ТЕПЛОФИЗИКА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

ТЕОРИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ

1. Основные положения

Явление теплопроводно­сти твердых тел состоит » передаче тепловой энергии в неравномерно нагретом физически однородном теле. В одно­мерном стационарном случае этот процесс описывается уравне­нием

(II. 1>

Где (1() — количество тепла, переносимого за время йх через: площадку йр в направлении нормали х к этой площадке; — коэффициент теплопроводности; йТ/йх — градиент температу­ры. Знак минус перед правой частью указывает на то, что теп­ловой поток распространяется в направлении, противополож­ном градиенту температуры.

Как вытекает из формулы (11.1), коэффициент теп­лопроводности характеризует проницаемость материала для теплового потока, он численно равен количеству тепла, пе­реносимого через единицу поверхности за единицу времени при единичном градиенте температуры. Коэффициент теплопровод­ности существенно зависит от макро - и микроскопических ха­рактеристик материала, а также от температуры.

Величина, обратная коэффициенту теплопроводности, назы­вается тепловым сопротивлением:

Я =4-- (Не­

Другам важным свойством материалов, характеризующим теплоперенос в нестационарных условиях, является коэффи­циент температуропроводности а, связанный с коэффициентом К соотношением

(П-3)

Где Су — удельная теплоемкость материала; р — его плотность.

Коэффициент температуропроводности характеризует ско­рость выравнивания температуры («тепловую инертность») тела и по аналогии с коэффициентом диффузии, с которым он имеет одинаковую размерность, иногда называется коэффициен­том тепловой диффузии.

Физически процесс температуропроводности, имеющий ме­сто только в нестационарных условиях, состоит в установлении температурного поля в данном теле и описывается дифферен­циальным уравнением Фурье, которое для одномерного потока имеет вид

(П.4)

Из уравнения (II. 4) видно, что коэффициент температуро­проводности численно равен скорости изменения температуры при изменении градиента температуры, равном единице на еди­ницу длины.

Другое определение можно получить из формулы (II. 3). Коэффициент температуропроводности численно равен повыше­нию температуры единицы объема материала при сообщении ему количества тепла, численно равного коэффициенту тепло­проводности.

В литературе по прикладной теплофизике, в частности по теплофизике углей, до сих пор отсутствует единообразие в применяемой терминологии. В меньшей степени это относится к теплоемкости, в большей — к вопросам теплопереноса. В рам­ках данной работы нет возможности подробно анализировать применяемые термины или обосновать вновь предлагаемые. Поэтому ограничимся перечнем определений, учитывающих сложившиеся традиции, которые будут использованы в даль­нейшем изложении.

Для характеристики тепловой проводимости неоднородных и многофазных тел, в случаях если тепловой поток в целом опре­деляется уравнением (II. 1), но зависит от коэффициентов теп­лопроводности компонентов, образующих тело, их концентра­

Ции, размеров, формы и т. д., здесь применяется термин «экви­валентная теплопроводность» Аэкв.

Тепловые эффекты, сопровождающие процесс пиролиза твер­дых горючих ископаемых, сложным образом влияют на тепло­физические свойства последних, в том числе на теплопровод­ность. Вследствие этого коэффициент теплопроводности, измеренный в процессе термического разложения топлива и за­висящий от ряда дополнительных факторов технологического характера, нуждается в специальном обозначении. В данной ра­боте, как и в большинстве других, посвященных теплофизике твердого топлива, этот показатель называется «эффективной теплопроводностью» Хэф.

Продолжительная изотермическая выдержка при некоторой температуре, как упоминалось ранее, переводит систему в но­вое равновесное состояние, а необратимый характер пиролити­ческих процессов исключает тепловые эффекты при повторном нагревании до той же температуры. В этих условиях твердые продукты пиролиза ведут себя практически как инертный мате­риал, теплопроводность которого в зависимости от физическо­го состояния может обозначаться терминами, введенными ра­нее, — К, А»экв с добавлением слова «истинная».

Аналогичная терминология применяется в отношении коэф­фициента температуропроводности.

Основные единицы измерения коэффициентов тепло - и тем­пературопроводности в СИ обозначаются соответствен-

Но Вт/(м-К) и м2/с. Соотношения между этими и другими рас­пространенными единицами измерения коэффициентов теплопе - реноса даны в табл. II. I и II. 2.