Классическая калориметрическая установка с бомбой для сжигания состоит из следующих основных частей*:
*Основные части классической калориметрической установки имеются во всех калориметрах, в том числе в современных анализаторах. – бомба для сжигания в сборе; – калориметрический сосуд с крышкой; – мешалка; – термостат; – устройство для измерения температуры; – устройство для зажигания пробы.На рис. 12.1 приведена принципиальная схема калориметрической установки для определения теплоты сгорания твердых топлив.
12.3.1 Бомба калориметрическая для сжигания в сборе представляет собой цилиндрический стакан с завинчивающейся крышкой из кислотоупорной нержавеющей стали вместимостью 250–350 см3, выдерживает давление 10,8 МПа. В крышку бомбы вмонтированы клапаны для впуска и выпуска кислорода, а также электроды для подводки тока к запальной проволоке, причем один электрод является одновременно газопроводящей трубкой, а второй – держателем чашечки с навеской. Конструкция бомбы позволяет без затруднений удалять из нее жидкие и твердые продукты сгорания.
Каждая калориметрическая бомба имеет индивидуальную маркировку (код идентификации) на крышке, фиксирующем кольце и на основании корпуса бомбы.
В инструкции по эксплуатации калориметра и в паспорте калориметрической бомбы приведены рекомендации по технике безопасной работы с бомбой. Бомба должна иметь свидетельство об испытаниях при давлении 10,8 МПа. Испытания проводят не реже 1 раза в год, а также при износе и повреждении резьбы на корпусе и крышке бомбы.
12.3.2 Калориметрический сосуд изготовлен из нержавеющего материала с полированной поверхностью, может быть снабжен теплоизолирующей крышкой. В калориметрический сосуд погружают бомбу, устройство для измерения температуры и мешалку. Сосуд содержит достаточное количество воды, чтобы покрыть крышку бомбы при перемешивании воды. Сосуд изолирован от термостата теплоизолирующей подставкой.
12.3.3 Мешалка с постоянной скоростью вращения. Мешалка предназначена для перемешивания воды в калориметрическом сосуде. Скорость перемешивания должна обеспечивать выравнивание температуры в калориметрическом сосуде не более чем за 10 мин.
12.3.4 Термостат, называемый также кожух, водяная рубашка (оболочка), в классическом калориметре представляет собой массивный двустенный металлический сосуд с двойным дном и крышкой. Пространство между стенками заполняют водой. В термостат помещают калориметрический сосуд с бомбой. Воздушный зазор между калориметрическим сосудом и термостатом составляет около 10 мм. Внешнюю поверхность калориметрического сосуда и внутреннюю поверхность термостата следует держать чистой и сухой.
В зависимости от конструкции термостата (рубашки) различают калориметры изотермического и адиабатического типов.
В калориметрах изотермического типа большая масса воды в термостате и ее высокая теплоемкость обеспечивают постоянство температуры в термостате на протяжении всего испытания. В современных приборах изотермическая рубашка снабжена средством для поддержания постоянной температуры с погрешностью ±0,1 К.
В калориметрах адиабатического типа температура в термостате автоматически поддерживается такой же, как в калориметрическом сосуде. Для этого в термостат помещают электроды или погружные нагреватели и мешалки. Допускается отставание температуры воды в термостате после зажигания пробы не более чем на 0,1 К. После установления равновесия в системе, скорость изменения температуры в сосуде не должна превышать 0,001 К/мин.
12.3.5 Устройство для измерения температуры. Для измерения подъема температуры используют приборы с ценой деления 0,001 К*, позволяющие измерять интервалы температур от 1,5 К до 3 К с погрешностью не более 0,002 К.
* К – градусы абсолютной температурной шкалы (шкалы Кельвина); разница температур, равная одному градусу по шкале Кельвина, соответствует разнице температур в 1 °C. Шкала Кельвина:Абсолютную температуру воды в калориметрической системе измеряют с погрешностью не более 0,1 К.
В современных автоматических калориметрах используют электронные датчики температуры (электронные термометры), которые могут измерять температуру воды в калориметрическом сосуде 6 раз в секунду с погрешностью 0,0001 К.
В качестве альтернативы этим датчикам служат приборы, измеряющие различные физические характеристики материалов, которые зависят от температуры. Эти средства измерений должны иметь линейную зависимость измеряемого параметра от температуры в требуемом интервале. Единицы, в которых выражена температура, измеренная с помощью таких приборов, называют условными единицами.
12.3.6 Цепь зажигания. Зажигание пробы происходит от горящего запала (х/б нить) или от запальной проволоки, натянутой между электродами цепи зажигания, вмонтированными в крышку калориметрической бомбы. Клеммы для присоединения проводов и подачи напряжения на электроды находятся на верхней поверхности крышки бомбы.
Питание цепи зажигания осуществляют от сети переменного тока через понижающий трансформатор с выходным напряжением от 6 до 25 В.
12.3.7 При определении теплоты сгорания используют также сопутствующее оборудование, которое поставляют вместе с калориметрической установкой или приобретают отдельно:
– система подачи и наполнения бомбы кислородом до давления 3 МПа, состоящая из регулятора давления для контроля за наполнением бомбы кислородом, манометра (диапазон измерений 0–5 МПа) для измерения давления в бомбе и предохранительного клапана для предотвращения переполнения бомбы;
– тигли из кварцевого стекла, хромоникелевого сплава, платины или жаропрочной нержавеющей стали. Форма и размеры тигля влияют на полноту сгорания навески топлива. Тигли должны быть плоскодонными с плавным, закругленным переходом от дна к стенкам, диаметром 25 мм и высотой не более 20 мм;
– стандартное лабораторное оборудование: весы аналитические, пресс ручной, сита лабораторные и др.
