Файл: Иванов, Н. С. Теплофизические свойства насыпных грузов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.10.2024
Просмотров: 57
Скачиваний: 0
а к а д е м и я Н А У К С С С Р
С И Б И Р С К О Е О Т Д Е Л Е Н И Е ЯКУТСКИЙ ФИЛИАЛ
ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ СЕВЕРА
Н. С. Иванов, А. В. Степанов, П. И. Филиппов
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
НАСЫПНЫХ
ГРУЗОВ
Ответственный редактор д-р техн. наук проф. Н. С. Иванов
N*4
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н А У К А » СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Новосибирск, 1974
Г ос. и б л и ч у °ъ
&И,$ЛМО *;*Ш |
JP |
К' |
экзе.зг.пяр |
|
|
|
f |
|
ЧИТАЛЬНОГО Зч |Тл |
"Ц1tyflffib / у-Г
УДК 622.013 ; 624.2
В монографии изложена методика опре деления теплофизических характеристик про мерзших, протаивающих и талых насыпных дисперсных материалов, перевозимых желез нодорожным транспортом. Приведены графи ки, номограммы для определения теплоемко сти, коэффициентов тепло- и температуро проводности насыпных строительных мате риалов, железных руд и углей.
Книга предназначена для работников, за нимающихся изучением физических свойств дисперсных сред.
И ЗОЮ?—782 377—74 |
• Г ■' |
©Издательство «Наука», 1974. |
|
055(02) — 74 |
|
ВВЕДЕНИЕ
При перевозке насыпных грузов различными видами транспорта, и в первую очередь железнодорожным транспор том, в холодный период года возникает весьма актуальная научно-техническая проблема смерзаемости этих грузов. Ре шение этой проблемы связано с разработкой принципов, ме тодов и технических средств предотвращения смерзаемости насыпных грузов и восстановления сыпучести смерзшихся
грузов.
Для создания научных основ решения этой проблемы важ нейшее значение имеет теория процессов переноса тепла и ве щества в дисперсных материалах при их промерзании и по следующем разогреве в гаражах размораживания. Экспери ментальное изучение процессов тепло- и массообмена в на сыпных грузах при замерзании и оттаивании, прогнозирова ние, а также разработка методов целенаправленного воздей ствия на эти процессы возможны лишь при наличии система тизированных данных о теплофизических свойствах и массо обменных характеристиках насыпных грузов в диапазоне естественного изменения их физико-технических и физико химических параметров, а также температуры. До настояще го времени такие систематизированные данные отсутствуют.
Лабораторией теплофизики Института физико-технических проблем Севера Якутского филиала СО АН СССР в течение ряда лет проводились методические и экспериментальные ис следования по изучению теплофизических свойств насыпных грузов как при положительных, так и при отрицательных температурах. На первом этапе были получены и системати зированы опытные данные, дополненные расчетными значе ниями теплофизических характеристик насыпных грузов, ко торые могут в известной степени восполнить пробел по рас сматриваемому направлению. Результаты этих исследований положены в основу данной работы.
Использование трех теплофизических характеристик (теп лоемкости, коэффициентов тепло- и температуропроводности) позволяет количественно оценивать процессы кондуктивного распространения тепла в насыпных грузах.
3
Рассмотренные выше особенности теплофизических свойств насыпных грузов определили построение книги. В первом раз деле даны общие сведения о теплофизических свойствах и массообменных характеристиках насыпных грузов. Методы определения теплофизических характеристик насыпных гру зов описаны во втором разделе. Зависимости эффективной теплоемкости, коэффициентов тепло- и температуропровод ности от температуры, влажности и объемного веса насыпных грузов (строительных, железорудных материалов и каменных углей) освещены в третьем, четвертом и пятом разделах.
Дальнейшее изучение теплофизических свойств дисперс ных материалов, относящихся к категории насыпных грузов, связано как с'более обстоятельным исследованием зависимо стей теплофизических характеристик, физико-механических й физико-химических параметров, так и с расширением диа пазона материалов (руды, цветных металлов, химического сырья и др.). Не исследованными все еще остаются массооб менные характеристики насыпных грузов.
В экспериментальных исследованиях теплофизических свойств насыпных грузов и обработке материалов исследова ний принимали активное участие сотрудники лаборатории теплофизики Института физико-технических проблем Севера А. Н. Дмитриева, А. В. Андреев, В. А. Иванов, Д. М. Кирил лин, А. М. Тимофеев и студенты Якутского государственного университета. Авторы считают приятным долгом выразить им свою благодарность.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СРЕД
ИПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА
ИВЕЩЕСТВА В НИХ
Дисперсные среды широко распространены в природе, технике и используются во многих технологических процес сах. Частным видом этих сред являются насыпные грузы — руды черных и цветных металлов, строительные материалы, химические удобрения, различные виды химического сырья и другие сыпучие материалы.
Теплофизические характеристики дисперсных материалов, в частности насыпных грузов, определяют интенсивность пе реноса энергии и вещества, характер формирования полей влажности и температуры.
Насыпные грузы являются многокомпонентными й много фазными физико-химическими системами и состоят из мно жества частиц различной формы и размеров. Распределение частиц и пор по размерам подчиняется законам больших чисел, а сами дисперсные и пористые среды могут рассмат
риваться как статистические системы. |
характеризующимся |
||
Распределение частиц по |
размерам, |
||
преобладанием определенной |
фракции, описывается |
законом |
|
нормального распределения Лапласа — Гаусса: |
|
||
N(D) = N (D*) е- к*(D* - |
D>Q, |
(1) |
где N (D) — число частиц с диаметром D; N(D*) — число ча стиц с наиболее часто встречающимся диаметром частиц D*; К — коэффициент, определяемый из экспериментальной функ ции распределения.
Для дисперсных сред с различными максимумами и асим метричным распределением частиц по диаметру могут приме няться функции Пирсона:
N (D) = |
N (D*) ( 1 + |
~ ° У‘ f 1-----—— — )Ь“ |
( 2 ) |
|
' ' |
\ |
D* — D m ln / \ |
D* — D m a x) |
|
где Z)mln и Dmax— минимальные и максимальные значения диаметра частиц; Ь\ и Ь2— экспериментальные параметры.
При ориентации частиц по форме их распределение описы вается как двухмерное и трехмерное.
5
К основным составляющим дисперсных и пористых сред — физико-химических систем относятся: твердый остов, или си стема отдельностей, вода в трех агрегатных состояниях и га зы, заполняющие поровые промежутки.
Твердый остов и отдельные частицы состоят из множества органических и неорганических веществ, теплопроводящие свойства которых изменяются в широком диапазоне. Тепловые свойства твердого остова в целом характеризуются эффектив ными значениями, для определения которых необходимо знать не только теплофизические свойства отдельных компонентов, но и их весовой состав. Определение весового состава твер дого остова представляет значительные трудности, в связи с чем определение эффективных значений тепловых свойств производится опытным путем.
Даже при полном отсутствии влаги тепловые свойства су хого дисперсного материала являются не константами, а от четливо выраженными функциями пористости. Так, коэффи циент теплопроводности по экспериментальным данным есть гиперболическая функция пористости.
Решающее значение в формировании тепловых свойств насыпных грунтов имеет поровая влага. Ее влияние проявля ется не только в общем уменьшении термического сопротив ления дисперсных сред, но и в резком уменьшении контакт ных термосопротивлений между частицами. Тепловые свойства поровой влаги определяются степенью ее ориентированности, поверхностью твердого остова и температурой. Однако ука занные эффекты имеет смысл учитывать лишь в точных калориметрических опытах. При теплотехнических расчетах тепловые свойства ориентированной воды могут рассматри ваться как идентичные тепловым свойствам свободной поро вой воды.
В области отрицательных температур насыпные грузы при обретают новые свойства, которые обусловливаются двумя основными факторами: перераспределением и переходом по ровой влаги в лед и формированием криогенной текстуры и структуры мерзлых горных пород.
Тепловые свойства мерзлых насыпных грузов (промерза ющих, промерзших, протаивающих) определяются фазовым составом поровой воды. Фазовое состояние воды находится в функциональной зависимости от температуры и описывается уравнением фазового состояния, параметры которого зависят от гранулометрического спектра частиц и пор, физико-хими ческих свойств поверхности твердого компонента и порового раствора. А это, в свою очередь, приводит к тому, что и теп ловые свойства мерзлых насыпных грузов становятся функ циями температуры и физико-химических параметров.
Важнейшее теплофизическое свойство насыпных грузов — их эффективный характер, обусловленный фазовыми перехо
6
дами ориентированной воды. Из трех теплофизических харак теристик две — теплоемкость и температуропроводность — яв ляются эффективными. К одной из особенностей тепловых свойств насыпных грузов относится эффект понижения коэф фициента теплопроводности на первой стадии промерзания в некотором диапазоне влагосодержания.
Перенос тепла в дисперсных средах осуществляется сле дующими механизмами: к о н д у к т и в н ы м — через твердые частицы, жидкие пленки и включения, ледовые прослойки, воздушные поры; к о н в е к т и в н ы м — посредством фильтра ции жидкостей и газов, внутрипоровой конвекции, миграции пленочной (связанной и капиллярной) влаги, испарения — кон денсации и сублимации — десублимации, диффузии и эффузии молекул газов и растворенных веществ в поровых растворах; л у ч и с т ы м — путем многократных актов излучения — погло щения лучистой энергии в последовательности поровых про межутков.
Слабо изучен сложный механизм контактного теплообмена между частицами при наличии пленок, связанной воды, поро вых растворов и воздушных пор. При нестационарном тепло обмене и перемещении жидких и газообразных компонентов дисперсной среды макроскопический процесс передачи тепла в дисперсной среде формируется в результате огромного коли чества элементарных актов передачи между компонентами и фазами системы в условиях общей термодинамической неравновесности. Сложный характер процессов тепло- и массообмена в дисперсных средах обусловливает макроскопический подход к количественному анализу этих процессов. Первосте пенное значение приобретает определение макроскопических теплофизических характеристик.
Насыпные грузы можно подразделить на три основные ка тегории, характеризующиеся определенными закономерностя ми тепло- и массообмена. К ним следует отнести: т о н к о д и с п е р с н ы е м а т е р и а л ы , обладающие высокоразвитой поверхностью раздела, значительным содержанием связанной воды, замерзание которой происходит в спектре температур фазовых превращений (типичные представители — глинистые и порошковые материалы); к р у п н о з е р н и с т ы е м а т е р и а л ы со сравнительно слабой поверхностью раздела и не значительным содержанием связанной воды, фазовые перехо ды поровой воды в таких средах происходят при определен ной температуре (крупнозернистые пески, галечниково-щеб- нистые и измельченные материалы); к у с к о в ы е м а т е р и а- л ы, содержание связанной и свободной воды в которых не значительно; фазовые переходы поровой воды в них не имеют существенного значения, а процессы теплообмена как при положительных, так и при отрицательных температурах про текают идентично.
7
\
Перейдем к характеристике основных теплофизических свойств дисперсных материалов: коэффициентов тепло- и тем пературопроводности и теплоемкости.
Коэффициент теплопроводности дисперсных материалов характеризует их способность переносить тепловую энергию под воздействием теплообменной движущей силы. В соответ ствии с постулатом Фурье тепловой поток в теле определяет ся градиентом температуры. Как отмечалось, в пористых сре дах передача энергии происходит под действием различных механизмов: кондуктивного, конвективного и лучистого. Сле довательно, в общем виде коэффициент теплопроводности дисперсных материалов является эффективной величиной
Я = —X^gradT, |
(3) |
где ЛЭф=Лк+Якв+^л. Здесь Як — коэффициент кондуктивной теплопроводности; Якв — коэффициент конвективной теплопро водности; К — коэффициент лучистой теплопроводности. Ко эффициент лучистой теплопроводости характеризует перенос тепла путем испускания и поглощения лучистой энергии стен ками пор. Расчетная величина этого коэффициента для мо дельной пористой среды с порами кубической формы опреде ляется из соотношения
|
Яп = 2,14* 10-8 |
Тг А/ Вт/м*° С, |
(4) |
|
где |
Т — средняя |
температура |
поверхности оснований |
поры, |
°К, |
АI — высота |
поры. Для дисперсных материалов, находя |
щихся в естественных температурных условиях, лучистая теп лопроводность не превышает 1% общего теплопереноса.
Коэффициент конвективной теплопроводности определяет перенос тепла различными механизмами внутрипоровой и межпоровой свободной конвекции, вынужденной конвекции, диффузионного и термодиффузионного переноса. Конвектив ный теплообмен в порах произвольных форм и расположения
(что характерно для дисперсных сред) |
описывается крите |
риальным уравнением |
|
Nu = 0,5 V Gr, |
,(5) |
где Nu— a-rlKn.3jxecbr — радиус поры;Яп — коэффициент теп лопроводности заполнителя поры, Вт/м-°С;
Gr VujTs-TJAI
v2 •g
Здесь Т\ и Т2— температура на поверхности поры, °С.
Анализ условий возникновения свободной конвекции пока
8