ТЕПЛОФИЗИКА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ТЕПЛО — И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТЬ КАМЕННОУГОЛЬНОГО КОКСА

1. Плотность и пористость

Как обычно, для пористых твердых тел с повышением плот­ности и уменьшением пористости теплопроводность каменно­угольных коксов возрастает (см. рис. 84). Теплопроводность кокса с пористостью, равной 35%, почти в 1,5 раза выше тепло­проводности кокса с пористостью, равной 50%.

Полная теплопроводность пористого кокса складывается из теплопроводности самого вещества Хо, теплопроводности газа в порах Хт и радиационной (эквивалентной) . составляющей А, Р. Удельный вклад каждой из этих составляющих зависит от свойств и состояния исследуемого вещества — общей пори­стости, распределения пор по размерам, теплопроводности га­за в порах и температуры.

С ростом температуры Я0, Аг и ХР возрастают с различной скоростью. Поэтому для выделения зависимости Х0 (Т) необхо­димо учитывать вклад Хт и ЯР в эффективную теплопроводность.

Радиационной составляющей для неизмельченного кокса можно пренебречь вплоть до весьма высоких температур. Рас-

223

Чет по формуле, предложенной А. Ф. Чудновским для локаль­ной радиационной теплопроводности в порах

Яр=2у2фЯЭф(Г+273)3, (XIX. 1)

Где V — степень черноты; г|з — постоянная Стефана — Больцма - ' на, равная 5,7-10~8 Вт/м2-К-4; йэф — средний эффективный ^ диаметр пор (для кокса сгЭф~15-10-7 м), показывает, что при Г=1500 К величина ЯР не превышает 3-10-4 Вт (м-К), тогда как теплопроводность кокса имеет порядок единиц; Т-—сред­няя температура на поверхности поры, °С.

Теплопроводность газа в порах также значительно ниже полной теплопроводности. Например, теплопроводность окиси < углерода при 200° С составляет 0,033 ккал/(м-ч-°С), тогда как при той же температуре теплопроводность кускового кокса ’ равна (0,63—0,42) ккал/(м-ч-°С), т. е. ЯГ составляет около 5% от величины %.

Пористость, уменьшая теплопроводность по абсолютной ве­личине, практически не изменяет характера ее температурной зависимости.

Для расчета теплопроводности кускового кокса можно при - менять уравнения, приведенные в разделе II. Фигурирующий во ^ всех этих уравнениях коэффициент теплопроводности Ко твердо - 1 го каркаса, который по понятным причинам не может быть оп - ’ ределен экспериментально, находят, как правило, путем экстра - '■ поляции экспериментальных зависимостей по одному из урав - ^ нений, приведенных в первой части. ;

В табл. XIX. 1•приведены результаты такой экстраполяции, « выполненной по формулам Рассела (11.13), Лоуба (11.15), Мак - 4 свелла (11.11) и Эйкена (11.14). В качестве исходных данных ^ при этом были приняты найденные М. Вике и В. Петерсом~|

[29] коэффициенты теплопроводности коксов с пористостью, равной 50 и 35%, составляющие при 50° С соответственно 0,55 и 0,77 ккал/(м-ч-°С).

Таким образом, расчет теплопроводности по различным уравнениям дает довольно близкие значения Я0, что позволяет принять для этого коэффициента при 50° С среднее значение ].27 ккал/(м-ч-°С) или 1,47 Вт/(м-К)-

Так как пористость практически не изменяет характера тем­пературной зависимости теплопроводности кокса, можно счи­тать, что ко изменяется с повышением температуры линейно. Угловой коэффициент зависимости кс (Т)

Бг = 1,4• 10~3 ккал/(м• ч-° С2) = 1,62-10~3 Вт/(м-К2)-

Как и в случае углей, влияние плотности на коэффициент температуропроводности коксов значительно слабее, чем на ко­эффициент теплопроводности.

Зависимость температуропроводности полукокса и кокса от их плотности приведена в табл. XIX.2.

Таблица Х1Х.2

Приведенные в табл. Х1Х.2 результаты получены для спе­циально подготовленных образцов полукокса (550° С) и кокса (900° С) методом регулярного теплового режима при темпера­туре 30—35° С.

Как видно из приведенных данных, определенного заключе­ния о влиянии плотности на температуропроводность кокса сделать нельзя. Поскольку теплопроводность кокса изменяется примерно пропорционально плотности, постольку коэффициент

І

Температуропроводности, как и для углей, не должен зависетк| от последней. Колебания температуропроводности объясняют^ ся, по-видимому, непостоянством теплоемкости и другими МЄТО-3 дическими погрешностями.

2. Трещиноватость

Основное сопротивление тепловому потоку в случае реально| го кускового кокса оказывают трещины. Трещиноватость, в от личие от пористости, не только уменьшает суммарную теплопро* водность кокса, но и деформирует ее температурную зави­симость. Вследствие влияния лучистого теплообмена ее росі при высоких температурах становится прогрессирующим.

Наибольшее влияние на теплопроводность оказывают тре­щины, ориентированные перпендикулярно к тепловому потоки (см. раздел II).

Рассмотрим в качестве примера кусок кокса с поперечной

Л я

Трещиной средней шириной 0,5 мм и отношением а—= 0,41

(см. рис. 3). Степень черноты ~. В качестве газа, заполняю | щего поры и трещину, приближаясь к реальным условиям^ можно принять окись углерода. *

Результаты расчета по формуле (11.22) при разных темпер ратурах приведены в табл. ХІХ. З.

Из табл. ХІХ. З видно, что при заданной геометрии трещины тепловой поток через нее становится ощутимым уже при 200° (

Достигая почти 20% при 1000° С. Возрастание лучистого тепло

Обмена приводит к постепенному увеличению отношения ЯэД". '

При достаточно высокой температуре оно может превысить еди­ницу, т. е. основной тепловой поток будет переноситься излу­чением.

Можно показать, что излучение начинает доминировать над теплопроводностью газа в трещине уже при сравнительно низ­ких температурах — около 300—400° С.

3. Стадия метаморфизма исходных углей

Повышение стадии метаморфизма исходных углей приводит к некоторому увеличению теплопроводности коксов вследствие возрастания проводимости углеродистого материала (табл. Х1Х.4).

Таблица Х1Х.4

В табл. Х1Х.5 приведены результаты определения коэффи­циентов тепло - и температуропроводности измельченных (0— 0,25 мм) образцов каменноугольных коксов, полученных при 1000° С из углей разной стадии метаморфизма. Характеристику образцов см. в табл. Х1.2.

Поскольку во всех опытах плотность загрузки поддержи­валась практически постоянной, постольку температуро - | проводность также увеличивалась с повышением стадии мета - ] морфизма, причем в большей степени, так как наряду с возра - ; стаиием теплопроводности наблюдалось снижение теплоемко - ; сти коксов (см. раздел VIII). .1

4. Минеральные примеси

Вследствие большей теплопроводности минеральных вклю - I чений с ростом их концентрации в коксах теплопроводность« последних несколько повышается. Как и в предыдущем случае, при поддержании постоянной плотности загрузки коэффициент температуропроводности повышается в большей степени, так как в том же направлении снижается теплоемкость коксов (табл. Х1Х.6 и XIX.7).

228

Таблица Х1Х.7

Продолжение табл, ХІХ.7.

Номер пробы (см. табл. XI.2)

Зольность А коксов, %

11,

06 (р = 0,89 г/см3)

Примечание. Числитель — 10—* м^/с, знаменатель — 10—< м2/ч; р — плотность засыпки.

5. Специальные виды кокса

Специальные виды кокса применяются как восстановитель в процессе производства ферросплавов. Для увеличения реак­ционной способности кокса в шихту добавляют углекислые со-' ли натрия и калия.

Ниже приведены эмпирические зависимости [117], выражаю-, щие коэффициент теплопроводности (в интервале 0—400° С) че­тырех видов электрометаллургического кокса класса 1—2 мм от температуры (табл. Х1Х.8) и пористости засыпки. Все об­разцы, характеристика которых приведена в табл. Х1Х.9, полу-"

Чены из газового угля. Пористость засыпки определялась по формуле

Где йн — насыпная плотность засыпки; с?0 — действительная плотность кокса.

Зависимость коэффициента теплопроводности электрометал­лургических коксов от пористости засыпки приведена ниже (рис. 85) [117]:

Темпера - ^ = Вт/(м-К)

Тура, °С

О X = 30,71—77,62 р + 49,20 р*

200 X = 53,00—134,85 р + 85,86 о2

400 X = 71,83—185,54 р +120,05 р*