozwiazanie takie posiada jednak wade przystosowania rozwiazania grzejnika i naczynia do okreslonego typu reakcji, co utrudnia zapewnienie w naczyniu równosci geometrycznego rozkladu pola temperatur podczas badanej reakcji i wzorcowania. Inne rozwiazania, typu laboratoryjnego, maja grzejnik umieszczony bezposrednio w srodowisku reakcyjnym, wykonany do kazdego kolejnego pomiaru, a rozklad wydzielanego ciepla jest wówczas niepowtarzalny.

W celu ograniczenia i ujednolicenia wymiany ciepla przez naczynie kalorymetryczne z otoczeniem oraz w celu ulatwienia wprowadzania naczyn do kalorymetru na przewodzie wprowadzajacym naczynia umieszcza sie w znanych konstrukcjach metalowe lub teflonowe ekrany wykonane w postaci cienkich krazków.

Taki sposób polaczenia naczyn z otoczeniem nie eliminuje wystarczajaco dokladnie wplywu zaklócen zewnetrznych na naczynie pomiarowe, a zmiana temperatury otoczenia wplywa bezposrednio na stan temperatu¬ rowy naczyn, a zatem i na dokladnosc przeprowadzanych pomiarów. W niektórych kalorymetrach do wyrównywania temperatury wprowadzanych plynnych reagentów stosuje sie wymienniki ciepla umieszczone w termostacie na zewnatrz bloku kalorymetrycznego, co umozliwia polaczenie naczyn reakcyjnych bezposrednio z zewnetrznymi ukladami dozujacymi, ale konstrukcja ta zajmuje znaczna objetosc, a caly kalorymetr musi byc równiez dostosowany do rodzaju badanej reakcji lub przemiany.

Jak wynika fc powyzszego nieznane sa rozwiazania modulowe naczyn kalorymetrycznych, o uniwersalnym zastosowaniu do róznorodnych typów reakcji i przemian, pracujace w szerokim zakresie temperatur i stezen reagentów.

Modulowe rozwiazanie naczynia kalorymetrycznego wyposazone w takie znane zespoly, jak: przewód wprowadzajacy naczynie i doprowadzajacy reagenty, wymienniki ciepla oraz naczynie reakcyjne z umieszczonym w nim grzejnikiem wzorcujacym stanowi zgodnie z wynalazkiem konstrukcje, w której zespoly modulu tworza jednolity mechanicznie i funkcjonalnie wymienialny uklad.

Na przewodzie wprowadzajacym naczynie i reagenty sa umocowane zespoly kompensacji mechanicznej i wyrównania temperatury, z których kazdy sklada sie z elementu zaciskowego, umocowanego wspólosiowo na przewodzie wprowadzajacym oraz z osadzonego na tym elemencie przesuwnego w kierunku promieniowym ele¬ mentu dopasowanego zewnetrznymi wymiarami do otworu wprowadzajacego w kalorymetrze. Co najmniej jeden z tych zespolów jest wyposazony w element ustalajacy polozenie katowe ukladu modulowego.

Koncówki elektryczne znanego grzejnika wzorcujacego wyprowadzone na zewnatrz grzejnika stanowia styki dociskane sprezyscie do koncówek osadzonych na stale wewnatrz kalorymetru i polaczonych elektrycznie z zewnetrznym obwodem wzorcowania.

Element zaciskowy kazdego z zespolów kompensacji mechanicznej i wyrównania temperatury stanowi ko¬ rzystnie dzielony pierscien wewnetrzny zlozony z pierscieni zacisnietych na przewodzie wprowadzajacym.

Element tego zespolu dopasowany zewnetrznymi wymiarami do otworu wprowadzajacego w kalorymetrze stanowi dzielony pierscien zewnetrzny z wykonanymi w pólpierscieniach wybraniami o promieniu wiekszym od zewnetrznego promienia pierscienia wewnetrznego o wielkosc wymaganego przesuniecia promieniowego. Wybra¬ nia te dopasowane sa do szerokosci pierscienia wewnetrznego. Srednica zewnetrzna pierscienia zewnetrznego jest okreslona wymiarami srednicy otworu wprowadzajacego w kalorymetrze.

Element ustalajacy polozenie katowe ukladu modulowego stanowi korzystnie kolek ustalajacy o osi równoleglej do osi modulu i wprowadzony do otworu wykonanego w co najmniej jednym z zespolów kompen¬ sacjimechanicznej. \ Wyprowadzenia elektryczne grzejnika wzorcujacego z naczynia reakcyjnego sa próznioszczelne, a styki elek¬ tryczne grzejnika sa zacisniete pomiedzy wspólsrodkowymi pierscieniami izolacyjnymi przymocowanymi trwale do ukladu modulowego.

W rozwiazanym zgodnie z wynalazkiem ukladzie modulowego naczynia kalorymetrycznego wyodrebniono czesci niezalezne od typu badanych reakcji i warunków ich przeprowadzania, umieszczajac je na stale wewnatrz kalorymetru, a zespoly konstrukcyjne przystosowane ksztaltem i funkcjonalnoscia do róznych typów reakcji umocowano wjednym, wymienialnym ukladzie modulowym.

W ukladzie tym zespoly kompensacji mechanicznej i wyrównywania temperatury zapewniaja dobry kon¬ takt cieplny wymienników ciepla z oslona grzejna termostatu i z blokiem kalorymetrycznym oraz eliminuja naprezenia mechaniczne wynikajace z bledów wykonania otworów wprowadzajacych i poszczególnych elemen¬ tów.101975 3 Przedmiot wynalazku zostanie blizej omówiony w oparciu o pokazany na rysunku przyklad wykonania ukladu modulowego z naczyniem kalorymetrycznym przystosowanym do pomiarów mocy i energii cieplnych wydzielonych w trakcie reakcji i przemian zachodzacych na granicy fazy gazowej i sproszkowanej fazy stalej.

Grzejnik 1 jest umieszczony w naczyniu reakcyjnym 2, w postaci cienkosciennej rury szklanej polaczonej próznioszczelnie z przewodem wprowadzajacym 3. Koncówki elektryczne grzejnika stanowia styki sprezyste 4 na stale zacisniete pomiedzy wspólsrodkowymi pierscieniami izolacyjnymi 5, przymocowanymi trwale do ukladu.

Styki te wspólpracuja ze sztywnymi stykami 6 umocowanymi na stale do izolatorów 7 kaiorymetru.

Naczynie reakcyjne 2 jest umieszczone rozlacznie w zewnetrznym naczyniu 8. Przestrzen miedzy naczy¬ niem reakcyjnym 2 i zewnetrznym naczyniem 8, stykajacym sie w kalorymetrze bezposrednio z czujnikami kalorymetrycznymi, jest wypelniona wypelniaczem kalorymetrycznym 9.

Na przewodzie wprowadzajacym 3 reagenty do naczynia, sa umocowane dwa zespoly 10,11 kompensacji mechanicznej i wyrównywania temperatury. Kazdy z tych zespolów sklada sie z dzielonych pierscieni, przy czym pierscien wewnetrzny 12 jest zacisniety na przewodzie wprowadzajacym 3, a pierscien zewnetrzny 13 ma wybrania 14 dopasowane do szerokosci pierscienia wewnetrznego. Pierscienie zewnetrzne sa dopasowane do otworu w bloku kalorymetrycznym 15. Srednica zewnetrzna pierscienia wewnetrznego jest mniejsza od srednicy wybrania 14 o luz promieniowy umozliwiajacy przemieszczenie sie przewodu wprowadzajacego w otworze wpro¬ wadzajacym bloku kalorymetrycznego 15, bez pogorszenia kontaktu cieplnego. Jeden z zespolów 11 kompen¬ sacji w pierscieniach zewnetrznym i wewnetrznym ma dodatkowe wybranie umozliwiajace wprowadzenie kólka 16 ustalajacego. Uzupelnieniem uszczelnienia przewodu wprowadzajacego jest dzielona wzdluznie tuleja 17, wykonana z materialu izolacyjnego.

Dzialanie opisanego wyzej ukladu modulowego naczynia kalorymetrycznego jest nastepujace. Przez prze¬ wód wprowadzajacy 3 laduje sie do naczynia reakcyjnego 2 porcje badanego sproszkowanego ciala stalego, gdzie znajdzie sie ona w bezposrednim kontakcie z grzejnikiem 1.

Wysokosc sproszkowanej fazy stalej nie powinna byc wieksza od wysokosci grzejnika. Po umieszczeniu ruchomego ukladu modulowego w kalorymetrze i ustaleniu w trakcie wprowadzenia polozenia katowego calego ukladu kolkiem 16, styki sprezyste 4 dokladnie stykaja sie z odpowiadajacymi im stykami stalymi 6. Zespoly , U poza funkcja mechanicznej kompensacji bledów wykonania elementów ukladu, ulatwiaja równiez kon¬ takt cieplny przewodu doprowadzajacego 3 z oslona grzejna 18 i blokiem 15. Powoduje to, ze wszelkie zaklóce¬ nia cieplne przenikajace z otoczenia przez przewód wprowadzajacy 3 sa wytlumiane w oslonie grzejnej 18 i w blo¬ ku 15 i nie zaklócaja cieplnie kalorymetrycznego ukladu pomiarowego.

Poza tym wprowadzone reagenty, przykladowo badany gaz, przejmuja latwo temperature oslony i bloku i nie zaklócaja w ogóle lub nieznacznie stan cieplny naczynia reakcyjnego. Powoduje to, ze sygnal powstajacy w kalorymetrycznym ukladzie pomiarowym odpowiada jedynie badanej reakcji.

Zespól styków 4,6 umozliwia polaczenie elektryczne grzejnika z zewnetrznym obwodem wzorcowania bez koniecznosci stosowania dodatkowych przewodów, przez co wymiana ciepla przez same przewody elektryczne jest stala i nie powoduje zadnych przypadkowych bledów pomiaru.

Duza powierzchnia styku sproszkowanego zloza fazy stalej z grzejnikiem umozliwia wprowadzanie badane¬ go gazu do naczynia bez zadnych opóznien, przy czym dociera on do wszystkich punktów powierzchni badanego ciala stalego. Wydzielone w trakcie reakcji cieplo oddzialywuje na czujnik kalorymetryczny 19 poprzez sciane naczynia reakcyjnego 2, wypelniacz kalorymetryczny 9 i sciany naczynia zewnetrznego 8.

W momencie wzorcowania elektrycznego lub pomiaru kompensacyjnego cieplo wydzielone w grzejniku oddzialywuje na zloze badanej fazy stalej, a nastepnie ta sama droga, co przy wydzielaniu badanego efektu cieplnego oddzialywuje na czujnik 19.

Ewentualne opóznienia sygnalu cieplnego z grzejnika wzorcujacego 1 i z badanego efektu cieplnego sa minimalne i moga byc pominiete w stosunku do opóznienia spowodowanego przez wypelniacz. Praktycznie zatepi istnieje jednoznaczna i stala zaleznosc pomiedzy sygnalami z czujnika spowodowanymi cieplem wydzielo¬ nym w grzejniku wzorcujacym i w badanej reakcji powierzchniowej.

Konstrukcja modulowego naczynia kalorymetrycznego znajduje szerokie zastosowanie w uniwersalnych i dokladnych kalorymetrach, przystosowanych do pomiaru efektów cieplnych wielu reakcji i przemian. Naczynia wedlug wynalazku moga byc stosowane zarówno w laboratoriach badawczych i przemyslowych, jak równiez mozna je wykorzystac w aparaturze chemicznej typu przemyslowego.

Claims (3)

Zastrzezenia patentowe

1. Modulowe naczynie kalorymetryczne do pomiaru w ukladach kalorymetrycznych mocy i energii ciepl¬ nych reakcji i przemian, wyposazone w przewód wprowadzajacy naczynie i doprowadzajacy reagenty, wymienni-4 101 975 ki ciepla oraz naczynie reakcyjne zawierajace grzejnik wzorcujacy, znamienne tym, ze zespoly modulu stanowia jednolity mechanicznie i funkcjonalnie wymienialny uklad, w którym na przewodzie wprowadzajacym (3) sa umocowane zespoly (10, 11) kompensacji mechanicznej i wyrównania temperatury, z których kazdy jest utworzony z elementu zaciskowego (12) umocowanego wspólosiowo na przewodzie wprowadzajacym (3) oraz z osadzonego na nich, przesuwnego w kierunku promieniowym elementu (13) dopasowanego zewnetrznymi wymiarami do otworu wprowadzajacego w kalorymetrze, przy czym co najmniej jeden z tych zespolów jest wyposazony w element (16) ustalajacy polozenie katowe ukladu, natomiast koncówki elektryczne (4) grzejnika wzorcujacego (1) wyprowadzone na zewnatrz grzejnika stanowia styki dociskane sprezyscie do koncówek (6) osadzonych na stale wewnatrz kalorymetru i polaczonych elektrycznie z zewnetrznym obwodem wzorcowania.

2. Modulowe naczynie kalorymetryczne wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze kazdy z zespolów (10, 11) kompensacji mechanicznej i wyrównania temperatury sklada sie korzystnie zdzielonych pierscieni o róznych srednicach, przy czym pierscien wewnetrzny (12) stanowia pólpierscienie zacisniete na przewodzie wprowadzajacym (3), natomiast pierscien zewnetrzny (13) jest zlozony z pólpierscieni z wykonanymi w nich wybraniami o promieniu wiekszym o wielkosc wymaganego przesuniecia promieniowego od promienia zewne¬ trznego pierscienia wewnetrznego, przy czym wybrania te sa dopasowane do szerokosci pierscienia wewnetrzne¬ go, a srednice zewnetrzna pierscienia zewnetrznego okreslaja wymiary przekroju otworu wprowadzajacego w ka¬ lorymetrze.

3. Modulowe naczynie kalorymetryczne wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze wyprowadzenia elek¬ tryczne grzejnika wzorcujacego (1) z naczynia reakcyjnego (2) sa próznioszczelne, a styki elektryczne grzejnika sa na stale zacisniete pomiedzy wspólsrodkowymi pierscieniami izolacyjnymi (5) przymocowanymi do ukladu. Prac. Poligraf. UP PRL naklad 120 + 18 Cena 45 zl