Propriétés thermiques du bois. Etude des propriétés thermophysiques de la tourbe
La capacité thermique non spécifique, mais totale, au sens physique généralement accepté, est la capacité d'une substance à se réchauffer. C'est du moins ce que nous dit n'importe quel manuel de physique thermique - c'est définition classique capacité calorifique (formulation correcte). En fait, c'est une caractéristique physique intéressante. Peu connu de nous dans la vie de tous les jours "côté de la médaille". Il s'avère que lorsque la chaleur est fournie de l'extérieur (chauffage, échauffement), toutes les substances ne réagissent pas de la même manière à la chaleur ( l'énérgie thermique) et chauffe différemment. La capacité de la tourbe à recevoir, accepter, retenir et accumuler (accumuler) de l'énergie thermique est appelée la capacité thermique de la tourbe. Et la capacité calorifique d'une tourbière elle-même est une caractéristique physique qui décrit les propriétés thermophysiques de la tourbe combustible. En même temps, dans différents aspects appliqués, en fonction d'un cas pratique spécifique, une chose peut s'avérer importante pour nous. Par exemple : la capacité d'une substance à recevoir de la chaleur ou la capacité à accumuler de l'énergie thermique ou « talent » pour la conserver. Cependant, malgré quelques différences, au sens physique, les propriétés dont nous avons besoin seront décrites par la capacité calorifique de la tourbière.
Un petit, mais très "méchant hic" de nature fondamentale réside dans le fait que la capacité de se réchauffer - la capacité thermique d'une tourbière, est directement liée non seulement à composition chimique, la structure moléculaire d'une substance, mais aussi sa quantité (poids, masse, volume). En raison de cette connexion "désagréable", la capacité thermique totale du combustible de tourbe devient une caractéristique physique trop gênante de la substance. Depuis, un paramètre mesuré décrit simultanément "deux choses différentes". A savoir : il caractérise bien les propriétés thermophysiques de la TOURBE, cependant, "au passage" il tient aussi compte de sa quantité. Formant une sorte de caractéristique intégrale, dans laquelle une physique thermique "élevée" et une quantité "banale" de matière (dans notre cas : la tourbière) sont automatiquement connectées.
Eh bien, pourquoi avons-nous besoin de telles caractéristiques thermophysiques d'une tourbière, dans lesquelles une "psyché inadéquate" est clairement tracée? Du point de vue de la physique, la capacité calorifique totale de la tourbe combustible (de la manière la plus maladroite) tente non seulement de décrire la quantité d'énergie thermique susceptible de s'accumuler dans une tourbière, mais aussi "au passage de nous informer" sur la quantité de tourbe. Cela s'avère absurde et non une caractéristique thermophysique claire, compréhensible, stable et correcte de la tourbe combustible. Au lieu d'une constante utile adaptée aux calculs thermophysiques pratiques, on nous donne un paramètre flottant, qui est la somme (intégrale) de la quantité de chaleur reçue par la tourbe et sa masse ou volume d'une tourbière.
Merci, bien sûr, pour un tel "enthousiasme", cependant, je peux mesurer moi-même la quantité de tourbe combustible. Avoir reçu des résultats sous une forme "humaine" beaucoup plus pratique. Je ne voudrais pas "extraire" la quantité de TOURBE par des méthodes mathématiques et des calculs utilisant une formule complexe de la capacité thermique totale de la TOURBE, mais connaître le poids (masse) en grammes (g, g), kilogrammes (kg) , tonnes (t), cubes (mètres cubes, mètres cubes, m3), litres (l) ou millilitres (ml). Spécialement depuis personnes intelligentes depuis longtemps des instruments de mesure tout à fait adaptés à ces fins. Par exemple : balances ou autres appareils.
Particulièrement « gênant est le caractère flottant » du paramètre : la capacité calorifique totale de la tourbière. Son "humeur" instable et changeante. Lorsque vous modifiez la "portion ou la dose", la capacité calorifique de la tourbe change immédiatement. plus de quantité tourbière, quantité physique, la valeur absolue de la capacité calorifique de la tourbe - augmente. La quantité de tourbe combustible est moindre, la capacité thermique de la tourbière diminue. "Honte" certains s'avèrent! En d'autres termes, ce que nous « avons » ne peut en aucun cas être considéré comme une constante décrivant les caractéristiques thermophysiques de la tourbe. Et il est souhaitable pour nous de « disposer » d'un paramètre de référence clair et constant caractérisant les propriétés thermiques de la tourbe combustible, sans « référence » à la quantité (poids, masse de tourbe, volume). Que faire?
C'est là qu'une méthode très simple mais "très scientifique" vient à notre rescousse. Il ne s'agit pas seulement de l'huissier "ud. - spécifique", avant quantité physique, mais à une solution élégante impliquant l'exclusion de la quantité de matière de considération. Naturellement, des paramètres « inconfortables, superflus » : la masse de la tourbière ou le volume de tourbe ne sont pas du tout à exclure. Au moins pour la raison que s'il n'y a pas de quantité de tourbe, alors il n'y aura pas de "sujet de discussion" lui-même. Et la substance devrait être. Par conséquent, nous choisissons une norme conventionnelle pour la masse ou le volume d'une tourbière, qui peut être considérée comme une unité. Pour le poids de la tourbe, une telle unité de masse de tourbe combustible, pratique à utiliser, s'est avérée être de 1 kilogramme (kg).
Maintenant, nous chauffons un kilogramme de tourbe d'un degré, et la quantité de chaleur (énergie thermique) dont nous avons besoin pour chauffer la tourbe d'un degré est notre paramètre physique correct, qui décrit bien, assez complètement et clairement l'un des propriétés thermophysiques TOURBE. Veuillez noter qu'il s'agit maintenant d'une caractéristique décrivant propriété physique substance de la tourbière, mais sans essayer de "nous informer en plus" de sa quantité. À l'aise? Il n'y a pas de mots. C'est une toute autre affaire. Soit dit en passant, nous ne parlons plus de la capacité thermique totale du combustible tourbe. Tout a changé. C'EST LA CAPACITÉ THERMIQUE SPÉCIFIQUE DE LA TOURBE, qui est parfois appelée différemment. Comment? Juste CAPACITÉ THERMIQUE DE MASSE DE LA TOURBE. Spécifique (battements) et masse (m) - dans ce cas : synonymes.
Tableau 1. Chaleur spécifique TOURBE (ud.). Capacité thermique massique d'une tourbière. Données de référence pour la tourbe combustible.
La tourbe est le plus jeune représentant géologique de la classe humite, bien qu'elle ne puisse être classée que conditionnellement comme combustible fossile solide. Une condensation insignifiante des noyaux aromatiques, des chaînes périphériques largement ramifiées, comprenant des groupements fonctionnels complexes, sont à l'origine de la capacité calorifique très élevée de la tourbe par rapport à la capacité calorifique des autres humites.
L'étude des propriétés thermophysiques de la tourbe n'a pas encore été suffisamment développée. On sait seulement que pour une tourbe absolument sèche à température ambiante, elle est de 0,47-0,48 kcal/(kg-°C) et dépend faiblement du type de tourbe (marais, de transition, de plaine) et du degré de décomposition.
Une caractéristique de la tourbe est son humidité extrêmement élevée. Avec une augmentation de l'humidité, la capacité calorifique de la tourbe augmente. Puisqu'il est établi que la majeure partie de l'eau contenue dans la tourbe (plus de 90%) est sous une forme non liée ou faiblement liée et que sa capacité calorifique est donc voisine de 1 kcal/(kg - °C), dans la mesure où la la capacité calorifique de la tourbe humide peut être calculée par la formule
Cy=0.475^1----- + kcal/(kg-°C), (V.1)
Où Wp est la teneur totale en humidité de la tourbe, % de la masse totale.
Une étude thermographique de la tourbe révèle la présence d'un effet endothermique important, dont le maximum tombe sur une température de 170-190°C. A des températures supérieures à 250°C, des transformations thermochimiques de la tourbe se produisent avec dégagement de chaleur, plus perceptibles dans les plages de 270-380 ° C et 540-580 ° C. Une image similaire - un maximum endothermique et deux minima exothermiques ou plus - est également observée dans le processus de pyrolyse du bois (voir chapitre XIII), qui s'explique pleinement par le proximité génétique des objets.
V. CHARBON BRUN
Bien que les charbons bruns soient une matière première énergétique et technologique précieuse, leurs propriétés thermophysiques n'ont pas été systématiquement étudiées jusqu'à récemment.
En raison de la conversion relativement faible de la structure moléculaire, en particulier du noyau condensé peu développé et de la teneur élevée en hétéroatomes lourds dans les groupes périphériques, la capacité thermique des charbons bruns est bien supérieure à la capacité thermique des charbons même mal métamorphisés ( voir tableau III.1).
Selon les données de E. Rammler et R. Schmidt, basées sur les résultats d'une étude de onze charbons bruns, la chaleur spécifique moyenne du charbon brun en termes de masse sèche et sans cendres dans la plage de 20 ° C-T (T ^ 200 ° C) peut être calculé à partir de la formule
Cy = 0,219+28,32-10~4(7°+5,93-104G, kcal/(kg-°C), (VI.1)
Tde d° - rendement en résine, % sur matière organique sèche ; T - température, °C.
L'analyse de l'effet des inclusions minérales et de l'humidité libre sur la capacité calorifique des lignites a permis aux auteurs d'en déduire une dépendance généralisée valable jusqu'à 200°C :
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Où Ts7r - humidité de travail ; Ac - teneur en cendres du charbon,%.
Étant donné que E. Rammler et R. Schmidt ont utilisé la méthode de mélange pour déterminer la capacité thermique, qui, comme indiqué ci-dessus, nécessite un temps important pour stabiliser la température du système, naturellement, leurs résultats diffèrent quelque peu des données obtenues lors du chauffage dynamique.
Ainsi, par exemple, à partir de la formule (VI.!) Il s'ensuit que dans la plage de 20 à 200 ° C, la capacité calorifique moyenne augmente de manière linéaire avec l'augmentation de la température. Cette conclusion contredit les résultats obtenus par A. A. Agroskin et al., dans la détermination de la capacité calorifique d'un groupe de charbons bruns domestiques provenant de divers gisements. Les déterminations ont été effectuées selon la méthode de la coque diathermique avec des échantillons secs pré-broyés à une taille de particules inférieure à 0,25 mm dans un flux continu d'azote purifié à une vitesse de chauffage de 10°C/min. Les résultats sont liés à la masse actuelle de l'échantillon -
Les caractéristiques des échantillons étudiés sont données dans le tableau.
VI. 1, et sur la fig. 26 montre la dépendance de la capacité calorifique effective à la température.
Toutes les courbes dans la plage de température de 20 à 1000 ° C ont un caractère similaire et ne diffèrent que légèrement - 96
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Température, ° С
Riz. 26. Dépendance à la température de la capacité calorifique effective des charbons bruns de certains gisements:
1-4 - dépôts, respectivement, Irsha-Borodnskoye, Berezovskoye, Gusnnoozer-
Skoïe, Yovo-Dmitrovskoe
Ils sont séparés les uns des autres en fonction des valeurs absolues de la capacité calorifique. Les maxima et minima observés sur les courbes correspondent aux mêmes températures. À 20 ° C, la capacité thermique effective, coïncidant avec la vraie, change pour divers charbons entre 0,27 et 0,28 kcal / (kg - ° C), ce qui est en bon accord avec les résultats obtenus par les formules (VI. 1) et (VI .2).
Tableau VI.!
La variation linéaire de la capacité calorifique effective (voir Fig. 26) n'a lieu que dans la plage 20-120 ° C. Avec l'augmentation de la température, une augmentation plus nette de la capacité calorifique est observée, atteignant un maximum à 200 ° C égal à 0,47 -■
0,49 kcal/(kg-°C). Ce premier maximum endothermique est dû à l'élimination de l'humidité liée et au début de réactions de pyrolyse de la masse organique se déroulant avec absorption de chaleur. Le deuxième maximum endothermique de 0,42-0,49 kcal/(kg-°C) a lieu à une température d'environ 550°C, ce qui indique la prédominance des réactions endothermiques de destruction de la masse organique et de décomposition d'une partie des impuretés minérales . Il est caractéristique que le plus grand en valeur absolue endothermique - 7 Zach. 179 97 Ces pics sont caractéristiques du charbon du gisement de Novo-Dmitrovskoe, qui se distingue des autres charbons par un rendement élevé en substances volatiles.
Un chauffage supplémentaire à 1000°C conduit à une diminution progressive de la capacité calorifique à 0,07-0,23 kcal/(kg-°C) en raison de l'apparition de réactions exothermiques de formation d'une structure de coke.
La comparaison des courbes d'évolution de la capacité calorifique effective (cf. fig. 26) avec les données d'une étude thermographique du lignite fait également apparaître quelques écarts. Le plus significatif d'entre eux est la présence sur les thermogrammes d'une troisième entaille endothermique à une température de 700-715°C effet endothermique, puisque le Sef dans cet intervalle reste inférieur à la véritable capacité calorifique. La raison de ces fluctuations de la capacité thermique effective, observée, soit dit en passant, même à plus hautes températures réside dans la nature complexe de la formation de la structure du coke.
La véritable capacité calorifique (d'équilibre) de tous les charbons étudiés augmente de manière monotone avec l'augmentation de la température (tableau VI.2). Les valeurs inférieures de la capacité calorifique réelle du lignite du gisement Novo-Dmitrovsky par rapport à la capacité calorifique des autres charbons s'expliquent par sa forte teneur en cendres.
L'effet thermique total [tab. (VI.3)] réactions de pyrolyse selon les formules (1.13) et (1.14) est déterminé par la différence entre les aires délimitées par les
Tableau VI.2
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Véritable capacité calorifique des charbons bruns
Noter. Le numérateur est kJ / "kg K, le dénominateur est kcal / (kg ■ ° C). Tableau U1.3 Effet thermique total des réactions de pyrolyse du lignite dans la plage de 20-1000°C prn vitesse de chauffage 10°C/min |
Effet thermique de la pyrolyse
Champ
véritable capacité calorifique. Dans ce cas, l'aire située sous la courbe de capacité calorifique vraie caractérise l'exothermicité, et l'aire au-dessus de cette courbe caractérise l'endothermicité des réactions de pyrolyse.
Avec une augmentation de la conversion des charbons bruns, la capacité calorifique de ces derniers diminue (Fig. 27).
VII. CHARBON ET ANTHRACITES
Ces charbons constituent une gamme extrêmement large de combustibles fossiles solides en termes de propriétés physiques et technologiques, caractérisés par un degré de conversion différent mais relativement élevé du matériau source.
La capacité calorifique du charbon dépend du stade de métamorphisme (voir Ch. II1.1), des conditions d'apparition, de la teneur en cendres, de l'humidité et d'un certain nombre d'autres facteurs dont l'influence sera examinée dans le chapitre suivant.
Cette section fournit des données de référence sur la capacité calorifique réelle et effective des charbons bitumineux de certains bassins à des températures modérées, ainsi que pendant la décomposition thermique.
Le tableau montre les propriétés thermophysiques de la tourbe et des produits à base de tourbe en fonction de la température dans la plage de -71 à 20°C. Les propriétés suivantes de la tourbe sont données : masse volumique apparente en kg/m 3 , conductivité thermique en W/(m deg) et kcal/(m h deg) et diffusivité thermique en unités de 10 8 m 2 /s et 10 4 m 2 / heure.
Les propriétés sont spécifiées pour la tourbe concassée, la tourbe grumeleuse, broyée, briquetée et les dalles de tourbe. Pour la masse volumique, la conductivité thermique et la diffusivité thermique sont données à des températures négatives. La densité de la tourbe peut varier de 200 à 890 kg/m 3. La tourbe briquetée a une densité élevée, contrairement à la tourbe grumeleuse légère. La densité de la tourbe est indiquée à la pression atmosphérique.
La conductivité thermique de la tourbe varie entre 0,06 et 0,45 W/(m deg). La tourbe briquetée et les dalles de tourbe sont les plus conductrices de la chaleur. La diffusivité thermique de la tourbe est comprise entre 12·10 -8 et 60·10 -8 m 2 /s.
Densité et conductivité thermique de la tourbe et des dalles de tourbe
Le tableau montre les valeurs de conductivité thermique de la tourbe et des dalles de tourbe avec différentes densités en fonction de la température à 0, 50 et 100°C. La densité de la tourbe et des dalles est de 180 à 190 kg/m 3 . La dimension de la conductivité thermique au numérateur en W / (m deg); au dénominateur - en kcal / (m heure deg). Selon le tableau, on peut voir que lorsque la tourbe et les dalles de tourbe sont chauffées, leur conductivité thermique augmente.
Conductivité thermique des copeaux de tourbe
Les valeurs de conductivité thermique des copeaux de tourbe sèche avec différentes densités apparente à une température de 20°C sont indiquées. La densité des copeaux de tourbe varie de 77 à 250 kg/m 3 . Avec une augmentation de la densité apparente de la mie, sa conductivité thermique augmente également et pour la mie la plus dense elle peut atteindre une valeur de 0,076 W/(m deg).
La capacité thermique totale de la roche argileuse. Quel est le coefficient "C": (sp.) capacité thermique spécifique de l'ARGILE. En quoi ces types de caractéristiques thermophysiques du matériau terreux diffèrent-ils, pourquoi est-il impossible de se contenter d'un paramètre physique décrivant les propriétés thermiques d'un sol argileux, et pourquoi a-t-il fallu introduire le coefficient "multiplier les entités, compliquant la vie des personnes normales"?La capacité thermique non spécifique, mais totale, au sens physique généralement accepté, est la capacité d'une substance à se réchauffer. C'est du moins ce que nous dit n'importe quel manuel de physique thermique - c'est la définition classique de la capacité thermique (formulation correcte). En fait, c'est une caractéristique physique intéressante. Peu connu de nous dans la vie de tous les jours "côté de la médaille". Il s'avère que lorsque la chaleur est fournie de l'extérieur (chauffage, échauffement), toutes les substances ne réagissent pas de la même manière à la chaleur (énergie thermique) et ne s'échauffent pas différemment. La capacité de l'ARGILE à recevoir, accepter, retenir et accumuler (accumuler) de l'énergie thermique est appelée la capacité calorifique de l'ARGILE. Et la capacité calorifique du matériau argileux lui-même est une caractéristique physique qui décrit les propriétés thermophysiques de la roche argileuse. En même temps, dans différents aspects appliqués, en fonction d'un cas pratique spécifique, une chose peut s'avérer importante pour nous. Par exemple : la capacité d'une substance à recevoir de la chaleur ou la capacité à accumuler de l'énergie thermique ou « talent » pour la conserver. Cependant, malgré quelques différences, au sens physique, les propriétés dont nous avons besoin seront décrites par la capacité calorifique du matériau argileux.
Un petit, mais très "méchant hic" de nature fondamentale est que la capacité à chauffer - la capacité thermique de la roche sédimentaire argileuse, est directement liée non seulement à la composition chimique, à la structure moléculaire de la substance, mais aussi à sa quantité (poids, masse, volume) . En raison d'une telle connexion "désagréable", la capacité thermique totale du matériau argileux devient une caractéristique physique trop gênante de la substance. Depuis, un paramètre mesuré décrit simultanément "deux choses différentes". A savoir : il caractérise bien les propriétés thermophysiques de l'ARGILE, cependant "au passage" il tient aussi compte de sa quantité. Formant une sorte de caractéristique intégrale, dans laquelle la physique thermique "élevée" et une quantité "banale" de matière (dans notre cas : la roche sédimentaire) sont automatiquement connectées.
Eh bien, pourquoi avons-nous besoin de telles caractéristiques thermophysiques de la roche, dans lesquelles une "psyché inadéquate" est clairement tracée? Du point de vue de la physique, la capacité calorifique totale d'un sol argileux (de la manière la plus maladroite) tente non seulement de décrire la quantité d'énergie thermique qui peut s'accumuler dans la roche, mais aussi "en passant de nous renseigner" sur la quantité d'ARGILE. Cela s'avère absurde, mais pas une caractéristique thermophysique claire, compréhensible, stable et correcte du matériau argileux. Au lieu d'une constante utile adaptée aux calculs thermophysiques pratiques, on nous donne un paramètre flottant, qui est la somme (intégrale) de la quantité de chaleur reçue par l'argile et sa masse ou volume de roche sédimentaire.
Merci, bien sûr, pour un tel "enthousiasme", cependant, je peux mesurer la quantité d'ARGILE par moi-même. Avoir reçu des résultats sous une forme "humaine" beaucoup plus pratique. Je ne voudrais pas "extraire" la quantité d'ARGILE par des méthodes mathématiques et des calculs utilisant une formule complexe à partir de la capacité calorifique totale de l'ARGILE, à différentes températures, mais connaître le poids (masse) en grammes (g, g), kilogrammes (kg), tonnes (tonnes), cubes (mètres cubes, mètres cubes, m3), litres (l) ou millilitres (ml). De plus, les gens intelligents ont depuis longtemps mis au point des instruments de mesure tout à fait adaptés à ces fins. Par exemple : balances ou autres appareils.
Particulièrement « gênant est la nature flottante » du paramètre : la capacité calorifique totale de la roche sédimentaire. Son "humeur" instable et changeante. Lors du changement de "taille d'une portion ou d'une dose", la capacité thermique de l'ARGILE à différentes températures change immédiatement. Plus d'argile, quantité physique, valeur absolue de la capacité calorifique sol argileux- augmente. Moins quantité d'argile, la valeur de la capacité thermique du sol argileux diminue. "Honte" certains s'avèrent! En d'autres termes, ce que nous "avons" ne peut en aucun cas être considéré comme une constante décrivant les caractéristiques thermophysiques de l'ARGILE à différentes températures. Et il est souhaitable pour nous d'"avoir" un coefficient compréhensible et constant, un paramètre de référence qui caractérise les propriétés thermiques de la roche, sans "références" à la quantité (poids, masse, volume). Que faire?
C'est là qu'une méthode très simple mais "très scientifique" vient à notre rescousse. Cela revient non seulement à l'huissier "sp. - spécifique", devant une quantité physique, mais à une solution élégante qui implique l'exclusion de la quantité de substance de la considération. Naturellement, paramètres "inconfortables, superflus": il est absolument impossible d'exclure la masse ou le volume d'ARGILE. Au moins pour la raison que s'il n'y a pas de quantité de matériau argileux, alors il n'y aura pas de «sujet de discussion» lui-même. Mais il faut qu'il y ait du fond. Par conséquent, nous choisissons une norme conditionnelle pour la masse ou le volume d'ARGILE, qui peut être considérée comme une unité appropriée pour déterminer la valeur du coefficient "C" dont nous avons besoin. Pour le poids de l'ARGILE, une telle unité de masse de roche sédimentaire, pratique à utiliser, s'est avérée être de 1 kilogramme (kg).
Maintenant, nous chauffons un kilogramme d'ARGILE de 1 degré, et la quantité de chaleur (énergie thermique) dont nous avons besoin pour chauffer le sol argileux d'un degré est notre paramètre physique correct, le coefficient "C", d'accord, assez complet et compréhensible décrivant une des propriétés thermophysiques de l'ARGILE à différentes températures. Veuillez noter que nous traitons maintenant d'une caractéristique décrivant la propriété physique d'une substance argileuse, mais n'essayons pas de "nous informer en plus" sur sa quantité. À l'aise? Il n'y a pas de mots. C'est une toute autre affaire. Soit dit en passant, nous ne parlons plus de la capacité thermique totale de l'argile, en tant que roche sédimentaire. Tout a changé. C'EST LA CAPACITÉ THERMIQUE SPÉCIFIQUE DE L'ARGILE, qui est parfois appelée par un autre nom. Comment? Juste CAPACITÉ DE CHALEUR DE MASSE D'ARGILE. Spécifique (sp.) et masse (m.) - dans ce cas : synonymes, ils désignent ici le coefficient "C" dont nous avons besoin.
Tableau 1. Coefficient : capacité calorifique spécifique de l'ARGILE (sp.). Capacité thermique massique du matériau argileux. Données de référence pour les roches sédimentaires.