книги из ГПНТБ / Иванов, Н. С. Теплофизические свойства насыпных грузов

Зависимость объемной эффективной теплоемкости от тем­ пературы в интервале Г=0-=-----0,2° описывается формулой

С у * (Т) = [(Сск + 0,5W,) + (0,5 + aLJ ■1Г0е~“ Гн.з-т)] 7ск. ,(79)

На номограммах (см. рис. 10) отражена зависимость объ­ емной эффективной теплоемкости от влажности при темпера­ турах Т = 0° и —0,1°, при Гн.з=0° для всего естественного диапазона значений объемной плотности для песка, супеси, суглинка и глины.

ЖЕЛЕЗНЫЕ РУДЫ

Объемная теплоемкость исследованных нами железных руд определялась расчетным путем, так же как и у строитель­ ных материалов, по формулам (19), (20) и (24), (25) для та­ лого, промерзшего состояний и в области фазовых переходов поровой влаги. Для расчета объемной теплоемкости рудных материалов необходимо знать зависимость количества неза­ мерзшей воды от температуры и удельной теплоемкости их минерального скелета. На рис. 11, 12 приведены кривые, ха­ рактеризующие эти зависимости, построенные по данным табл. 3.

На рис. 13 приведены номограммы для определения объ­ емной теплоемкости талых и промерзших рудных материалов. Метод определения объемной теплоемкости при помощи пред­ ложенных номограмм такой же, как и в предыдущих случаях

(см. рис. 7).

Зависимость изменения объемной теплоемкости рудных материалов от температуры, влажности и объемного веса ске­ лета отражена в номограммах (рис. 14).

УГЛИ

На рис. 15, 16 приведены кривые, отражающие зависи­ мость изменения количества незамерзшей воды от температу­ ры и объемной теплоемкости минерального скелета каменного и бурого углей от их объемного веса. Объемная теплоемкость каменного и бурого углей в мерзлом и талом состояниях оп­ ределяется по номограммам (рис. 17). На рис. 18 отражена зависимость объемной теплоемкости каменного и бурого углей от температуры, влажности и плотности их скелета.

30

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Коэффициент теплопроводности насыпных материалов, пе­ ревозимых железнодорожным транспортом, как и у всех дис­ персных тел, зависит в основном от влажности, плотности, дисперсности материалов и от их температуры. У тонкодис­ персных материалов (глина, доломитовая мука, огарки и др.) за счет увеличения суммарной поверхности частиц возрастает их общее термическое сопротивление, что вызывает уменьше­ ние коэффициента теплопроводности. При увеличении их плот­ ности за счет улучшения контакта между минеральными ча­ стицами величина коэффициента теплопроводности увеличи­ вается.

На величину коэффициента теплопроводности насыпных материалов существенное влияние оказывает межпоровый за­ полнитель (воздух, вода и лед). Этим объясняется то, что су­ хие материалы имеют более низкие значения коэффициента теплопроводности, чем эти же материалы в увлажненном состоянии. Притом по мере повышения влажности теплопро­ водность материалов увеличивается по определенной законо­ мерности (линейно-экспоненциально и т. д.) до их полного влагонасыщения. Этим же объясняются разные значения ко­ эффициента теплопроводности одного и того же материала в талом и промерзшем состоянии. Коэффициент теплопровод­ ности влажных промерзших материалов обычно в 1,2— 1,7 ра­ за выше теплопроводности их в талом состоянии. Все экспе­ риментально найденные теплофизические характеристики сведены в табл. 1.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

По структуре эти материалы подразделяются на крупно­ зернистые (измельченный известняк и доломит) и порошко­ образные (доломитовая мука и огарки). Измерения коэффи­ циента теплопроводности в сухом состоянии показали, что эта величина у материалов с более крупными зернами больше, чем у порошкообразных материалов. Объясняется это изме­ нением контактного термического сопротивления между зер­ нами в зависимости от дисперсности (рис. 19). Исследования Кришера (Krischer, 1934), Б. Н. Кауфмана (1955) показали такую же зависимость. На рис. 20 приведены зависимости изменения коэффициента теплопроводности сухих порошко­ образных материалов, найденные И. Каммерером (Kammerer, 1936) и нами. Расположение экспериментальных точек для доломитовой муки и огарки по сравнению с данными И. Каммеррера дает хорошую сходимость и может характеризовать­ ся общей кривой.

31

3 Заказ № 132

I

На рис. 21 приведены графики изменения коэффициента теплопроводности рассмотренных материалов в мерзлом и та­ лом состоянии в зависимости от 70 и влажности. При этом изменение коэффициента теплопроводности в зависимости от влажности экспериментально определялось лишь для одной какой-либо заданной объемной плотности скелета исследуемо­ го материала с нахождением эмпирической формулы. Для других возможных значений объемного веса зависимости коэффициента теплопроводности исследованных нами мате­ риалов находились расчетным путем на основе экстраполяций закономерности, найденной для реперных значений парамет­ ров. Для построения таких зависимостей использовались зна­ чения коэффициента теплопроводности в двух точках: при влажности, равной нулю, и влажности насыщения.

Поясним применение этого принципа на примере. Ниже приведены результаты экспериментального определения коэф­ фициента теплопроводности лебядинского железорудного кон­ центрата в зависимости от влажности при 7= 2110 кг/м3 в та­ лом состоянии.

Эмпирическая зависимость коэффициента теплопроводности от влажности для заданного значения объемной плотности характеризуется формулой

найденной на основе метода наименьших квадратов. Опреде­ лим теперь расчетную зависимость X от влажности для других значений объемной плотности скелета. Если рассматривать дисперсный материал в состоянии полного влагонасыщения как двухкомпонентную систему (скелет материала+вода), то приближенную оценку коэффициента теплопроводности тако­ го материала можно сделать по формуле (Иванов, 1962):

циента теплопроводности железной -руды А,=2,61 Вт/м*°С и

36

Определим теперь расчетное значение коэффициента теп­ лопроводности при объемном весе скелета 'уСк=2000 кг/м2 и влажности насыщения Ц7Н= 23,9%:

Я„ = 4 , 2 2 ^ + 0 ,5 8 ^ ^ -° = 2,51 Вт/м-°С.

Используя полученное значение коэффициента теплопро­ водности для состояний полного увлажнения (IF=23,9%) и нулевой влажности из формулы XH— XceBW, находим значение параметра £ = 0,11. Коэффициент теплопроводности сухого ма­ териала Хс в этой формуле определяется из рис. 23. Получен­ ная формула позволяет получить приближенные значения коэффициента теплопроводности железной руды в пределах всего интервала значений влажности при объемном весе руды, равном 2000 кг/м3. Для других значений объемных плотностей коэффициент находится аналогичным путем. Сводка всех эмпирических формул дается в табл. 2.

Процесс увлажнения любой дисперсной среды распадается на четыре стадии. В первой стадии на поверхности частиц формируются пленки связанной воды. Происходит замещение воздушных сечений водными пленками и повышение эффек­ тивного коэффициента теплопроводности. Между влажностью материала и коэффициентом теплопроводности наблюдается квазилинейная зависимость. На второй стадии увлажнения на контактах между частицами образуются скопления капил­ лярной влаги, создающие тепловые мостики. Так как общее термическое сопротивление дисперсной среды преимущест­ венно определяется термическим сопротивлением в контакт­ ных зонах, то на этой стадии наблюдается нелинейная зави­ симость между коэффициентом теплопроводности и влагосодержанием. На третьей стадии увлажнения рост влагосодержания продолжается до полного заполнения пор. После того, как большая часть водяных мостиков между частицами сформировалась, дальнейшее повышение влагосодержания не приводит к существенному снижению термического сопротив­ ления всей системы. Зависимость между коэффициентом теп­ лопроводности и влагосодержанием на этой стадии насыща­ ется, и коэффициент теплопроводности достигает максималь­ ного значения.

При дальнейшем росте влагосодержания вода замещает частицы, имеющие более высокую теплопроводность. На за­ вершающей четвертой стадии эффективный коэффициент теп­ лопроводности системы уменьшается, стремясь в пределе к коэффициенту теплопроводности воды (с учетом явлений конвекции).

Рассмотрение этих стадий увлажнения позволяет объяс­ нить различие закономерностей изменения коэффициента теп­ лопроводности тонкодисперсных и крупнодисперсных сред с

37

%