Теплофізичні властивості

 

До показників, що характеризують теплофізичні властивості твердих тіл, належать теплопровідність, теплоємність, термічне розширення. Ці властивості вугілля досить детально вивчені.

Основні термічні коефіцієнти - теплопровідності, температуропровідості і теплоємності - пов'язані між собою рівнянням:

 

,

 

де а - коефіцієнт температуропровідності, м²/с;

l- коефіцієнт теплопровідності, Дж/(с К м);

с - теплоємність матеріалу, Дж/(кг К);

r - густина матеріалу, кг/м³.

 

Вугілля і гірські породи за своїми тепловими властивостями наближаються до теплоізоляторів і являють собою неоднорідні тіла, що складаються з твердих інгредієнтів, рідких прошарків і повітряних чарунок. Коефіцієнт теплопровідності таких матеріалів є умовною величиною і іноді називається видимим коефіцієнтом теплопровідності.

Величина коефіцієнта теплопровідності вугілля визначається теплопровідністю власне вугільної речовини (l), її пористістю (Р), зольністю (А), вологістю (W) і температурою системи (Т).

Температурний коефіцієнт для вугілля позитивний, а зростання l із збільшенням температури відбувається або за лінійним, або при підвищених температурах, за квадратичним законом. Збільшення коефіцієнта теплопровідності вугілля і горючих сланців із зростанням температури пояснюється значною мірою сильним впливом променистого теплообміну (конвекції) між поверхнями пор палива через розділяючі їх газові чарунки.

Приймаючи, що в певних інтервалах температур існує лінійна залежність коефіцієнта теплопровідності, можна записати

 

,

 

де: , 1/град.

 

Встановлено, що для вугілля різного ступеня метаморфізму в інтервалі температур від 20 до 100 ⁰С існує лінійна залежність l від температури і b =0,002 1/град.

Можна прийняти наступне середнє значення температурного коефіцієнта теплопровідності для різних інтервалів температури:

 

Інтервал температур, °С		0 --100	100 --300	300 --1000	0 --1000
Температурний коефіцієнт b, 1/град.	Для засипок	0,002	0,0003	0,0010	0,0009
	Для ціликів	0,002	0,0003	0,0016	0,0014

 

Зростання коефіцієнту температуропровідості вугілля в інтервалі температур 0-200 ⁰С незначне, оскільки одночасно із збільшенням теплопровідності зростає і теплоємність вугілля. Збільшення коефіцієнта температуропровідності після 250-300 ⁰С пояснюється одночасним впливом збільшення коефіцієнта теплопровідності, зменшенням теплоємності і густини внаслідок виділення летких.

Найменші значення теплопровідності і температуропровідності в ряді метаморфізму мають жирне і коксівне вугілля. Значення l і а збільшуються при переході до газового вугілля з одного боку, до пісного вугілля і антрацитів з іншого. Температуропровідність вугілля змінюється в ряді метаморфізму в значно меншій мірі, ніж теплопровідність. При нормальних температурах теплопровідність вугілля змінюється від 0,10 до 0,13 Дж/(м с град.), а температуропровідность від 1,0Ч10^{- 4} до 1,8Ч10^-4 м²/с.

Теплопровідність вугілля підвищується із збільшенням виходу летких речовин і густини. Коефіцієнт теплопровідності вугілля різко збільшується з підвищенням вологості вугілля. У кам'яного вугілля при вологості 10 % він зростає в 2-2,5 рази, у бурого вугілля таке зростання l досягається при W^p=20-25 %.

Залежність теплопровідності від пористості дуже складна. Нижньою межею теплопровідності пористого матеріалу є 0,02 Дж/(м*с* град.), що дорівнює теплопроводністі повітря. Чим більше загальний об'єм пор і чим менше їх розміри, тобто чим дрібніші пори, тим нижче повинен бути коефіцієнт теплопровідності при тій же насипній густини. Температуропровідність вугілля меншає із зростанням насипної ваги.

Теплопровідність вугільних ціликів набагато вище за теплопровідність дробленого вугілля. Гранулометричний склад дробленого вугілля впливає на його теплопровідність переважно тому, що при зміні його міри дроблення одночасно змінюється насипна густина.

Оскільки теплопровідність мінеральних компонентів вугілля значно вище за теплопровідність органічної маси, можна передбачити, що коефіцієнт теплопровідності вугілля повинен збільшуватися із зростанням його зольності. Встановлено, що теплопровідність вугілля вздовж нашарування на 3-7 % вище, ніж перпендикулярно нашаруванню.

Теплоємність матеріалу визначається кількістю тепла, необхідного для підняття температури 1 г даного тіла з t₁ до t₂ і характеризується питомою теплоємністю тіла:

 

,

 

де - середня питома теплоємність Дж/(г К);

q - кількість тепла, необхідна для підвищення температури тіла від t₁ до t₂, Дж/кг.

 

Якщо кількість тепла q, необхідна для нагрівання тіла від t₁ до t₂ не залежить від температури, то величина постійна. Однак у більшості випадків q залежить від температури, і ця залежність може бути представлена наступною емпіричною формулою:

 

,

звідси

,

 

де: с_и - дійсна питома теплоємність тіла.

 

Для визначення теплоємності твердих тіл застосовується ряд способів, які можна розділити на три групи:

а) метод змішання;

б) методи, основані на вимірюванні швидкості нагрівання або охолоджування;

в) методи прямого визначення істинної теплоємності.

Згідно з теоретичними передумовами, питома теплоємність вугілля повинна меншати в ряді вуглефікації, якщо врахувати, що водень і вуглеводні володіють більшою теплоємністю, ніж графіт, до структури якого наближається вугілля при підвищенні ступеня метаморфізму. Наприклад, теплоємність водню рівна 2,30, металу - 2,30, ацетилену - 1,63 і графіту - 0,84 кДж/(кг град.). Залежність середньої питомої теплоємності вугілля при однаковій температурі від виходу летких речовин можна прийняти лінійною і виразити рівнянням:

 

, кДж/кг град,

 

де: с_t - питома теплоємність вугілля при температурі t, ⁰С;

А і В - емпіричні коефіцієнти. У інтервалі температур 0-100 ⁰С А=0,900-1,025; В=0,034-0,050.

Теоретичний аналіз і обробка експериментальних даних дозволили встановити закономірність зміни теплоємності вугілля від температури. У інтервалі температур від 0 до 250-300 ⁰С питома теплоємність вугілля зростає і, досягши максимуму при 270-350 ⁰С, вона меншає при подальшому підвищенні температури, наближаючись при 1000 ⁰С до теплоємності графіту.

Величини теплоємності вугілля Донбасу, отримані Померанцевим В.В. розрахунковим шляхом, приведені в наступній таблиці 2.11.

 

Таблиця 2.11 - Теплоємність вугілля Донбасу, кДж/(кг К)

Температура, °С	Марка вугілля
	Д	Ж	Т	А
1	2	3	4	5
20	1,38	1,38	1,26	1,05
300	1,34	1,38	1,22	1,05
500	1,12	1,26	-	1,05
700	1,05	1,17	1,01	0,97
900	0,97	0,92	-	0,92
1000	0,86	0,86	0,92	0,86

 

Автор не проводив досліджень в діапазоні температур 0-300 ⁰С, тому з отриманих результатів випало збільшення теплоємності з температурою в цьому інтервалі.

Мінеральні домішки дещо знижують питому теплоємність вугілля, оскільки вони мають питому теплоємність с_24-100=0,80-0,84 кДж/(кг К), однак при зольності вугілля до 12 % це зниження невелике (1-2 %). Потрібно відмітити значне зростання (майже в 2 рази) теплоємності мінеральних включень в інтервалі температур 20-1000 ⁰С.

Теплоємність коксу, отриманого з різного вугілля, мало коливається і становить c_25-100=0,837-0,840 кДж/(кг К). Зі зростанням температури теплоємність коксу росте, причому темп приросту рівний 0,0021 кДж/(кг К) в інтервалі температур 50-475 ⁰С.

Коефіцієнт термічного розширення характеризує деформацію матеріалу під дією температури, яка пов'язана із зміною середніх відстаней між молекулами. У зв'язку з цим потрібно чекати, що він буде змінюватися в широких межах по ряді вуглефікації приблизно таким же чином, як і константи пружності. Встановлено зниження коефіцієнта термічного розширення в ряду вуглефікації і анізотропічний ефект при дослідженні теплового розширення вздовж і перпендикулярно нашарування, що з'являється у вугілля із вмістом вуглецю 85 % і зростаючий у антрацитів. Цей ефект виникає під впливом мікропористої системи у вугіллі, яка стає все більш анізотропною завдяки зростанню і орієнтації ароматичних ламелей.