КАЛОРИМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ СУХИХ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2012 года по МПК G01K17/00 

Устройство может быть использовано в теплоэнергетике, грунтоведении, строительной промышленности, сельском хозяйстве, а также в любой отрасли, где необходима информация о калориметрических характеристиках насыпного материала.

Известно устройство, применяемое для определения теплоемкости материалов с различной степенью нагрева. В основе принципа работы прибора лежит метод смешения [А.Ф.Чудновский. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962. - С.132-133]. Устройство состоит из трех элементов - исследуемого образца, теплоизоляционного калориметра и калориметрического вещества. В качестве калориметра используется сосуд Дьюара, заполненный калориметрическим веществом - ртутью, который помещается в хорошо теплоизолированный сосуд с водой. Испытуемый образец, предварительно нагретый до определенной температуры, за короткое время, в течение которого его температура не должна измениться, помещают в калориметр. Регистрация повышения температуры ртути и воды позволяет найти теплосодержание нагретого образца до смешения. Отношение разности теплосодержания, соответствующего двум границам температурного интервала к величине последнего и к массе вещества, дает теплоемкость исследуемого образца.

Недостатками данного устройства являются большие габариты и техническая сложность установки, а также оценка теплоемкости, учитывающая лишь ничтожную долю всей теплоты в уравнении теплового баланса. Свыше 95% этой теплоты передается всей калориметрической системе и не измеряется, а вычисляется с малой точностью.

Наиболее близким изобретением, которое лежит в основе заявленного устройства, является калориметр для определения удельной весовой теплоемкости почвы [А.Ф.Вадюнина, З.А.Корчагина. Методы исследования физических свойств почв и грунтов в поле и в лаборатории. - М.: Высшая школа, 1961. - С.304-305]. Калориметр состоит из латунного стакана цилиндрической формы с калориметрическим веществом, который вставляют во второй защитный стакан с воздушной прослойкой. Последний закрывают эбонитовой крышкой, в которую вмонтирован приемник для образца почвы (материал крышки приемника не указан), пропеллерная мешалка для перемешивания калориметрического вещества в первом стакане и термометр Бекмана для определения его температуры. Смонтированный калориметр помещают в большой защитный бак с теплоизоляцией из войлока, заполненный жидкостью. Перемешивают ее специальной мешалкой, а температуру контролируют обыкновенным термометром. Во время определения бюкс с нагретой до определенной температуры почвой известной массы помещают в приемник из металлической крупной сетки. Масса и теплоемкость жидкости и калориметра заранее известны. После внесения почвы в калориметр через некоторое время устанавливается равновесная температура. При этом почва теряет часть тепла, которое приобретает калориметр и калориметрическое вещество. По температуре теплового равновесия и первоначальной температуре почвы через уравнение теплового баланса рассчитывается удельная весовая теплоемкость почвы.

К основным недостаткам прототипа можно отнести сложность конструкции калориметра, который включает в себя большое число элементов. Последние вносят погрешности в измерения теплоемкости сухих сыпучих материалов, так как они влияют на составляющие теплового баланса. В расчетах удельной весовой теплоемкости почвы не учитывается остывание образца перед погружением в калориметр и измерением теплоемкости. Основная часть теплоты передается всей калориметрической установке, которая экспериментально не определяется. Кроме того, изолированность системы от окружающей среды достигается за счет увеличения габаритов устройства.

Целью изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение точности измерений объемной теплоемкости сухих сыпучих материалов.

Поставленная цель достигается применением калориметра для определения объемной теплоемкости сыпучих материалов, состоящего из трех последовательно сопряженных слоев, расположенных в объеме цилиндрического стакана: сухого сыпучего материала, приемника и калориметрического вещества. Внутренняя поверхность стакана покрыта слоем теплогидроизоляции. В качестве приемника применяется теплопроводный материал. Крышка приемника изнутри покрыта слоем теплогидроизоляции. Регистрация температурного состояния сухого сыпучего материала, приемника и калориметрического вещества с момента определения теплоемкости осуществляется системой термопреобразователей. На фиг.1 показана принципиальная схема калориметра.

На фиг.2 показан режим охлаждения сухого сыпучего материала на примере фрезерного торфа.

На фиг.3 показан режим охлаждения сухого сыпучего материала на примере фрезерного торфа (аппроксимация).

На фиг.4 показан заявленный калориметр в оригинале. Калориметр состоит из трех последовательно сопряженных слоев (фиг.1): сухого сыпучего материала 1, приемника 2 и калориметрического вещества 3, расположенного в объеме цилиндрического стакана 4. Стакан 4 покрыт изнутри слоем теплогидроизоляции 5. Сухой сыпучий материал 1 помещен в приемник 2, который закрыт сверху крышкой 6. Приемник 2 выполнен из теплопроводного материала. Крышка 6 покрыта изнутри слоем теплогидроизоляции 5. Регистрация температурного состояния сухого сыпучего материала 1, приемника 2 и калориметрического вещества 3 с момента определения теплоемкости осуществляется системой термопреобразователей 7: Т0, Т1 и Т2.

Устройство работает следующим образом.

Навеску сухого сыпучего материала 1 известного объема нагревают до определенной температуры и помещают в приемник 2 с известной теплоемкостью и объемом. Исследуемый образец 1 полностью заполняет внутренний объем приемника 2. Приемник 2 закрывают герметично крышкой 6, покрытой изнутри слоем теплогидроизоляции 5. Количество теплоты, которое отдает материал 1, идет на нагрев приемника 2 и калориметрического вещества 3. Теплоемкость и объем калориметрического вещества 3 известны. Вещество 3 полностью заполняет объем цилиндрического стакана 4, который изнутри покрыт слоем теплогидроизоляции 5. Показания термопреобразователей 7 от сыпучего материала 1, приемника 2 и калориметрического вещества 3 с момента определения теплоемкости выводятся через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и конвертер (условно не показаны) на компьютер (условно не показан). По данным изменения температур исследуемого образца 1, приемника 2 и калориметрического вещества 3 определяют значения составляющих теплового баланса. При известных геометрических показателях сопряженных элементов устройства, а также калориметрических свойствах приемника 2 и калориметрического вещества 3 рассчитывают объемную теплоемкость сухого сыпучего материала 1.

Исследуемый образец объемом υ за некоторый период охлаждения в устройстве теряет часть теплоты, а приемник 2 теплоемкостью С и объемом V и калориметрическое вещество 3 соответственно - с и w приобретают соответствующее количество теплоты в закрытых от окружающей среды условиях. Тогда расчетная формула для определения объемной теплоемкости сухого сыпучего материала с_V выглядит следующим образом:

где t, ϑ и θ - соответственно температуры сухого сыпучего материала 1, приемника 2 и калориметрического вещества 3.

Достоинством предложенного устройства является применение теплогидроизоляторов, упрощающих конструкцию калориметра и снижающих до минимума потери теплоты в окружающую среду. В тепловом балансе участвуют три элемента - исследуемый сыпучий материал, приемник и калориметрическое вещество. Система термопреобразователей занимает минимальный объем в рабочем пространстве устройства и поэтому практически не оказывает влияние на тепловой баланс закрытой калориметрической системы. Использование термопреобразователей в качестве измерителей температуры позволяет вести учет теплового состояния элементов устройства с момента определения теплоемкости.

Рассмотрим применение заявленного калориметра на примере определения объемной теплоемкости скелета фрезерного торфа c_V, кал/(см³·°С). После предварительного нагрева сухой массы торфа в сушильном шкафу его помещают в медный приемник, который граничит с калориметрическим веществом - этиловым спиртом. Геометрические характеристики прибора, согласно приведенным обозначениям в формуле (1), представлены в таблице. Показания хромель-алюмелевых термопар Т0, Т1 и Т2 калориметра по данным калибровки представлены на фиг.2.

Линии аппроксимации экспериментальных данных изображены на фиг.3. Согласно фиг.3 и принятым обозначениям в уравнении (1) аналитическое описание термических процессов, протекающих в калориметре, можно представить в виде следующей системы линейный уравнений, °С:

Т1 (приемник):ϑ=0,0124τ+26,741, R²=0,6194,

Т2 (калориметрическое вещество):θ=0,0124τ+23,663, R²=0,6259.

Уравнения, описывающие ход изменения объемной теплоемкости рассматриваемых элементов калориметра, согласно принятым обозначениям в выражении (1), выглядят следующим образом, кал/(см³·°С):

Таблица Геометрические показатели устройства № п/п Наименование элемента Значение объема, см³ 1 Фрезерный торф, υ 6,434 2 Приемник (медная полая трубка), V 7,814 3 Калориметрическое вещество (этиловый спирт), w 103,673

В итоге для периода времени τ∈[0,60]с, дискретности измерений χ=5 с, интервала температур ϑ∈[26,3; 27,5]°С и θ∈[23,3; 24,4]°С в соответствии с формулой (1) имеем следующее среднее значение объемной теплоемкости сухой массы фрезерного торфа:

Изобретение является универсальным устройством для определения объемной теплоемкости сухой массы сыпучего материала. Калориметр состоит из трех последовательно сопряженных слоев: сухого сыпучего материала, приемника и калориметрического вещества, расположенного в объеме цилиндрического стакана, который покрыт изнутри слоем теплогидроизоляции. Сухой сыпучий материал помещен в приемник из теплопроводного материала, который закрыт сверху крышкой, покрытой изнутри слоем теплогидроизоляции. Регистрация температурного состояния сухого сыпучего материала, приемника и калориметрического вещества с момента определения теплоемкости осуществляется системой термопреобразователей. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение точности измерений объемной теплоемкости сухих сыпучих материалов. 1 табл., 4 ил.

Калориметр для определения объемной теплоемкости сухих сыпучих материалов, состоящий из трех последовательно сопряженных слоев, расположенных в объеме цилиндрического стакана: сухого сыпучего материала, приемника и калориметрического вещества, отличающийся тем, что цилиндрический стакан и крышка приемника покрыты изнутри слоем теплогидроизоляции, приемник выполнен из теплопроводного материала, регистрация температурного состояния сухого сыпучего материала, приемника и калориметрического вещества с момента определения теплоемкости осуществляется системой термопреобразователей.