PL209221B1 - Sposób analizy termicznej oraz urządzenie do analizy termicznej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób analizy termicznej oraz urządzenie do analizy termicznej, pozwalające na określenie wpływu zmian temperatury badanej substancji na własności tej substancji. Analiza termiczna znajduje zastosowanie w jakościowym i ilościowym określaniu składu chemicznego i fazowego substancji, jak również badaniu efektów cieplnych reakcji chemicznych zachodzą cych w substancji podczas jej ogrzewania lub chł odzenia w procesach technologicznych. Do metod analizy termicznej zalicza się:

- termograwimetrię mającą na celu badanie zmian masy substancji, poddawanej analizie w funkcji czasu i/lub temperatury,

- analizę termograwimetryczną różnicową, w której otrzymuje się pierwszą pochodną krzywej termograwimetrycznej po czasie lub temperaturze, dzięki czemu uzyskuje się obraz zmian masy badanej substancji ze wzrostem lub spadkiem temperatury,

- analizę termometryczną, polegającą na ciągłym pomiarze temperatury badanej próbki w funkcji czasu lub temperatury ośrodka, w którym znajduje się próbka, przy czym próbka jest ogrzewana lub chłodzona ze stałą szybkością,

- termiczną analizę różnicową , polegają c ą na zapisywaniu róż nicy temperatur mię dzy badaną substancją a substancją wzorcową w funkcji czasu i temperatury, przy czym substancja badana i wzorcowa znajdują się w identycznych warunkach termicznych.

Termograwimetria, polega na oznaczaniu zmian masy badanej próbki w stałej temperaturze lub pod stałym ciśnieniem parcjalnym gazowych produktów reakcji. Prowadzić ją można w warunkach zadanej, zmieniającej się temperatury przy użyciu urządzenia zwanego termowagą.

Termowaga składa się z wagi, na szalce której znajduje się tygiel, zawierający badaną próbkę. Tygiel jest umieszczony w piecu elektrycznym, którego układ grzewczy zawiera moduł sterujący, zapewniający liniowy wzrost temperatury. Układ rejestrujący zapisuje zmiany masy próbki w funkcji czasu lub temperatury. Termowagi mogą być przystosowane do pracy w próżni lub w środowisku różnych gazów przepływających wokół próbki. Przy pomocy termowagi można prowadzić pomiary masy próbki w funkcji czasu i temperatury w warunkach izobarycznych. Z polskiego opisu patentowego nr 144 389 znana jest głowica pomiarowa do analizy termicznej, dzięki której stosując próbkę badanej substancji i próbkę odniesienia prowadzi się jednocześnie termiczną analizę róż nicową, analizę dylatometryczną i termomagnetyczną .

Z polskiego opisu patentowego nr 123 397 znany jest sposób przeprowadzania analizy termicznej próbek materiałowych i urządzenie do przeprowadzania analizy termicznej próbek materiałowych Sposób przedstawiony w tym opisie polega na nagrzewaniu co najmniej jednej próbki badanej i próbki kontrolnej ciepłem, korzystnie ze źródła promiennikowego, pomiarze różnicy temperatury i masy badanej próbki i próbki kontrolnej i na określeniu na tej podstawie właściwości próbki badanej. W tym sposobie i urządzeniu ciepło dostarczane jest do pojemnika, w którym znajduje się próbka, drogą promieniowania i konwekcji, a dopiero dalej dzięki stykowi próbki z pojemnikiem, ciepło jest przekazywane do próbki. Tym sposobem prowadzona jest różnicowa analiza termiczna próbki nie eksponowanej bezpośrednio na wymianę ciepła od ścian i gazów otaczających próbkę. Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P-340 641 znane jest urządzenie próbkujące do analizy termicznej krzepnącego metalu, do którego wlewa się badany ciekły metal. Po wlaniu ciekłego metalu do urządzenia metal krzepnie. W krzepnącym metalu zanurzony jest czujnik, który rejestruje zmiany temperatury krzepnącego metalu w funkcji czasu. Urządzenie przeznaczone jest do przeprowadzenia analizy termicznej prostej i przy jego pomocy nie jest badany rozkład temperatury w próbce.

Z opisu patentowego US 6257757 znany jest aparat do analizy termicznej w postaci komory rę kawicowej, w której próbka utrzymywana jest w kontrolowanej atmosferze. Komora próbkowa połączona jest z komorą rękawicową poprzez okno komunikacyjne. Temperatura jest kontrolowana w komorze próbkowej przez podgrzewacz zainstalowany zewnętrznie. Detektor masy próbki jest umieszczony w komorze rękawicowej i ma naczyńko, w którym umieszcza się próbkę do analizy. Detektor wagi jest przesuwny, gdyż spoczywa na mechanizmie posuwu tak, że naczyńko z próbką ma możliwość ruchu pomiędzy pierwszym położeniem w komorze rękawicowej i drugim skrajnym, gdy próbka jest umieszczona w komorze próbkowej. Króciec wlotowy gazu czyszczącego, usuwającego gazowe produkty reakcji z przestrzeni wokół próbki, znajduje się w obudowie komory rękawicowej, a gaz ten jest podawany do wnętrza obudowy detektora wagi. W drugim skrajnym położeniu obudowy detektora wagi, mieszek rurowy szczelnie przylega do komory rękawicowej, dlatego gaz podawany do obudowy

PL 209 221 B1 detektora wagi wpływa do komory próbkowej, usuwając gazowe produkty reakcji z przestrzeni wokół próbki. Dalej gaz wypływa z komory próbkowej wraz z gazowymi produktami reakcji przez wylot.

Żadne ze znanych urządzeń do analizy termicznej nie daje możliwości jednoczesnego prowadzenia analizy termograwimetrycznej, pomiaru rozkładu temperatury wewnątrz próbki i/lub na jej powierzchni oraz obserwacji stanu powierzchni próbki podczas jej wygrzewania czy chłodzenia.

Dotychczasowe metody analizy termicznej nie uwzględniają wpływu procesów wymiany ciepła, w szczególnoś ci wymiany ciepł a przez promieniowanie i konwekcję , na wyniki analizy termicznej np. wpływu różnicy temperatury w próbce na czas jej dysocjacji termicznej. Ponad to w metodach dotychczasowych próbka badanej substancji jest umieszczona w naczyńku stykając się z jego ścianami. Metody analizy termicznej stosowane dotychczas polegają na pomiarach różnych parametrów i wielkości termodynamicznych przy zastosowaniu małych próbek, których geometrię można było pomijać.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia do jego realizacji pozwalających na jednoczesne prowadzenie analizy termograwimetrycznej, badanie rozkładu temperatury w próbce oraz stanu jej powierzchni.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że odbywający się na drodze wymiany ciepła przez promieniowanie i konwekcję, proces wygrzewania lub chłodzenia próbki, zwłaszcza o dużych gabarytach, prowadzi się wedle zadanej krzywej grzania lub chłodzenia, przy czym powierzchnia próbki oraz powierzchnia ścian komory i gaz emitująco-absorbujący, wypełniający przestrzeń między ścianami próbki i komory, tworzą układ powierzchni o zadanych wartościach współczynników konfiguracji. W procesie wygrzewania lub chłodzenia próbki wykorzystuje się również konwekcyjny sposób transportu ciepła do próbki, przy czym układ ścian komory i próbki kształtuje przepływ gazów wypełniających komorę i zapewnia zadaną wartość współczynnika konwekcyjnego wnikania ciepła do próbki. Rozkład temperatury w próbce mierzy się w co najmniej dwóch punktach i jednocześnie kontroluje się bieżący skład gazów otaczających próbkę i wydzielanych przez próbkę podczas jej wygrzewania względnie chłodzenia, przy czym sterowanie prędkością zachodzących reakcji lub przemian fazowych w próbce prowadzi się również przez zastosowanie mieszaniny gazów o zadanym składzie, uwzględniając ciśnienie parcjalne gazów wydzielanych przez substancję próbki podczas jej rozkładu termicznego, wprowadzanej do układu utworzonego przez ściany komory i ściany próbki. Równocześnie prowadzi się obserwację optyczną stanu powierzchni badanej próbki.

Urządzenie do analizy termicznej według wynalazku posiada komorę ogrzewaną lub chłodzoną odpowiednim układem. Wewnątrz komory na szalce spoczywa, na elemencie dystansowym pozwalającym na swobodny dostęp gazów, próbka badanej substancji, przy czym szalka jest podwieszona do wagi lub na nią naciska. Szalka jest ogrzewana przez układ elektryczny i chroniona od uderzenia napływającego od spodu strumienia podgrzanej mieszanki gazowej przy pomocy osłony. W próbce znajdują się termopary, mierzące temperaturę wewnątrz próbki i/lub na jej powierzchni, urządzenie wyposażone jest ponadto we wziernik, pozwalający obserwować stan powierzchni badanej próbki podczas prowadzonej analizy termicznej. Ściany komory urządzenia i ściany próbki, tworzące układ wraz z gazem, wypełniającym przestrzeń pomiędzy nimi są dopasowane kształtem, aby zapewnić zadane wartości współczynników konfiguracji.

Wynalazek pozwala na jednoczesne prowadzenie analizy termograwimetrycznej, pomiar rozkładu temperatury w próbce oraz wizualną obserwację stanu jej powierzchni. Ponadto urządzenie skonstruowane jest w taki sposób, że umożliwia prowadzenie analizy termicznej substancji w z góry zaplanowanych warunkach wymiany ciepła na drodze promieniowania i/lub konwekcji od otoczenia próbki ( ścian komory i otaczającego ją gazu) z uwzględnieniem wartości współczynników konfiguracji.

Urządzenie według wynalazku, realizujące sposób analizy termicznej uwidocznione jest w przykładach wykonania na rysunku, który przedstawia schemat urządzenia w przekroju wzdłużnym gdzie fig. 1 w wersji z komorą cylindryczną, fig. 2 w wersji z komorą prostopadłościenną, a fig. 3 wersję z komorą sferyczną .

P r z y k ł a d 1

Urządzenie (fig. 1) posiada cylindryczną komorę 1, ogrzewaną układem grzejnym 2. Komora 1 zamknięta jest od góry pokrywą 3, wyposażoną w otwór przelotowy 4 oraz króciec 5, przez który pobierana jest próbka gazów opuszczających komorę, poddawana następnie analizie składu.

Komora 1 oraz układ grzejny 2 otoczone są izolacją 6, chronioną pancerzem 7. W dolnej części urządzenia znajduje się podgrzewacz 8 mieszanki gazowej z układem grzejnym 9. Wewnątrz komory 1 na szalce 10 spoczywa, na elemencie dystansowym 11, próbka 12 w kształcie walca. Szalka 10 połą4

PL 209 221 B1 czona jest przy pomocy żaroodpornych cięgien 13 z zawiesiem 14 w postaci rurki ze stali żaroodpornej i wagą 15 mierzącą zmiany masy próbki 12.

Element dystansowy 11 w kształcie walca wykonany jest z materiału słabo przewodzącego ciepło i nie wchodzącego w reakcję chemiczną z materiałem próbki i posiada przeloty 16, które pozwalają na swobodny dostęp gazów otaczających próbkę do dna próbki.

Szalka 10 ogrzewana jest od spodu przez układ elektryczny 17 i chroniona od uderzenia napływającego od spodu strumienia podgrzanej mieszanki gazowej przy pomocy osłony 18, umocowanej na wsporniku 19 połączonym z obudową podgrzewacza 8.

Do próbki 12 wprowadza się termopary 20, mierzące temperaturę wewnątrz próbki i/lub na jej powierzchni. Urządzenie według wynalazku wyposażone jest we wziernik 21, pozwalający obserwować stan powierzchni badanej próbki podczas prowadzonej analizy termicznej.

W celu przeprowadzenia analizy termicznej próbkę badanego wapienia w kształcie walca, którego średnica i wysokość wynosi np. 100 mm, umieszcza się na szalce urządzenia, a następnie włącza układ grzejny 2, pracujący według zadanej krzywej grzania (tabela 1) Równocześnie włącza się układ grzejny 9 podgrzewacza 8, który pracuje według tej samej krzywej grzania co układ 2 lub innej, osobno dobranej. Do podgrzewacza podaje się przygotowaną mieszankę gazową np. powietrza i gazu jaki wydziela się z próbki podczas wygrzewania, w tym przypadku CO2, w celu zapewnienia żądanej szybkości odprowadzania z próbki gazowego produktu reakcji chemicznych, zachodzących w próbce podczas wygrzewania, przez otwór przelotowy 4 do otoczenia, a ponadto przez króciec 5 do analizy składu, otaczającej układ, mieszaniny gazów

P r z y k ł a d 2

Komora 1 i próbka 12 mają kształt prostopadłościenny. Komora składa się z dwóch części. Wymiary próbki i komory są tak dobrane, że układ powierzchni próbki i komory pozwalają na otrzymanie żądanych wartości współczynników konfiguracji. Element dystansowy 11 posiada również kształt prostopadłościanu i jego ściany zewnętrzne tworzą jednolitą powierzchnię ze ścianami bocznymi próbki 12. Szalka 10 i osłona 18 są prostokątne i mają zagięte krawędzie. Dalej postępuje się jak w przykładzie 1.

P r z y k ł a d 3

Urządzenie w kolejnej wersji (fig. 3) posiada sferyczną, dwuczęściową komorę 1, ogrzewaną układem grzejnym 2.

W dolnej części urządzenia znajduje się podgrzewacz 8 mieszanki gazowej z układem grzejnym 9. Wewnątrz komory 1 na szalce 10 spoczywa, na elemencie dystansowym 11, próbka 12 w kształcie sfery lub kuli. Próbka i komora tworzą układ geometryczny o wspólnym środku.

Element dystansowy 11 posiada przeloty 16, które pozwalają na swobodny dostęp gazów otaczających próbkę do dna próbki, przy czym średnicę elementu dystansowego dobiera się jak najmniejszą, aby najpełniej umożliwić wymianę ciepła między próbką a otaczającymi gazami.

Szalka 10 ogrzewana jest od spodu przez układ elektryczny 17 i ma kształt czaszy o promieniu takim samym jak promień sferycznej komory. Średnica komory dobrana jest tak aby między wewnętrzną powierzchnią komory a powierzchnią próbki uzyskać zakładaną wartość współczynnika konfiguracji na drodze promieniowania ciepła od powierzchni komory do powierzchni próbki.

Szalka 10 chroniona jest od uderzenia napływającego od spodu strumienia podgrzanej mieszanki gazowej przy pomocy osłony 18 wyposażonej w kierownicę 22, która pozwala na właściwe ukierunkowanie wypływu mieszanki gazowej podgrzanej w podgrzewaczu.

Do próbki 12 wprowadza się termopary 20, mierzące temperaturę wewnątrz próbki i/lub na jej powierzchni.

W celu przeprowadzenia analizy termicznej próbkę badanego wapienia w kształcie kuli o średnicy np. 100 mm, umieszcza się na szalce wagi na elemencie dystansowym 11. Średnicę dystansu dobiera się jak najmniejszą, aby umożliwić wymianę ciepła pomiędzy próbką a otaczającymi ją gazami i ścianami komory. Do podgrzewacza podaje się przygotowaną mieszankę gazową np. powietrza i gazu jaki wydziela się z próbki podczas wygrzewania ( w tym przypadku CO2) w celu zapewnienia żądanej szybkości odprowadzania z próbki gazowego produktu reakcji chemicznych, zachodzących w próbce podczas wygrzewania, przez otwór przelotowy 4 do otoczenia, a ponadto przez króciec 5 do analizy składu, otaczającej układ, mieszaniny gazów.

Claims (5)

1. Sposób analizy termicznej, wykorzystujący metodę analizy termograwimetrycznej, polegającą na rejestrowaniu zmian masy badanej próbki, znamienny tym, że proces nagrzewania lub chłodzenia próbki zwłaszcza o dużych gabarytach prowadzi się wedle zadanej krzywej grzania lub chłodzenia, przy czym powierzchnia próbki oraz powierzchnia ścian komory grzewczej lub chłodzącej oraz gaz emitująco-absorbujący, wypełniający przestrzeń między ścianami komory i ścianami próbki tworzą układ powierzchni o zadanych wartościach współczynników konfiguracji, przy czym w procesie nagrzewania lub chłodzenia próbki wykorzystuje się również konwekcyjny sposób transportu ciepła do próbki, a rozkład temperatury w próbce mierzy się w co najmniej dwóch punktach i jednocześnie kontroluje bieżący skład gazów otaczających próbkę i wydzielanych przez próbkę podczas jej wygrzewania względnie chłodzenia, zaś sterowanie prędkością zachodzących reakcji lub przemian fazowych w próbce prowadzi się również przez zastosowanie mieszaniny gazów o zadanym składzie, wprowadzanej do układu utworzonego przez ściany komory i ściany próbki i równocześnie prowadzi się obserwację optyczną stanu powierzchni badanej próbki.

2. Urządzenie do analizy termicznej wyposażone w komorę, układ grzejny i wagę, znamienne tym, że posiada komorę 1 ogrzewaną lub chłodzoną, wewnątrz komory 1 na szalce 10 spoczywa, na elemencie dystansowym 11, próbka 12 przy czym szalka 10 jest podwieszona do wagi lub na nią naciska i wyposażona jest w osłonę 18 w próbce 12 znajdują się termopary 20, mierzące temperaturę wewnątrz próbki i/lub na jej powierzchni, ponad to urządzenie wyposażone jest we wziernik 21.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że komora i badana próbka są tej samej geometrii, a ich wymiary uwzględniają żądaną wartość współczynników konfiguracji.

4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że element dystansowy 11 tworzy ze ścianami próbki jednolitą powierzchnię.

5. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że wyposażone jest w podgrzewacz 8 mieszanki gazowej, dostarczanej do urządzenia.