БОМБОВЫЙ КАЛОРИМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК G01K17/00 G01N25/20 

Изобретение относится к области исследования свойств материалов с помощью калориметрических измерений и может быть использовано в бомбовых калориметрах переменной температуры для определения теплоты сгорания топлива.

Калориметры для определения теплоты сгорания топлива состоят из двух основных частей - калориметрического сосуда (в который помещают калориметрическую бомбу для сжигания анализируемого топлива) и калориметрической оболочки. Оболочка окружает калориметрический сосуд (в котором происходит изучаемый тепловой процесс) и либо обеспечивает определенные условия теплообмена калориметрического сосуда со средой - изотермическая оболочка, либо устраняет теплообмен - адиабатическая оболочка (Колесов В.П. Основы термохимии. М., Изд-во МГУ, 1996, 205 с.).

Количество теплоты, выделившееся в результате сгорания топлива в калориметрической бомбе, вычисляют по методу теплового эквивалента, выраженному формулой Q=WΔT, где W - тепловой эквивалент калориметра, ΔТ - изменение температуры калориметрического сосуда с поправкой на теплообмен сосуда и оболочки (так называемый исправленный подъем температуры).

Известна формула определения поправки на теплообмен при постоянной температуре калориметрической оболочки (изотермическая оболочка) - формула Реньо-Пфаундлера (1866 г.). Для ее использования необходимо определять температуру только калориметрического сосуда через равные промежутки времени в течение начального, главного и конечного периодов одного единственного опыта. Для вычисления поправки на теплообмен предложены и другие способы. Но все известные способы вычислений в конечном итоге основаны на нахождении средней по времени температуры калориметрического сосуда в главном периоде опыта (Олейник Б.Н. Точная калориметрия. М., 1973, 2-е изд., с.65-67).

В реальных калориметрах с адиабатической оболочкой также приходится вводить поправку на теплообмен, так как полностью устранить его не удается (Васильев Я.В., Мацкевич Н.И. Журнал физ. химии, т.LXII, 1988, №12, с.3172-3179).

Известен ближайший к заявляемому изобретению по назначению и достигаемому результату бомбовый калориметр для определения теплоты сгорания топлива, содержащий заполненный водой калориметрический сосуд с мешалкой, окруженный изотермической калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, датчик температуры калориметрической оболочки, калориметрическую бомбу и вычислительный блок для определения теплоты сгорания топлива в функции от температурных и временных характеристик калориметрического процесса по методу теплового эквивалента (Пат. США №5322360, G01K 17/00, G01N 25/20, G01N 25/26, 21.06.1994 - прототип). Калориметрическая оболочка данного калориметра представляет собой кожух с двойными стенками, через которые прокачивается вода, проходящая через теплообменник, обдуваемый комнатным воздухом, что обеспечивает относительную стабильность температуры калориметрической оболочки.

Недостатками калориметра, выбранного за прототип, являются недостаточная точность калориметрических измерений, так как используемый алгоритм расчета результата содержит систематическую погрешность (что отмечено в тексте патента), а также сложность выполнения изотермической калориметрической оболочки и стабилизации ее температуры.

Задачей заявляемого изобретения является создание такого калориметра, который обеспечит повышение точности калориметрических измерений и в первых трех вариантах изобретения дополнительно обеспечит упрощение конструкции калориметра.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым бомбовым калориметром для определения теплоты сгорания топлива, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с мешалкой, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, калориметрическую бомбу и вычислительный блок для определения теплоты сгорания топлива в функции от температурных и временных характеристик калориметрического процесса по методу теплового эквивалента, в котором, согласно первому варианту изобретения, калориметрическая оболочка выполнена в виде пространственно замкнутого кожуха с высокой теплопроводностью, установленного с зазором вокруг калориметрического сосуда, а вычислительный блок выполнен с реализацией указанной функции по данным о температуре калориметрического сосуда по формуле:

Q₁=W₁ΔТ₁=W₁[T_cf-Т_ci-g_i·Δτ+(g_i-g_f)·Δτ·P],

где Q₁ - измеряемая теплота сгорания по данным о температуре калориметрического сосуда,

W₁ - тепловой эквивалент калориметра для вычисления теплоты сгорания по данным о температуре калориметрического сосуда,

ΔТ₁ - исправленный подъем температуры, вычисленный по данным о температуре калориметрического сосуда,

T_cf - температура калориметрического сосуда после поджигания образца топлива при наступлении регулярного теплового режима,

T_ci - температура калориметрического сосуда в момент поджигания образца,

g_i - скорость изменения температуры калориметрического сосуда в момент поджигания образца,

Δτ - интервал времени изменения температуры калориметрического сосуда от T_ci до T_cf,

g_f - скорость изменения температуры калориметрического сосуда после поджигания образца при наступлении регулярного теплового режима,

Р - постоянный коэффициент, определяемый при калибровке калориметра из условия минимизации случайной погрешности теплового эквивалента W₁ при Δτ=const.

Обычно 0,5<Р≤1.0. Как видно из формулы для Q₁, данные об изменении температуры сосуда в главном периоде опыта для расчета не используются, что предложено впервые.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым бомбовым калориметром для определения теплоты сгорания топлива, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с мешалкой, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, датчик температуры калориметрической оболочки, калориметрическую бомбу и вычислительный блок для определения теплоты сгорания топлива в функции от температурных и временных характеристик калориметрического процесса по методу теплового эквивалента, в котором, согласно второму варианту изобретения, калориметрическая оболочка выполнена в виде пространственно замкнутого кожуха с высокой теплопроводностью, установленного с зазором вокруг калориметрического сосуда, а вычислительный блок выполнен с реализацией указанной функции по данным о температуре калориметрического сосуда и температуре калориметрической оболочки по формуле:

где Q₂ - измеряемая теплота сгорания по данным о температурах калориметрического сосуда и калориметрической оболочки,

W₂ - тепловой эквивалент калориметра для вычисления теплоты сгорания по данным о температурах калориметрического сосуда и калориметрической оболочки,

ΔТ₂ - исправленный подъем температуры, вычисленный по данным о температурах калориметрического сосуда и калориметрической оболочки,

T_cf - температура калориметрического сосуда после поджигания образца топлива при наступлении регулярного теплового режима,

T_ci - температура калориметрического сосуда в момент поджигания образца,

N=Δτ/Δt - число измерений, Δτ - интервал времени изменения температуры калориметрического сосуда от T_ci до T_cf, Δt - длительность интервала измерения температур,

В_n=(Т_c-T_a)_n - разность температур калориметрического сосуда (Т_c) и калориметрической оболочки (Т_а) после поджигания образца при каждом измерении n,

k=(g_i-g_f)/(B_f-B_i) - константа охлаждения калориметрического сосуда, В_i, B_f - разность температур калориметрического сосуда и калориметрической оболочки в момент поджигания образца и после его поджигания при наступлении регулярного теплового режима.

Как видно из формулы для Q₂, данные о температуре калориметрического сосуда Т_c используются для расчета подъема температуры и скорости изменения температуры сосуда в начальном и конечном периодах опыта. Данные о разности температур сосуда и оболочки В=Т_c-Т_а в начальном и конечном периодах опыта используются для расчета константы охлаждения, а в главном периоде опыта эти данные используются для расчета поправки на теплообмен.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым бомбовым калориметром для определения теплоты сгорания топлива, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с мешалкой, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, датчик температуры калориметрической оболочки, калориметрическую бомбу и вычислительный блок для определения теплоты сгорания топлива в функции от температурных и временных характеристик калориметрического процесса по методу теплового эквивалента, в котором, согласно третьему варианту изобретения, калориметрическая оболочка выполнена в виде пространственно замкнутого кожуха с высокой теплопроводностью, установленного с зазором вокруг калориметрического сосуда, а микропроцессорный вычислительный блок выполнен с реализацией указанной функции по данным о температуре калориметрического сосуда и температуре калориметрической оболочки по формуле:

Q₃=(W₁ΔТ₁+W₂ΔТ₂)/2,

где Q₃ - измеряемая теплота сгорания,

W₁ΔT₁=W₁[T_cf-T_ci-g_i·Δτ+(g_i-g_f)·Δτ·P] (значения аргументов функции приведены выше в формуле для Q₁),

(значения аргументов функции приведены выше в формуле для Q₂).

Расчет теплоты сгорания как средней величины двух теплот сгорания, вычисленных по разным формулам с использованием как одинаковых, так и различных температурных и временных данных дополнительно повышает точность измерения, так как уменьшает методическую и случайную погрешности измерения.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым бомбовым калориметром для определения теплоты сгорания топлива, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с мешалкой, окруженный изотермической калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, калориметрическую бомбу и вычислительный блок для определения теплоты сгорания топлива в функции от температурных и временных характеристик калориметрического процесса по методу теплового эквивалента, в котором, согласно четвертому варианту изобретения, вычислительный блок выполнен с реализацией указанной функции по формуле:

Q₄=(W₁ΔT₁+W₄ΔT₄)/2,

где Q₄ - измеряемая теплота сгорания по данным о температуре калориметрического сосуда,

W₁ΔТ₁=W₁[T_cf-T_ci-g_i·Δτ+(g_i-g_f)·Δτ·P] (значения аргументов функции приведены выше в формуле для Q₁),

W₄ΔТ₄=W₄·(T_cf-T_ci+ΔТ*), где ΔТ* - поправка на теплообмен, вычисленная по данным о температуре калориметрического сосуда по формуле Реньо-Пфаундлера (Олейник Б.Н. Точная калориметрия. М., 1973, 2-е изд., формула (V.12) на стр.67) в виде:

(значения аргументов функции приведены выше в формуле для Q₂).

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым бомбовым калориметром для определения теплоты сгорания топлива, содержащим заполненный жидкостью калориметрический сосуд с мешалкой, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, датчик температуры калориметрической оболочки, калориметрическую бомбу и вычислительный блок для определения теплоты сгорания топлива в функции от температурных и временных характеристик калориметрического процесса по методу теплового эквивалента, в котором, согласно пятому варианту изобретения, калориметрическая оболочка выполнена адиабатической, а вычислительный блок выполнен с реализацией указанной функции по данным о температуре калориметрического сосуда и температуре калориметрической оболочки по формуле:

Q₅=(W₁ΔT₁+W₂ΔT₂)/2,

где Q₅ - измеряемая теплота сгорания по данным о температурах калориметрического сосуда и калориметрической оболочки,

(значения аргументов функции приведены выше в формуле для Q₁),

(значения аргументов функции приведены выше в формуле для Q₂).

Все предложенные варианты изобретения обеспечивают повышение точности измерений. Первые три варианта дополнительно обеспечивают существенное упрощение конструкции калориметра.

На фиг.1 схематически изображен бомбовый калориметр для любого варианта изобретения (с двумя датчиками температуры - на калориметрическом сосуде и на калориметрической оболочке); на фиг.2 - типичный график изменения температуры калориметрического сосуда (Т_c) и калориметрической оболочки (Т_а) в процессе определения теплоты сгорания образца топлива; на фиг.3 - упрощенная схема взаимодействия калориметра и вычислительного блока (ВБ) применительно к первому варианту изобретения - с использованием для расчета теплоты сгорания топлива только одного датчика температуры (на калориметрическом сосуде); на фиг.4 - схема взаимодействия калориметр - ВБ применительно ко второму варианту с использованием для расчета теплоты сгорания топлива двух датчиков температуры (на калориметрическом сосуде и калориметрической оболочке); на фиг.5 - то же для случая, когда ВБ выполнен с реализацией определения теплоты сгорания топлива как средней величины от двух вычислений с использованием, соответственно, одного и двух датчиков температуры (третий вариант изобретения); на фиг.6 - схема взаимодействия калориметр - ВБ применительно к четвертому варианту изобретения с изотермической калориметрической оболочкой; на фиг.7 - схема взаимодействия калориметр - ВБ применительно к пятому варианту с адиабатической калориметрической оболочкой.

Бомбовый калориметр для определения теплоты сгорания топлива согласно изобретению содержит (фиг.1, 3-7): заполненный жидкостью 1 (водой) калориметрический сосуд 2 с мешалкой 3, имеющей магнитный привод 4. Калориметрический сосуд 2 окружен калориметрической оболочкой 5. Калориметрическая оболочка 5 может быть выполнена в виде пространственно замкнутого кожуха с высокой теплопроводностью, установленного с зазором вокруг калориметрического сосуда 2 (фиг.3-5), или изотермической (фиг.6) или адиабатической (фиг.7). Внутри калориметрического сосуда 2 устанавливается калориметрическая бомба 6 с образцом топлива, теплоту сгорания которого требуется определить. В верхней части калориметрического сосуда 2 и калориметрической оболочки 5 выполнены снабженные крышками 7 проемы для пропуска калориметрической бомбы 6 (см. фиг.1). На стенках калориметрического сосуда 2 и калориметрической оболочки 5 установлены датчики температуры 8 и 9 соответственно. Калориметр согласно изобретению содержит также вычислительный блок (ВБ) 10 (фиг.3-7) для вычисления теплоты сгорания топлива в функции от температурных и временных характеристик калориметрического процесса.

Бомбовый калориметр согласно изобретению работает следующим образом. Перед началом опыта, например, после предыдущего измерения, калориметрический сосуд 2 охлаждают с помощью холодной болванки (на чертеже не показана), устанавливаемой вместо калориметрической бомбы 6, приблизительно на столько градусов, на сколько градусов повышается его температура в опыте. Далее в калориметрический сосуд 2 устанавливают снаряженную образцом исследуемого топлива калориметрическую бомбу 6, закрывают крышки 7 и через промежуток времени, не меньший длительности главного периода опыта, проводят калориметрический опыт так, как это принято для калориметров с изотермической оболочкой.

Во время опыта, согласно варианту 1, вычислительный блок 10 осуществляет регистрацию температуры только по показанию датчика 8 калориметрического сосуда 2 и только в начальном (от τ₁ до τ₂) и конечном (от τ₃ до τ₄) периодах опыта. На основании полученных данных ВБ 10 (фиг.3) рассчитывает значение Q₁ по соответствующей указанной выше формуле. Таким образом, калориметр позволяет определять теплоту сгорания образца топлива без стабилизации температуры калориметрической оболочки и использовать только один высокочувствительный датчик температуры 8, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию калориметра с одновременным повышением точности измерения.

Работа калориметра, выполненного по второму варианту изобретения, происходит аналогичным образом за исключением схемы измерений и функционирования ВБ (фиг.4). Второй вариант обеспечивает возможность проводить еще более точные калориметрические измерения также без необходимости стабилизации температуры калориметрической оболочки, но температура калориметрической оболочки измеряется. Для реализации измерений по этому варианту необходимо, чтобы датчик температуры 9 на калориметрической оболочке 5 был таким же высокочувствительным, как датчик температуры 8 калориметрического сосуда 2. В течение всего времени калориметрического опыта ВБ 10 регистрирует температуры Т_c калориметрического сосуда и Т_a калориметрической оболочки. На основании полученных данных вычислительный блок 10 рассчитывает значение Q₂ по соответствующей вышеуказанной формуле. Дополнительное повышение точности обусловлено более строгим учетом теплообмена при вычислении исправленного подъема температуры.

Работа калориметра, выполненного по третьему варианту изобретения, происходит аналогичным образом за исключением схемы измерений и функционирования ВБ (фиг.5). Третий вариант обеспечивает возможность проводить еще более точные калориметрические измерения также без необходимости стабилизации температуры калориметрической оболочки. В течение всего времени калориметрического опыта ВБ 10 регистрирует температуры Т_c калориметрического сосуда и Т_а калориметрической оболочки. На основании полученных данных вычислительный блок 10 рассчитывает значение Q₂ по соответствующей вышеуказанной формуле. Кроме того, значения температуры Т_с калориметрического сосуда в начальном (от τ₁ до τ₂) и конечном (от τ₃ до τ₄) периодах опыта ВБ 10 использует для расчета Q₁ по соответствующей указанной выше формуле, а измеряемая теплота сгорания Q₃ вычисляется как средняя из двух теплот сгорания, рассчитанных разными способами на основании единственного измерения, что существенно повышает точность измерения за счет статистического уменьшения погрешностей измерения. Кроме того, как и в первых двух вариантах изобретения, упрощается конструкция прибора.

Работа калориметра, выполненного по четвертому и пятому вариантам изобретения - с изотермической или адиабатической калориметрической оболочкой соответственно, происходит по алгоритмам, присущим калориметрам с изотермической или адиабатической калориметрической оболочкой, за исключением схемы измерений и функционирования ВБ 10 (фиг.6 и 7). ВБ производит расчет измеряемой теплоты сгорания - Q₄ или Q₅ - как средней из двух теплот сгорания, рассчитанных разными способами на основании единственного измерения. Величина постоянного коэффициента Р может быть выбрана равным единице. Использование двух способов расчета в четвертом и пятом вариантах изобретения позволяет повысить точность измерения за счет статистического уменьшения погрешностей измерения.

Таким образом, предлагаемый калориметр обеспечивает повышение точности калориметрических измерений, а в первых трех вариантах изобретения дополнительно обеспечивает упрощение конструкции калориметра.

Изобретение относится к области исследования свойств материалов с помощью калориметрических измерений и может быть использовано в бомбовых калориметрах переменной температуры для определения теплоты сгорания топлива. Предложен бомбовый калориметр (варианты) для определения теплоты сгорания топлива, содержащий заполненный жидкостью калориметрический сосуд с мешалкой, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, калориметрическую бомбу и вычислительный блок для определения теплоты сгорания топлива в функции от температурных и временных характеристик калориметрического процесса по методу теплового эквивалента, в котором калориметрическая оболочка выполнена в виде пространственно замкнутого кожуха с высокой теплопроводностью, установленного с зазором вокруг калориметрического сосуда, а вычислительный блок выполнен расчетным путем с реализацией указанной функции по данным о температуре калориметрического сосуда по определенным формулам. Технический результат - повышение точности калориметрических измерений, и в первых трех вариантах изобретения дополнительно обеспечивается упрощение конструкции калориметра. 5 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Бомбовый калориметр для определения теплоты сгорания топлива, содержащий заполненный жидкостью калориметрический сосуд с мешалкой, окруженный калориметрической оболочкой, датчик температуры калориметрического сосуда, калориметрическую бомбу и вычислительный блок для определения теплоты сгорания топлива в функции от температурных и временных характеристик калориметрического процесса по методу теплового эквивалента, отличающийся тем, что калориметрическая оболочка выполнена в виде пространственно замкнутого кожуха с высокой теплопроводностью, установленного с зазором вокруг калориметрического сосуда, а вычислительный блок выполнен с реализацией указанной функции по данным о температуре калориметрического сосуда по формуле:

Q₁=W₁ΔT₁=W₁[T_сf-T_ci-g_i·Δτ+(g_i-g_f)·Δτ·P],

где Q₁ - измеряемая теплота сгорания по данным о температуре калориметрического сосуда;

W₁ - тепловой эквивалент калориметра для вычисления теплоты сгорания по данным о температуре калориметрического сосуда;

ΔT₁ - исправленный подъем температуры, вычисленный по данным о температуре калориметрического сосуда;

T_cf - температура калориметрического сосуда после поджигания образца топлива при наступлении регулярного теплового режима;

Т_ci - температура калориметрического сосуда в момент поджигания образца;

g_i - скорость изменения температуры калориметрического сосуда в момент поджигания образца;

Δτ - интервал времени изменения температуры калориметрического сосуда от T_ci до T_cf;

g_f - скорость изменения температуры калориметрического сосуда после поджигания образца при наступлении регулярного теплового режима;

Р - постоянный коэффициент, определяемый при калибровке калориметра из условия минимизации случайной погрешности теплового эквивалента W₁ при Δτ=const.

где Q₂ - измеряемая теплота сгорания по данным о температурах калориметрического сосуда и калориметрической оболочки;

W₂ - тепловой эквивалент калориметра для вычисления теплоты сгорания по данным о температурах калориметрического сосуда и калориметрической оболочки;

ΔТ₂ - исправленный подъем температуры, вычисленный по данным о температурах калориметрического сосуда и калориметрической оболочки;

T_cf - температура калориметрического сосуда после поджигания образца топлива при наступлении регулярного теплового режима;

Т_ci - температура калориметрического сосуда в момент поджигания образца, N=Δτ/Δt - число измерений, Δτ - интервал времени изменения температуры калориметрического сосуда от T_ci до T_cf, Δt - длительность интервала измерения температур, B_n=(T_c-T_a)_n - разность температур калориметрического сосуда (Т_c) и калориметрической оболочки (Т_а) после поджигания образца при каждом измерении n, k=(g_i-g_f)/(B_f-B_i) - константа охлаждения калориметрического сосуда, g_i - скорость изменения температуры калориметрического сосуда в момент поджигания образца, g_f - скорость изменения температуры калориметрического сосуда после поджигания образца при наступлении регулярного теплового режима, В_i, B_f - разность температур калориметрического сосуда и калориметрической оболочки в момент поджигания образца и после его поджигания при наступлении регулярного теплового режима.

Q₃=(W₁ΔT₁+W₂ΔT₂)/2,

где Q₃ - измеряемая теплота сгорания,

W₁ΔT₁=W₁[T_cf-T_ci-g_i·Δτ+(g_i-g_f)·Δτ·P] со значениями аргументов функции по п.1,

со значениями аргументов функции по п.2.

Q₄=(W₁ΔT₁+W₄ΔT₄)/2,

где Q₄ - измеряемая теплота сгорания по данным о температуре калориметрического сосуда,

W₁ΔT₁=W₁[T_cf-T_ci-g_i·Δτ+(g_i-g_f)·Δτ·P] со значениями аргументов функции по п.1,

W₄ΔT₄=W₄·(T_cf-T_ci+ΔT*), где ΔT* - поправка на теплообмен, вычисленная по данным о температуре калориметрического сосуда по формуле Реньо-Пфаундлера.

Q₅=(W₁ΔT₁+W₂ΔT₂)/2,

где Q₅ - измеряемая теплота сгорания по данным о температурах калориметрического сосуда и калориметрической оболочки,

W₁ΔT₁=W₁[T_cf-T_ci-g_i·Δτ+(g_i-g_f)·Δτ·P] со значениями аргументов функции по п.1,

со значениями аргументов функции по п.2.