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

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

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

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

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:

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

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

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

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

зывает, что в прослойках толщиной свыше 10 мм конвекций возникает при температурном перепаде 0,3° и выше, а в про*' слойках меньше 5 мм она практически отсутствует даже при температурных перепадах до 100° (Чудновский, 1967). Доля конвективного теплопотока при радиусе пор 3 мм сос* тавляет лишь 0,13% общего теплового потока. Следовательно, внутрипоровая конвекция в дисперсных телах должна учиты* ваться лишь в тех случаях, когда в них возникают высоко­ градиентные температурные поля.

Межпоровая свободная конвекция в крупноскелетных телах описывается с помощью коэффициента конвективной тепло­

где А/ — толщина слоя; А, — коэффициент теплопроводности воды, Вт/м-°С; D — диаметр частиц.

Перенос тепла вынужденной конвекцией также может быть охарактеризован коэффициентом теплопроводности. Он опре­ деляется по формуле

где Я„л — коэффициент конвективной теплопроводности газа или жидкости при ламинарном течении; Яг.ж— коэффициент кондуктивной теплопроводности газа или жидкости; В — эм­

частиц-таблеток, зависимость между величинами Якл или Хг.ж определяется соотношением

Различают коэффициенты продольной и поперечной кон­ вективной теплопроводности и По данным М. Э. Аэрова и Н. Н. Умника, эти коэффициенты практически не различа­ ются между собой. В. Г. Бахуров и Г. К. Боресков предло­ жили для определения ЯК1и/формулу:

удельная теплоемкость, плотность газа и жидкости.

9