Proprietățile termice ale lemnului. Studiul proprietăților termofizice ale turbei
Nu specifică, dar capacitatea termică totală, în sensul fizic general acceptat, este capacitatea unei substanțe de a se încălzi. Cel puțin așa ne spune orice manual de termofizică - asta definiție clasică capacitate termică (formulare corectă). Aceasta este de fapt o caracteristică fizică interesantă. „Fața monedei” care ne este puțin familiară din viața de zi cu zi. Se pare că atunci când căldura este furnizată din exterior (încălzire, încălzire), nu toate substanțele reacționează în mod egal la căldură ( energie termală) și se încălzesc diferit. Capacitatea PEAT-ului de a primi, accepta, reține și acumula (acumula) energie termică se numește capacitatea termică a PEAT-ului. Iar capacitatea de căldură a unei turbării în sine este o caracteristică fizică care descrie proprietățile termofizice ale combustibilului din turbă. În același timp, în diferite aspecte aplicate, în funcție de cazul practic specific, un lucru poate fi important pentru noi. De exemplu: capacitatea unei substanțe de a primi căldură sau capacitatea de a acumula energie termică sau „talentul” de a o reține. Cu toate acestea, în ciuda unor diferențe, în sens fizic, proprietățile de care avem nevoie vor fi descrise de capacitatea termică a turbării.
Un mic, dar foarte „urât” de natură fundamentală este că capacitatea de a se încălzi - capacitatea termică a unei turbări, este direct legată nu numai de compoziție chimică, structura moleculară a unei substanțe, dar și cu cantitatea ei (greutate, masă, volum). Din cauza acestei conexiuni „neplăcute”, capacitatea totală de căldură a combustibilului de turbă devine o caracteristică fizică prea incomodă a substanței. Deoarece un parametru măsurat descrie simultan „două lucruri diferite”. Și anume: caracterizează cu adevărat proprietățile termofizice ale TURBEI, totuși, „în treacăt” ia în considerare și cantitatea acesteia. Formând un fel de caracteristică integrală în care termofizica „înaltă” și o cantitate „banală” de materie (în cazul nostru: turbă) sunt conectate automat.
Ei bine, de ce avem nevoie de astfel de caracteristici termofizice ale unei turbării, care arată în mod clar un „psihic inadecvat”? Din punct de vedere al fizicii, capacitatea totală de căldură a combustibilului din turbă (în cel mai stângaci mod) încearcă nu numai să descrie cantitatea de energie termică care se poate acumula într-o turbă, ci și „spune-ne în treacăt” despre cantitate de TURBA. Rezultatul este absurdul și nu o caracteristică termofizică clară, de înțeles, stabilă și corectă a combustibilului din turbă. În loc de o constantă utilă potrivită pentru calculele termofizice practice, suntem „alunecați” într-un parametru plutitor, care este suma (integrala) cantității de căldură primită de PEAT și masa acesteia sau volumul turbării.
Vă mulțumesc, desigur, pentru acest „entuziasm”, dar pot măsura singur cantitatea de combustibil de turbă. După ce a primit rezultatele într-o formă mult mai convenabilă, „umană”. Aș dori să nu „extrag” cantitatea de PEAT folosind metode și calcule matematice folosind o formulă complexă din capacitatea termică totală a PEAT, ci să aflu greutatea (masa) în grame (g, g), kilograme (kg) , tone (t), cuburi (metri cubi, metri cubi, m3), litri (l) sau mililitri (ml). În plus, oameni destepti instrumente de măsură destul de potrivite pentru aceste scopuri au fost inventate de mult timp. De exemplu: cântare sau alte instrumente.
Caracterul plutitor al parametrului este deosebit de enervant: capacitatea totală de căldură a turbării. „Dispoziția” lui instabilă și schimbătoare. Când „mărimea porției sau doza” se schimbă, capacitatea termică a PEAT se schimbă imediat. Mai multa cantitate turbăra, cantitatea fizică, valoarea absolută a capacității termice a TURBEI - crește. Cu cât cantitatea de combustibil de turbă este mai mică, valoarea capacității termice a turbării scade. Se dovedește a fi un fel de „rușine”! Cu alte cuvinte, ceea ce „avem” nu poate fi în niciun fel considerat o constantă care descrie caracteristicile termofizice ale TURBEI. Și am dori să „avem” un parametru de referință clar, constant, care caracterizează proprietățile termice ale combustibilului de turbă, fără „referințe” la cantitate (greutate, masă de turbă, volum). Ce să fac?
Aici ne vine în ajutor o metodă foarte simplă, dar „foarte științifică”. Se reduce nu numai la prefixul „ud. - specific”, înainte cantitate fizica, ci la o soluție elegantă care presupune excluderea cantității de substanță din considerare. Desigur, parametrii „incomozi, inutile”: masa de turbă sau volumul de TURBĂ nu pot fi excluse deloc. Numai pentru motivul că, dacă nu există nicio cantitate de turbă, atunci „subiectul discuției” în sine nu va rămâne. Dar trebuie să existe substanță. Prin urmare, alegem un standard condiționat pentru masa sau volumul unei turbării, care poate fi considerat o unitate. Pentru greutatea turbei, o astfel de unitate de masă a combustibilului de turbă, convenabilă pentru utilizare practică, sa dovedit a fi de 1 kilogram (kg).
Acum, încălzim un kilogram de TURBĂ cu 1 grad, iar cantitatea de căldură (energie termică) de care avem nevoie pentru a încălzi combustibilul de turbă cu un grad este parametrul nostru fizic corect, care descrie bine, destul de complet și clar una dintre proprietățile termofizice. TURBĂ. Vă rugăm să rețineți că acum avem de-a face cu o descriere a caracteristicilor proprietate fizică substanțele din mlaștină, dar fără a încerca să „ne informeze suplimentar” despre cantitatea acesteia. Confortabil? Nu sunt cuvinte. Este o cu totul altă chestiune. Apropo, acum nu mai vorbim de capacitatea termică totală a combustibilului din turbă. Totul s-a schimbat. ACEASTA ESTE CAPACITATEA DE CĂLDURĂ SPECIFĂ A TURBEI, care uneori este numită cu un alt nume. Cum? Doar CAPACITATEA DE CĂLDURĂ DE MASĂ A TURBEI. Specific (sp.) și masă (m.) - în acest caz: sinonime.
Tabelul 1. Căldura specifică TURBA (sp.). Capacitatea termică de masă a unei turbării. Date de referință pentru combustibilul din turbă.
Turba este cel mai tânăr reprezentant al clasei umede din punct de vedere geologic, deși poate fi clasificată doar condiționat ca fosile solide combustibile. Ușoară condensare a nucleelor aromatice și a lanțurilor periferice ramificate pe scară largă, inclusiv a grupurilor funcționale complexe, sunt motivul capacității termice foarte mari a turbei în comparație cu capacitatea termică a altor humite.
Studiu proprietăți termofizice turba nu a primit încă o dezvoltare adecvată. Se știe doar că pentru turba absolut uscată la temperatura camerei este de 0,47-0,48 kcal/(kg-°C) și depinde slab de tipul de turbă (moor mare, de tranziție, de câmpie) și de gradul de descompunere.
O trăsătură caracteristică a turbei este umiditatea sa extrem de ridicată. Odată cu creșterea umidității, capacitatea de căldură a turbei crește. Deoarece s-a stabilit că cea mai mare parte a apei din turbă (mai mult de 90%) este sub formă nelegată sau slab legată și, prin urmare, capacitatea sa de căldură este aproape de 1 kcal/(kg-°C), capacitatea termică specifică a umed turba poate fi calculată folosind formula
Cy=0,475^1----- + kcal/(kg-°C), (V.1)
Unde Wp este conținutul total de umiditate al turbei, % din masa totală.
Studiul termografic al turbei relevă prezența unui efect endotermic semnificativ, al cărui maxim are loc la o temperatură de 170-190 ° C. La temperaturi peste 250 ° C, transformările termochimice ale turbei au loc odată cu eliberarea de căldură, cel mai vizibilă în intervale de 270-380 ° C și 540-580 ° C. O imagine similară - un maxim endotermic și două sau mai multe minime exotermice - se observă și în procesul de piroliză a lemnului (vezi capitolul XIII), care este pe deplin explicat de genetica apropierea obiectelor.
V. cărbuni bruni
În ciuda faptului că cărbunii bruni sunt energie valoroasă și materii prime tehnologice, proprietățile lor termofizice nu au fost studiate sistematic până de curând.
Datorită structurii moleculare metamorfozate relativ scăzute, în special, a părții nucleare condensate slab dezvoltate și a conținutului ridicat de heteroatomi grei în grupurile periferice, capacitatea termică a cărbunelui brun este semnificativ mai mare decât capacitatea termică a cărbunilor bituminoși chiar și ușor metamorfozați ( vezi Tabelul III.1).
Conform datelor lui E. Rammler și R. Schmidt, pe baza rezultatelor unui studiu pe unsprezece cărbuni bruni, capacitatea medie de căldură specifică a cărbunelui brun pe baza masei uscate și fără cenușă în intervalul 20°C-T(T^ 200°C) poate fi calculată conform formulei
Cy = 0,219+28,32- 10~4(7°+5,93-104G, kcal/(kg-°C), (VI.1)
Td° - randament în rășină, % pe masa organică uscată; T - temperatura, °C.
Analiza influenței incluziunilor minerale și a umidității libere asupra capacității termice a cărbunelui brun a permis autorilor să obțină o dependență generalizată care este valabilă la temperaturi de până la 200°C:
|
|
Unde Ts7r lucrează umiditatea; Ca - conținut de cenușă de cărbune, %.
Deoarece E. Rammler și R. Schmidt au folosit metoda de amestecare pentru a determina capacitatea termică, care, după cum s-a menționat mai sus, necesită timp considerabil pentru a stabiliza temperatura sistemului, desigur, rezultatele pe care le-au obținut diferă oarecum de datele obținute în timpul încălzirii dinamice. .
Deci, de exemplu, din formula (VI.!) rezultă că în intervalul 20-200 ° C capacitatea medie de căldură crește liniar odată cu creșterea temperaturii. Această concluzie contrazice rezultatele obținute de A. A. Agroskin și colegii săi la determinarea capacității termice a unui grup de cărbuni bruni domestici din diverse zăcăminte. Determinările au fost efectuate folosind metoda învelișului diatermic cu probe uscate pre-zdrobite la o dimensiune a particulelor mai mică de 0,25 mm într-un flux continuu de azot purificat la o viteză de încălzire de 10 ° C/min. Rezultatele sunt legate de masa curentă a probei -
Caracteristicile probelor studiate sunt prezentate în tabel.
VI. 1, iar în fig. Figura 26 arată dependența capacității termice efective de temperatură.
Toate curbele din intervalul de temperatură de la 20 la 1000 ° C sunt de natură similară și diferă doar puțin - 96
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperatura, °C
Orez. 26. Dependența de temperatură a capacității termice efective a cărbunelui brun din unele zăcăminte:
1-4 câmpuri, respectiv, Irsha-Borodnnskoye, Berezovskoye, Gusnoozer-
Skoe, Iovo-Dmitrovskoe
Ele sunt separate unele de altele prin valori absolute ale capacității termice. Maximele și minimele observate pe curbe corespund acelorași temperaturi. La 20°C, capacitatea termică efectivă, care coincide cu cea adevărată, variază pentru diferiți cărbuni în intervalul 0,27-0,28 kcal/(kg-°C), ceea ce este în bună concordanță cu rezultatele obținute din formule (VI). . 1) și (VI .2).
Tabelul VI.!
Cursul liniar al capacității termice efective (vezi Fig. 26) are loc numai în intervalul 20-120° C. Odată cu creșterea temperaturii, se observă o creștere mai accentuată a capacității termice, atingând un maxim de 0,47-■ la 200° C.
0,49 kcal/(kg-°C). Acest prim maxim endotermic se datorează eliminării umidității legate și declanșării reacțiilor de piroliză a masei organice, care apar odată cu absorbția căldurii. Al doilea maxim endotermic de 0,42-0,49 kcal/(kg-°C) are loc la o temperatură de aproximativ 550°C, ceea ce indică predominanța reacțiilor endoterme de distrugere a masei organice și de descompunere a unor impurități minerale. Este caracteristic că cele mai mari în valoare absolută sunt endoterme - 7 Zak. 179 97 vârfuri sunt caracteristice cărbunelui din zăcământul Novo-Dmitrovskoye, care diferă de alți cărbuni prin randamentul ridicat de substanțe volatile.
Încălzirea ulterioară la 1000°C duce la o scădere treptată a capacității termice la 0,07-0,23 kcal/(kg-°C) datorită apariției reacțiilor exoterme de formare a unei structuri de cocs.
Compararea curbelor efective de modificare a capacității termice (vezi Fig. 26) cu datele din studiile termografice ale cărbunelui brun relevă, de asemenea, unele discrepanțe. Cea mai semnificativă dintre ele este prezența unei a treia spărturi endotermice în termograme la o temperatură de 700-715° C. Pe curbele SEf(T) (vezi Fig. 26) la temperaturile indicate există o oarecare creștere relativă a capacitatea termică efectivă, care, totuși, nu ar trebui considerată ca efect endotermic, deoarece SEf în acest interval rămâne mai mic decât capacitatea termică reală. Motivul pentru astfel de fluctuații în capacitatea de căldură efectivă, observat, apropo, la mai mult temperaturi mari, constă în natura complexă a formării structurii cocsului.
Capacitatea termică adevărată (de echilibru) a tuturor cărbunilor studiati crește monoton cu creșterea temperaturii (Tabelul VI.2). Valorile mai mici ale capacității reale de căldură a cărbunelui brun din zăcământul Novo-Dmitrovskoe în comparație cu capacitatea de căldură a altor cărbuni se explică prin conținutul ridicat de cenușă.
Efectul termic total [Tabel. (VI.3)] reacțiile de piroliză în conformitate cu formulele (1.13) și (1.14) este determinată de diferența dintre zonele limitate de efectivul și
Tabelul VI.2
|
Capacitatea de căldură adevărată a cărbunelui brun
Notă. Numerator - kJ/"kg K, numitor - kcal/(kg ■ °C). Tabelul U1.3 Efectul termic total al reacțiilor de piroliză a cărbunelui brun în intervalul 20-1000°C la o viteză de încălzire de 10°C/min |
Efectul termic al pirolizei
Camp
Capacitate de căldură adevărată. În acest caz, aria situată sub curba capacității reale de căldură caracterizează exotermicitatea, iar aria de deasupra acestei curbe caracterizează endotermicitatea reacțiilor de piroliză.
Pe măsură ce conversia cărbunelui brun crește, capacitatea termică a acestuia din urmă scade (Fig. 27).
VII. CARBUNI SI ANTRACITI
Acești cărbuni reprezintă o gamă extrem de largă de minerale combustibile solide din punct de vedere al proprietăților fizice și tehnologice, caracterizate prin grade variate, dar relativ ridicate de transformare a materiei prime.
Capacitatea termică a cărbunelui depinde de stadiul metamorfismului (vezi capitolul II1.1), condițiile de îngropare, conținutul de cenușă, umiditatea și o serie de alți factori, a căror influență va fi discutată în capitolul următor.
Această secțiune oferă date de referință privind capacitatea termică reală și efectivă a cărbunilor din unele bazine la temperaturi moderate, precum și în timpul procesului de descompunere termică.
Tabelul prezintă proprietățile termofizice ale turbei și produselor din turbă în funcție de temperatură în intervalul de la -71 la 20°C. Sunt date următoarele proprietăți ale turbei: densitatea aparentă în kg/m 3 , conductivitate termică în W/(m grade) și kcal/(m grade oră) și difuzivitate termică în dimensiuni 10 8 m 2 /s și 10 4 m 2 / ora.
Proprietățile sunt indicate pentru turba zdrobită, turba măcinată, turba măcinată, turba brichetă și plăcile de turbă. Pentru densitate, conductivitatea termică și difuzibilitatea termică sunt date la temperaturi negative. Densitatea turbei poate varia de la 200 la 890 kg/m3. Turba brichetata are o densitate mare, spre deosebire de turba usoara. Densitatea turbei este indicată la presiunea atmosferică.
Conductivitatea termică a turbei variază în intervalul de la 0,06 la 0,45 W/(m grad). Cele mai conductoare termic sunt turba brichetată și plăcile de turbă. Difuzitatea termică a turbei variază de la 12.10 -8 până la 60.10 -8 m 2 /s.
Densitatea și conductibilitatea termică a turbei și plăcilor de turbă
Tabelul prezintă valorile conductivității termice ale turbei și plăcilor de turbă cu densități diferite în funcție de temperatura la 0, 50 și 100°C. Densitatea turbei și plăcilor variază de la 180 la 190 kg/m3. Dimensiunea conductibilității termice în numărător în W/(m grade); la numitor - în kcal/(m·oră·deg). Conform tabelului, se poate observa că atunci când turba și plăcile de turbă sunt încălzite, conductivitatea lor termică crește.
Conductibilitatea termică a așchiilor de turbă
Sunt indicate valorile conductivității termice ale așchiilor de turbă uscată cu diferite densități în vrac la o temperatură de 20°C. Densitatea așchiilor de turbă variază de la 77 la 250 kg/m3. Pe măsură ce densitatea în vrac a firimiturii crește, crește și conductibilitatea termică a acestuia și pentru cea mai densă firimitură poate atinge o valoare de 0,076 W/(m grad).
Capacitatea termică totală a rocii argiloase. Ce este coeficientul „C”: (spec.) capacitatea termică specifică a LUTULUI. Cum diferă aceste tipuri de caracteristici termofizice ale materialului de pământ, de ce este imposibil să te descurci cu un parametru fizic care descrie proprietățile termice ale solului argilos și de ce a fost necesar să se introducă coeficientul „pentru a multiplica entitățile, complicând viața oameni normali"?Nu specifică, dar capacitatea termică totală, în sensul fizic general acceptat, este capacitatea unei substanțe de a se încălzi. Cel puțin așa ne spune orice manual de termofizică – aceasta este definiția clasică a capacității termice (formularea corectă). Aceasta este de fapt o caracteristică fizică interesantă. „Fața monedei” care ne este puțin familiară din viața de zi cu zi. Se pare că atunci când căldura este furnizată din exterior (încălzire, încălzire), nu toate substanțele reacționează în mod egal la căldură (energie termică) și se încălzesc diferit. Capacitatea LUTEI de a primi, accepta, reține și acumula (acumula) energie termică se numește capacitatea de căldură a LUTULUI. Și capacitatea de căldură a materialului argilos în sine este o caracteristică fizică care descrie proprietățile termofizice ale rocii argiloase. În același timp, în diferite aspecte aplicate, în funcție de cazul practic specific, un lucru poate fi important pentru noi. De exemplu: capacitatea unei substanțe de a primi căldură sau capacitatea de a acumula energie termică sau „talentul” de a o reține. Cu toate acestea, în ciuda unor diferențe, în sens fizic, proprietățile de care avem nevoie vor fi descrise de capacitatea termică a materialului argilos.
Un mic, dar foarte „urât” de natură fundamentală este că capacitatea de a se încălzi - capacitatea termică a rocii sedimentare argiloase, este direct legată nu numai de compoziția chimică, structura moleculară a substanței, ci și de cantitatea acesteia ( greutate, masă, volum). Din cauza acestei conexiuni „neplăcute”, capacitatea generală de căldură a materialului argilos devine o caracteristică fizică prea incomodă a substanței. Deoarece un parametru măsurat descrie simultan „două lucruri diferite”. Și anume: caracterizează cu adevărat proprietățile termofizice ale LUTULUI, totuși, „în treacăt” ia în considerare și cantitatea acesteia. Formând un fel de caracteristică integrală în care termofizica „înaltă” și o cantitate „banală” de materie (în cazul nostru: rocă sedimentară) sunt conectate automat.
Ei bine, de ce avem nevoie de asemenea caracteristici termofizice ale rocilor, care arată în mod clar un „psihic inadecvat”? Din punct de vedere al fizicii, capacitatea totală de căldură a solului argilos (în cel mai stângaci mod) încearcă nu numai să descrie cantitatea de energie termică care se poate acumula în rocă, ci și „în treacăt spune-ne” despre cantitatea de LUTĂ. Rezultatul este absurdul și nu o caracteristică termofizică clară, de înțeles, stabilă, corectă a materialului argilos. În loc de o constantă utilă potrivită pentru calculele termofizice practice, suntem „alunecați” într-un parametru plutitor, care este suma (integrala) cantității de căldură primită de argilă și masa acesteia sau volumul rocii sedimentare.
Vă mulțumesc, desigur, pentru acest „entuziasm”, dar pot măsura singur cantitatea de LUT. După ce a primit rezultatele într-o formă mult mai convenabilă, „umană”. Aș dori să nu „extrag” cantitatea de LUT folosind metode și calcule matematice folosind o formulă complexă din capacitatea totală de căldură a LUTULUI, atunci când temperaturi diferite, și aflați greutatea (masa) în grame (g, g), kilograme (kg), tone (t), cuburi (metri cubi, metri cubi, m3), litri (l) sau mililitri (ml). Mai mult, oamenii inteligenți au venit de mult timp cu instrumente de măsurare destul de potrivite pentru aceste scopuri. De exemplu: cântare sau alte instrumente.
Natura plutitoare a parametrului este deosebit de supărătoare: capacitatea totală de căldură a rocii sedimentare. „Dispoziția” lui instabilă și schimbătoare. Când modificați „mărimea porției sau doza”, capacitatea de căldură a LUTULUI la diferite temperaturi se schimbă imediat. Cantitate mai mare de argilă, cantitate fizică, valoarea absolută a capacității termice sol argilos- creste. Cu cât cantitatea de argilă este mai mică, valoarea capacității termice a solului argilos scade. Se dovedește a fi un fel de „rușine”! Cu alte cuvinte, ceea ce „avem” nu poate fi în niciun fel considerat o constantă care descrie caracteristicile termofizice ale LUTULUI la diferite temperaturi. Și am dori să „avem” un coeficient clar, constant, un parametru de referință care caracterizează proprietățile termice ale rocii, fără „referințe” la cantitate (greutate, masă, volum). Ce să fac?
Aici ne vine în ajutor o metodă foarte simplă, dar „foarte științifică”. Se reduce nu numai la prefixul „specific - specific” înaintea unei mărimi fizice, ci la o soluție elegantă care presupune excluderea cantității unei substanțe din considerare. Desigur, este complet imposibil să excludeți parametrii „incomozi, inutile”: masa sau volumul LUTULUI. Numai pentru motivul că, dacă nu există o cantitate de material de lut, atunci „subiectul discuției” în sine nu va rămâne. Dar trebuie să existe substanță. Prin urmare, alegem un standard condiționat pentru masa sau volumul LUTULUI, care poate fi considerat o unitate potrivită pentru determinarea valorii coeficientului „C” de care avem nevoie. Pentru greutatea LUTULUI, o astfel de unitate de masă a rocii sedimentare, convenabilă pentru utilizare practică, sa dovedit a fi de 1 kilogram (kg).
Acum, încălzim un kilogram de LUTĂ cu 1 grad, iar cantitatea de căldură (energie termică) de care avem nevoie pentru a încălzi solul argilos cu un grad este parametrul nostru fizic corect, coeficientul „C”, ei bine, destul de complet și de înțeles descriind unul. a proprietăților termofizice ale LUTULUI la diferite temperaturi. Vă rugăm să rețineți că acum avem de-a face cu o caracteristică care descrie proprietatea fizică a substanței argiloase, dar nu încearcă să ne „informeze suplimentar” despre cantitatea acesteia. Confortabil? Nu sunt cuvinte. Este o cu totul altă chestiune. Apropo, acum nu mai vorbim de capacitatea termică totală a argilei, ca rocă sedimentară. Totul s-a schimbat. ACEASTA ESTE CAPACITATEA DE CĂLDURĂ SPECIFĂ A LUTULUI, care uneori este numită cu un alt nume. Cum? Doar CAPACITATEA DE CĂLDURĂ DE MASĂ A LUTULUI. Specific (sp.) și masă (m.) - în acest caz: sinonime, ele înseamnă aici coeficientul „C” de care avem nevoie.
Tabel 1. Coeficient: capacitatea termică specifică a LUTULUI (spec.). Capacitatea termică de masă a unui material argilos. Date de referință pentru roca sedimentară.