УДК 536. 626
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ДИАТЕРМИЧЕСКИЙ БОМБОВЫЙ КАЛОРИМЕТР
СЖИГАНИЯ БКС-2Х
© Л. Б. Машкинов, П. К. Васильев, В. В. Батылин1
Описываются разработанные в ИСМАН конструкция и методика измерения диатермического
бомбового калориметра сжигания. Приводятся основные технические характеристики калори-
метра и данные о сертификации прибора.
До настоящего времени в практике измерения тепло-
творной способности различных видов энергетиче-
ского топлива (твердого, жидкого, газообразного) в
России в основном используется разработанный еще в
СССР бомбовый адиабатический калориметр сжига-
ния В2-08 (ГОСТ 18587-73). Выпускается также кало-
риметр АБК-1 (ГОСТ 12997-84), являющийся практи-
чески аналогом В2-08. Эти калориметры основаны на
измерении приращения температуры калориметриче-
ской жидкости при сжигании вещества в сосуде (бом-
бе), помещенном в эту жидкость. Они имеют длитель-
ный процесс измерения (30 - 40 мин) и основанный
на эмпирических формулах алгоритм преобразования
приращений температуры в количество теплоты. Про-
цесс измерения на них не полностью автоматизиро-
ван, из-за чего для работы требуется квалифицирован-
ный оператор.
Используемые для тех же целей зарубежные кало-
риметры Leco AC 500, С-2000 (Германия) имеют ана-
логичный отечественным калориметрам метод изме-
рения, но выигрывают по быстродействию и степени
автоматизации, однако они существенно дороже.
Точность измерений как отечественных, так и за-
рубежных адиабатических калориметров зависит от
скорости изменения температуры окружающей среды.
Поэтому зачастую на них работают в специальных
"калориметрических" помещениях со стабильной
температурой и влажностью воздуха.
Диатермические калориметры (типа Кальве) изме-
ряют тепловой поток, идущий от бомбы со сжигае-
мым веществом через чувствительный элемент к мас-
сивному блоку [1÷7]. При интегрировании сигнала,
пропорционального тепловому потоку и имеющего
при сжигании импульсный характер, непосредственно
измеряется количество выделившейся теплоты.
Диатермические калориметры - "сухие" (не ис-
пользуют калориметрическую жидкость), менее чув-
ствительны к колебаниям температуры окружающей
среды, легче поддаются автоматизации.
1 Институт структурной макрокинетики и проблем материало-
ведения РАН, г. Черноголовка, Московская обл., Россия.
Известны разработки диатермических калоримет-
ров сжигания [2 ÷ 7], в которых были применены ори-
гинальные методы сокращения времени измерения.
Калориметры [2,3] имели ряд недостатков. Калори-
метр типа АКС [2] конструктивно был аналогом кало-
риметра ДАК-1-1, выпускавшимся ЭЗНП АН СССР,
имел рабочую и опорную калориметрические ячейки,
в которых размещались измерительная бомба и бомба
сравнения, а в качестве чувствительного элемента ис-
пользовалась дифференциальная термобатарея. Из-за
сравнительно высокого теплового сопротивления тер-
мобатареи при работе на максимальных шкалах
5 • (103 - 104 Дж) и при следующих один за другим из-
мерениях происходил перегрев измерительной ячей-
ки, что влекло за собой возрастание погрешности из-
мерения.
До настоящего времени в литературе отсутствуют
сведения о выпускаемых серийно диатермических ка-
лориметрах сжигания.
В Институте структурной макрокинетики и проб-
лем материаловедения РАН (ИСМАН) разработан
полностью автоматизированный на основе персональ-
ного компьютера быстродействующий диатерми-
ческий бомбовый калориметр сжигания БКС-2Х. Кон-
струкция калориметра защищена патентом РФ [6], она
значительно упростила его сборку, обслуживание и
обеспечила при использовании метода измерения [7]
более высокое быстродействие, чем [2, 3].
Калориметр БКС-2Х [6] — одноячеечный с воз-
душным термостатированием. На рис. 1 приведена
схема калориметрического блока. Измерительная ка-
лориметрическая ячейка 1 представляет собой выпол-
ненный из алюминиевого сплава полый цилиндри-
ческий восьмигранник с нарезанной по его длине спи-
ральной канавкой, в которой размещен датчик теп-
лового потока — измерительный проволочный термо-
метр сопротивления. Калориметрическая бомба 3
вводится в ячейку со скользящей посадкой, без ка-
кой-либо смазки. Массивный блок 4 — разрезной, со-
стоящий из восьми отдельных сегментов 70, выпол-
ненных также из алюминиевого сплава. Сегменты
посредством колец 11 с болтами 12 (показано одно из
колец, находящееся под верхней крышкой калоримет-
рического блока) плотно прижимаются к граням изме-
рительной ячейки 1 через прокладки 2, выполненные
из никелевого сплава с высоким тепловым сопротив-
лением, для того чтобы создать необходимый гради-
ент температуры между измерительным и опорным
термометрами сопротивления. Последний расположен
в канавке, нарезанной на наружном диаметре алюми-
ниевого кольца 5, прижатого к верхним торцам сег-
ментов массивного блока. Наружные более широкие
плоские поверхности сегментов массивного блока 4
заканчиваются игольчатыми теплоотводами 13, сквозь
которые протекает нагретый термостатом воздух. Вен-
тилятор и нагреватель 6 воздушного термостата нахо-
дятся в нижней части калориметрического блока, а
проволочный термометр сопротивления 7 — в верх-
ней части на выходе 9 воздуха, омывающего игольча-
тую поверхность массивного блока. Воздух выбрасы-
вается в окружающую среду через отверстия в крыш-
ке калориметра. Благодаря увеличенной за счет иголь-
чатых теплоотводов наружной поверхности массивно-
го блока 4 время вывода калориметра на рабочую
температуру (31 °С) не превышает 2, 5 ч. Торцы из-
мерительной ячейки / теплоизолированы пенопласто-
выми проставкой и пробкой 8. Последняя закрывает
канал ввода калориметрической бомбы 3 в измери-
тельную ячейку 1. Электронная схема воздушного
термостата (на схеме не показана) содержит на входе
мостовое устройство, в которое включен термометр
сопротивления 7, усилитель с выходным оптосими-
сторным регулятором. В цепь питания (-220 В) по-
следнего включен нагреватель 6.
Применение постоянно работающего воздушного
термостата, помимо ускорения вывода калориметра на
рабочий температурный режим, позволяет быстро от-
водить рассеивающуюся в массивном блоке теплоту
после сжигания вещества при существенно меньшей
массе блока (-20 кг) по сравнению с [3] и обеспечива-
ет готовность калориметра к следующему измерению,
не допуская его перегрева.
Подбором толщины прокладок 2 получен гра-
диент температуры -0, 5 °С между измерительным и
опорным термометрами сопротивления, который со-
ответствует амплитуде импульса сжигания на полную
шкалу калориметра (104 Дж). Такой сравнительно не-
большой градиент температуры обеспечивает линей-
ную зависимость между приращением температуры и
величиной теплового потока [1]. Прокладки 2, задаю-
щие указанный градиент температуры, представляют
собой металлические пластины, выполненные из
никелевого сплава с величиной теплопроводности,
меньшей в пять-семь раз теплопроводности алюмини-
евого сплава, из которого состоят измерительная ячей-
ка 7 и массивный блок 4. Применение прокладок 2
значительно снизило тепловое сопротивление между
измерительной ячейкой 1 и массивным блоком 4, что
привело к уменьшению постоянной времени калори-
|
Рис. 1. Схема калориметрического блока
метра до величины ~60 с. Для сравнения, у калори-
метра АКС-3 [2] она составляет -800 с.
В блоке управления калориметра находится уси-
литель преобразованной разности сопротивлений из-
мерительного и опорного датчиков в напряжение,
устройство поджига вещества в калориметрической
бомбе, печь предварительного подогрева бомбы.
Для реализации алгоритма процесса измерения
[7] разработана программа для персонального ком-
пьютера (работает в операционной системе Windows
ХР). Аналоговый сигнал, пропорциональный теплово-
му потоку, преобразуется в цифровой и вводится в
компьютер при помощи 14-разрядного АЦП, работаю-
щего с частотой 10 Гц и имеющего TTL-выход, кото-
рый управляет работой устройства поджига вещества.
На рис. 2 изображен ход процесса измерения интегра-
ла теплового потока на мониторе компьютера.
Заряженную веществом и кислородом бомбу
предварительно подогревают в печи (расположена в
блоке управления прибора) до температуры, на 2 -
3 °С превышающей рабочую температуру калоримет-
ра (31 °С). Затем бомбу вставляют в измерительную
ячейку калориметра, после чего начинается процесс
измерения. При этом после спада теплового потока от
нагретой в печи калориметрической бомбы до задан-
ного уровня, при котором спад принимает регулярный
характер [7], автоматически поджигается вещество
посредством подачи тока в спираль поджига, находя-
щуюся в контакте с веществом внутри бомбы. Одно-
временно начинается интегрирование сигнала, про-
порционального тепловому потоку от сгорания веще-
ства. Сигнал сначала возрастает до своей максималь-
ной величины, затем спадает до ранее упомянутого
заданного уровня. При этом интегрирование заканчи-
вается и на мониторе отображается численное значе-
ние измеренной теплоты (см. рис. 2).
Калибровочный коэффициент находят в серии из
шести измерений [8] при сжигании навесок эталонно-
го химического вещества — бензойной кислоты марки
К-3 и вводят в соответствующую строку меню про-
граммы. Для повышения точности измерений из об-
щей величины энергии сжигания автоматически вы-
читается энергия сгорания спирали поджига, величи-
Рис. 2. Пример записи процесса измерения количества теплоты
на которой заранее вносится в меню программы изме-
рения. Для различных материалов проволок, применя-
емых для поджига, в [8] приведены значения удельной
теплоты сгорания.
В конце измерения на экране дисплея компьютера
отображается не только численное значение количе-
ства теплоты (Дж), выделившееся при сжигании наве-
ски вещества, но и амплитуда импульса теплового по-
тока, которая также пропорциональна (с меньшей точ-
ностью) теплоте сгорания вещества.
Зная величину амплитуды импульса при первом
пробном сжигании, легко подобрать массу навески ис-
следуемого вещества такой, чтобы при ее сжигании не
происходило "зашкаливания" АЦП.
Основные технические характеристики БКС
Диапазон измеряемой теплоты, Дж............................. 1 - 104
Время измерения, мин.................................................... 7-12
Максимальная погрешность измерения, % ± 0, 2
Время выхода на рабочую температуру
после включения, ч………………………………2, 5
Время непрерывной работы.......................... Не ограничено
Объем калориметрической бомбы, см3............................................. 157
Максимальное внутреннее давление
в бомбе, Па...................................................... 39- 105(30атм)
Габариты калориметрического блока, мм,
Диаметр — 300, высота — 500
Габариты блока управления, мм3…………… 480x360x168
Масса калориметрического блока, кг......................................15
Масса блока управления, кг ………………………….10
8 |
Калориметр БКС более десяти лет работает в Исследовательском центре самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза (СВС) Московского
института стали и сплавов, где с его помощью прове-
ден ряд исследований (например, [9]) и лабораторных
работ по курсу "Технология СВС".
Таким образом, как и адиабатические калори-
метры, БКС-2Х может применяться для определения
теплотворной способности различного энергетиче-
ского топлива с использованием существующих
ГОСТ 147-95 (ИСО 1928-78), ГОСТ 21261-91, ГОСТ
10062-75 по методикам измерений, а также для изме-
рения теплоты растворения, полимеризации, калорий-
ности пищевых продуктов и др. Прибор сертифици-
рован: сертификат об утверждении средств измере-
ний RU. С. 32. 010. А № 000 на калориметр сжигания
БКС-2Х, зарегистрирован в Государственном реестре
средств измерений под № 000-06.
Литература
1. Микрокалориметрия., М., Изд. иностр. литерат., 1963., С. 15-28.
2. Н., Р., С,
ЖФХ., 1977, Т. 51, № 5, С. 1258 - 1260.
3. Frauenfelder R. / Rew. Sci. Instrum. 1978. V. 49.№4.
Р. 452-455.
4. Б., К., В и др. ПТЭ, 1993., №3., С. 244.
5. Б., К., В. и др. , ПТЭ, 1977., №4., С. 169.
6. Б., Калориметр Патент № 000 РФ.
Бюл. изобретений. 2006. № 32. С. 23.
7. Л. Н. Гальперин, Ю. Р. Колесов, А. С. Неганов А. с. № 000 СССР. Способ измерения импульса тепла. Бюл. изобретений. 1978. № 46. С. 19.
8. ГОСТ 8. 026-96. Государственная система обеспечения единства измерений. Калориметры сжигания с бомбой. — М.:Изд-во стандартов, 1996.
В., В., А., Г. / Изв. вузов. Цветная металлургия. 2002.
Основные порталы (построено редакторами)