RU2287788C2

RU2287788C2 - Calorimeter

Info

Publication number: RU2287788C2
Application number: RU2005102691/28A
Authority: RU
Inventors: Лев Борисович Машкинов (RU); Лев Борисович Машкинов
Original assignee: Лев Борисович Машкинов
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-11-20
Also published as: RU2005102691A

Abstract

FIELD: heat engineering.

SUBSTANCE: calorimeter has measuring cell with calorimetric bomb introduced into cell. Measuring cell is made in form of polyhedron with even number of faces and it is connected with massive unit through heat flow converter. Massive unit is made of separate segments according to number of faces of measuring cell; faces are tied by metal ring. Massive unit is placed into isothermal envelope. Isothermal envelope is made in form of two cylindrical shells, between which shells the heat-insulating washer is placed. Air thermostat is introduced additionally into calorimeter. Thermostat has fan mounted in air-taking channel, heater, resistance thermometer and amplifier. Output current of amplifier, which current is increased due to non-balance of bridge device incorporated into device, inducing extraction of heat. Fan pushes air through heater and resistance thermometer; the latter brings bridge of amplifier in balance.

EFFECT: simplified design; improved precision of results.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам для измерения тепловых потоков, например, при сжигании исследуемых веществ.The invention relates to heat engineering, in particular to devices for measuring heat fluxes, for example, when burning test substances.

Известен калориметр, предназначенный для измерения тепловых потоков, содержащий теплоизолированный корпус с расположенными в нем измерительной и опорной ячейками, размещенными в массивном металлическом блоке и соединенными между собой через преобразователи теплового потока (Э.Кальве и А.Прат, Микрокалориметрия, М., Иностранная литература, 1963, с.37).A known calorimeter designed to measure heat fluxes, containing a thermally insulated body with measuring and supporting cells located in it, placed in a massive metal block and interconnected via heat flux converters (E. Calve and A. Prat, Microcalorimetry, M., Foreign literature , 1963, p. 37).

Наиболее близким к предложению по технической сущности и достигаемому результату является калориметр, содержащий измерительную ячейку с калориметрической бомбой, размещенную в массивном блоке и окруженную батареей дифференциальных термопар, через электроизоляционные прокладки, установленные в контакте с ячейкой и массивным блоком, причем измерительная ячейка выполнена в виде многогранника с четным числом граней, а массивный блок в виде отдельных металлических сегментов по числу ее граней, соосно которому снаружи его размещены прижимные элементы в виде двух кольцевых обойм, через резьбовые элементы образующие соединение с блоком и изотермическую оболочку (Авт. свид. SU №1774195, 07.11.1992).The closest to the proposal on the technical nature and the achieved result is a calorimeter containing a measuring cell with a calorimetric bomb, placed in a massive block and surrounded by a battery of differential thermocouples, through electrical insulating gaskets installed in contact with the cell and massive block, and the measuring cell is made in the form of a polyhedron with an even number of faces, and a massive block in the form of separate metal segments according to the number of its faces, coaxially to which outside it are placed mnye elements in the form of two annular yokes through threaded elements forming a connection with the block and insulated shell (Ed. svid. SU №1774195, 07.11.1992).

Недостатками известного калориметра являются отсутствие системы активного терморегулирования, что делает невозможным вывод калориметра на заданную рабочую температуру, высокая инерционность при достижении температурного равновесия, сложность конструкции термоэлектрического преобразователя.The disadvantages of the known calorimeter are the lack of an active temperature control system, which makes it impossible to display the calorimeter at a given operating temperature, high inertia when temperature equilibrium is reached, and the design complexity of the thermoelectric converter.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение инерционности калориметра, расширение диапазона рабочих температур, повышение надежности преобразователя теплового потока и упрощение устройства.The technical result of the claimed invention is to reduce the inertia of the calorimeter, expanding the range of operating temperatures, increasing the reliability of the heat flux converter and simplifying the device.

Технический результат достигается тем, что калориметр содержит измерительную ячейку с введенной в нее калориметрической бомбой, выполненную в виде многогранника с четным числом граней, связанную через преобразователь теплового потока с массивным блоком, выполненным в виде отдельных сегментов по числу ее граней, скрепленных металлическим кольцом и помещенным в изотермическую оболочку, причем в калориметр дополнительно введен воздушный термостат, состоящий из вентилятора, установленного в канале забора воздуха, нагревателя, термометра сопротивления, усилителя, а изотермическая оболочка выполнена в виде двух цилиндрических обечаек, между которыми размещена теплоизолирующая прокладка, при этом в качестве преобразователя теплового потока используют измерительный и опорный термометры сопротивления, причем измерительный термометр сопротивления расположен на наружной поверхности измерительной ячейки, грани которой через прокладки, выполненные из материала с высоким тепловым сопротивлением, прижаты к соответствующим граням металлических сегментов массивного блока, а опорный термометр сопротивления расположен на наружном диаметре металлического кольца.The technical result is achieved by the fact that the calorimeter contains a measuring cell with a calorimetric bomb inserted into it, made in the form of a polyhedron with an even number of faces, connected through a heat flux converter with a massive block made in the form of separate segments by the number of its faces fastened by a metal ring and placed in an isothermal shell, moreover, an air thermostat is introduced into the calorimeter, consisting of a fan installed in the air intake channel, a heater, a thermometer and the resistance, the amplifier, and the isothermal shell are made in the form of two cylindrical shells between which a heat-insulating gasket is placed, while the measuring and reference resistance thermometers are used as a heat flux converter, and the resistance measuring thermometer is located on the outer surface of the measuring cell, the edges of which are through the gaskets made of a material with high thermal resistance are pressed to the corresponding faces of the metal segments of the massive block and the reference resistance thermometer is located on the outer diameter of the metal ring.

На чертеже приведена структурная схема калориметра. Калориметр содержит две цилиндрические обечайки 1, 2, между которыми помещена прокладка из теплоизолирующего материала 3. В полости обечайки 2 находится массивный блок 4, внутри которого размещена измерительная ячейка 5, выполненная в виде цилиндрического многогранника, в которой расположена калориметрическая бомба 6. Сверху отверстие измерительной ячейки 5 закрыто пробкой 7, выполненной из теплоизолирующего материала, в нижней части ячейки находится прокладка 8, также выполненная из теплоизолятора. На наружной поверхности измерительной ячейки в спиральной канавке расположен измерительный термометр сопротивления 9 преобразователя теплового потока. Массивный блок 4 состоит из массивных сегментов по числу граней измерительной ячейки, имеющих развитую наружную поверхность теплообмена и выполненных из металла с высокой теплопроводностью, например из алюминиевого сплава. Сегменты массивного блока прижаты к поверхностям граней измерительной ячейки через прокладки 10. Сверху калориметр закрыт крышкой 11, имеющей отверстия для выхода нагретого терморегулятором воздуха. Воздушный терморегулятор калориметра содержит вентилятор 12, нагреватель 13, термометр сопротивления 14 и усилитель 15. Опорный термометр сопротивления 16 преобразователя теплового потока расположен на наружном диаметре металлического кольца 17, скрепляющего сегменты массивного блока 4.The drawing shows a structural diagram of a calorimeter. The calorimeter contains two cylindrical shells 1, 2, between which a gasket of heat-insulating material 3 is placed. In the cavity of the shell 2 there is a massive block 4, inside which there is a measuring cell 5, made in the form of a cylindrical polyhedron, in which the calorimetric bomb 6. The measuring hole is located above. the cell 5 is closed by a plug 7 made of heat insulating material, in the lower part of the cell there is a gasket 8, also made of a heat insulator. On the outer surface of the measuring cell in the spiral groove is a measuring resistance thermometer 9 of the heat flow transducer. The massive block 4 consists of massive segments according to the number of faces of the measuring cell having a developed outer heat exchange surface and made of metal with high thermal conductivity, for example, aluminum alloy. The segments of the massive block are pressed against the surfaces of the faces of the measuring cell through the gaskets 10. At the top, the calorimeter is closed by a cover 11, which has openings for the outlet of the air heated by the temperature controller. The air temperature regulator of the calorimeter contains a fan 12, a heater 13, a resistance thermometer 14, and an amplifier 15. The reference resistance thermometer 16 of the heat flux converter is located on the outer diameter of the metal ring 17 fastening the segments of the massive block 4.

Устройство работает следующим образом. При включении питания терморегулятора от электросети ≈220 В сигнал небаланса мостового устройства, входящего в состав усилителя 15, вызывает увеличение выходного тока последнего, который поступает в нагреватель 13, вызывая в нем выделение тепла. Вентилятор 12 гонит воздух сквозь нагреватель 13, развитую поверхность теплообмена массивного блока 4, термометр сопротивления 14. Поток воздуха выходит через отверстия крышки 11. Нагрев массивного блока ведется до тех пор, пока увеличение сопротивления термометра 14 не сбалансирует мост в усилителе 15. В дальнейшем терморегулятор поддерживает заданную температуру.The device operates as follows. When you turn on the power to the thermostat from the power supply ≈220 V, the unbalance signal of the bridge device included in the amplifier 15 causes an increase in the output current of the latter, which enters the heater 13, causing heat to be generated in it. The fan 12 drives the air through the heater 13, the developed heat exchange surface of the massive block 4, the resistance thermometer 14. The air flow exits through the openings of the cover 11. The massive block is heated until the resistance of the thermometer 14 balances the bridge in the amplifier 15. Further, the thermostat maintains the set temperature.

Благодаря активному терморегулированию и развитой поверхности теплообмена массивного блока 4 последний нагревается до заданной температуры существенно быстрее, чем при пассивном теплообмене с окружающей средой через стенки обечаек 1, 2, на которых обычно размещают нагреватели.Due to the active temperature control and the developed heat exchange surface of the massive block 4, the latter heats up to a predetermined temperature much faster than with passive heat exchange with the environment through the walls of shells 1, 2, on which heaters are usually placed.

При сжигании исследуемого вещества в калориметрической бомбе 6, тепловой поток проходит последовательно через ее боковую поверхность, имеющую цилиндрическую форму, стенку измерительной ячейки 5, измерительный термометр сопротивления 9, через прокладки 10, выполненные из материала с высоким тепловым сопротивлением, например из нержавеющей стали, и рассеивается в массивном блоке 4. Подбор толщины прокладок 10 позволяет снизить инерционность измерительной системы калориметра по сравнению с калориметрами типа Кальве, где тепловой поток проходит к массивному блоку через измерительные термобатареи, которые имеют относительно высокое и трудно изменяемое тепловое сопротивление. Разность величин сопротивлений измерительного термометра 9 и опорного термометра сопротивления 16 преобразуется в напряжение, которое в дальнейшем интегрируют, причем интеграл теплового потока служит мерой количества теплоты, выделившейся при сжигании исследуемого вещества.When the test substance is burned in a calorimetric bomb 6, the heat flux passes sequentially through its cylindrical side surface, the wall of the measuring cell 5, the resistance thermometer 9, through gaskets 10 made of a material with high thermal resistance, for example, stainless steel, and dispersed in the massive block 4. The selection of the thickness of the gaskets 10 allows to reduce the inertia of the measuring system of the calorimeter in comparison with calorimeters such as Calve, where the heat flux is It is connected to the massive block through measuring thermopiles, which have a relatively high and difficult to change thermal resistance. The difference between the resistance values of the measuring thermometer 9 and the reference resistance thermometer 16 is converted to a voltage that is further integrated, and the heat flux integral serves as a measure of the amount of heat released during the combustion of the test substance.

Обечайки 1, 2, между которыми размещена прокладка 3 из теплоизолирующего материала, исключают влияние нестабильности температуры окружающей среды на температуру массивного блока 4, которая регулируется воздушным термостатом 12, 13, 14, 15.The shells 1, 2, between which a gasket 3 of heat-insulating material is placed, exclude the influence of instability of the ambient temperature on the temperature of the massive block 4, which is regulated by an air thermostat 12, 13, 14, 15.

Предложенное устройство теплопроводящего калориметра позволяет, по сравнению с адиабатическими калориметрами сжигания, существенно (в 2-3 раза) уменьшить время вывода его на рабочую температуру и сократить (в 3-5 раз) время измерения количества выделившейся теплоты благодаря снижению тепловой инерционности измерительной ячейки с расположенной в ней калориметрической бомбой. Кроме того, в отличие от термоэлектрических батарей, использующихся в прототипе и аналоге, преобразователь теплового потока, состоящий из измерительного и опорного термометров сопротивления, выполненных из стандартной медной или платиновой проволоки, значительно проще в изготовлении и надежнее в эксплуатации.The proposed device of a heat-conducting calorimeter allows, in comparison with adiabatic combustion calorimeters, to significantly (2-3 times) reduce the time it is brought to operating temperature and shorten (3-5 times) the time for measuring the amount of heat released due to a decrease in the thermal inertia of the measuring cell with in it with a calorimetric bomb. In addition, unlike the thermoelectric batteries used in the prototype and analogue, the heat flux converter, consisting of measuring and reference resistance thermometers made of standard copper or platinum wire, is much simpler to manufacture and more reliable in operation.

Claims

1. A calorimeter containing a measuring cell with a calorimetric bomb inserted into it, made in the form of a polyhedron with an even number of faces, connected through a heat flow transducer with a massive block made in the form of separate segments by the number of its faces fastened by a metal ring and placed in an isothermal shell characterized in that the isothermal shell is made in the form of two cylindrical shells, between which a heat-insulating gasket is placed, in addition to the calorimeter air a thermostat consisting of a fan installed in the air intake channel, a heater, a resistance thermometer and an amplifier, the output current of which, increased as a result of the unbalance of the bridge device included in it, enters the heater, causing heat to be generated, while the fan drives air through the heater and resistance thermometer that balances the bridge in the amplifier.

2. The calorimeter according to claim 1, characterized in that the measuring and reference resistance thermometers are used as the heat flux converter, the measuring resistance thermometer located on the outer surface of the calorimeter cell, the edges of which are pressed against gaskets made of a material with high thermal resistance corresponding faces of the metal segments of the massive block, and the reference resistance thermometer is located on the outer diameter of the metal ring.