23.3. Влияние различных факторов на теплофизические свойства ТГИ

На абсолютные значения термических коэффициентов существенное влияние оказывают температурные интервалы их определения, степень химической зрелости ТГИ, их зольность, влажность и другие факторы.

Стандартные методы определения теплофизических свойств исследуемых материалов, как было указано выше, проводятся в строго ограниченном интервале температур, в котором образцы ТГИ не претерпевают фазовых или химических превращений. Фазовые переходы и химические реакции сопровождаются поглощением или выделением теплоты, что существенно изменяет значения термических коэффициентов.

Так процессы, сопровождающиеся поглощением теплоты (эндотермическим эффектом), повышают эффективную теплоёмкость образца, а экзотермические процессы, протекающие с выделением теплоты, снижают её. Поэтому следует отличать истинную (равновесную) и эффективную (кажущуюся) теплоёмкости.

Установлено, что истинная удельная теплоёмкость углей при понижении температуры снижается и асимптотически стремится к нулю с приближением к абсолютному нулю температур (рис. 23.4).

Рисунок 23.4. Зависимость истинной удельной теплоёмкости газового угля от температуры

Характер изменения эффективной теплоёмкости ТГИ от темпера­туры значительно отличается от кривой, показанной на рис. 23.4, так как при нагревании торфов, бурых, каменных углей и других видов ТГИ наблюдаются значительные эндо- и экзоэффекты. На рис. 23.5 приведены кривые зависимости средней удельной теплоёмкости углей от температуры [23].

Рисунок 23.5. Зависимость средней удельной теплоёмкости углей от температуры

В температурном интервале 20-250°С наблюдаются практически линейный рост эффективной теплоёмкости от температуры. Поскольку испытывался абсолютно сухой уголь, то эндотермический максимум, обычно наблюдаемый при 100-120°С и обусловленный испарением вла­ги из влажного угля, отсутствует.

При нагревании углей теплопроводность частиц собственно угольного вещества только в небольшой степени определяет величину эффективного коэффициента теплопроводности, который, в первую очередь, является функцией температуры и физической геометрии образца. Величина λ_эф возрастает с температурой пропорционально увеличению разности четвёртых степеней абсолютной температуры.

Кроме того, в процессе нагревания углей пористость их существенно возрастает. Начиная с 500-600°С размеры пор достигают значительной величины и ещё увеличиваются по мере дальнейшего повышения температуры. Это ещё больше увеличивает значения коэффициентов тепло- и температуропроводности.

На рис. 23.6 представлены зависимости теплофизических коэффициентов подмосковного угля от температуры [23]. Для получения сравнимых результатов, отнесённых к одному и тому же объёмному весу, значения а и λ при 105°С пересчитаны к объёмному весу 750 кг/м³.

Рисунок 23.6. Зависимость коэффициентов теплопроводности λ, Вт/м∙град (а) и температуропроводности а, м²/ч (б) углей от температуры

Суммарный тепловой эффект реакций, протекающих в органических и минеральных составляющих ТГИ при нагревании, зависит также от их природы, степени химической зрелости, состава, влажности.

Теплоёмкость ТГИ зависит в основном от значений теплоёмкости углеродной составляющей С_с, минеральных примесей C_i и их состава:

С_р = С_с ? (1 - ∑Х_i) + ∑C_i ? X_i, (23.8)

где X_i – содержание минеральных примесей.

Чистое углеродное вещество имеет несколько более высокую теплоёмкость по сравнению с минеральными примесями.

Изменения состава ТГИ в процессе углефикации отражается на величине теплоёмкости. Исследования Портера и Тейлора показали, что удельная теплоёмкость углей увеличивается с ростом выхода летучих веществ согласно эмпирическому выражению:

С_р = 0,242 ? (1 + 0,008) ? V^d. (23.9)

Влажность также оказывает существенное влияние на теплофизические свойства ТГИ. Удельная теплоёмкость угля в сухом состоянии составляет около 0,3 теплоёмкости воды. Следовательно, чем выше влажность угля, тем больше его удельная теплоёмкость.

Второй эффект связан с относительной теплопроводностью воды и воздуха. Коэффициент теплопроводности воды приблизительно в 25 раз больше теплопроводности воздуха. Следовательно, прибавление воды к сухому топливу должно увеличивать теплопроводность последнего. Присутствие водяной плёнки в местах контакта угольных частиц значительно улучшает тепловой контакт. Вода не только связывает благодаря поверхностному натяжению отдельные частицы топлива друг с другом, но и облегчает переход тепла от одной частицы к другой через тонкую водную плёнку путём теплопроводности вместо передачи конвекционными потоками воздуха и лучеиспусканием.

Теплопроводность сухого торфа незначительно отклоняется от величины 0,113 Вт/(м ·К), однако по мере повышения его влажности она быстро возрастает до 0,3-0,4 Вт/(м·К), поскольку теплопровод­ность воды почти в 25 раз выше теплопроводности находящегося в по­рах торфа и вытесняемого водой воздуха. Коэффициент температуро­проводности сухого торфа колеблется в пределах (10-11)·10^-8 м²/с и в меньшей степени зависит от его влажности.

Коэффициент теплопроводности измельченных образцов воздушно-сухого бурого угля изменяется в пределах 0,1-0,12 Вт/(м·К), а ко­эффициент температуропроводности – в пределах (10-14)·10^-8 м²/с. С увеличением влажности образцов величина этих коэффициентов зна­чительно возрастает.

Тепло- и температуропроводность каменных углей и антрацитов, как правило, выше, чем торфа и бурых углей. Это объясняется возрастанием плотности, повышением степени структурной организованности органической массы углей с ростом их химической зрелости. Большинство исследователей указывает на тенденцию увеличения теплопроводности и температуропроводности с уменьшением выхода летучих веществ из ТГИ (от 0,11 до 0,25 Вт/(м?К) и от 10 до 17 м²/с, соответственно, для длиннопламенных углей и антрацитов).

Тепло- и температуропроводность микрокомпонентов каменных углей не оди­накова. Величина этих коэффициентов выше для витринита и инертинита и ниже для липтинита.

Увеличение зольности ТГИ приводит к возрастанию коэффициентов их тепло- и температуропроводности.

Гранулометрический состав ТГИ также оказывает влияние на их теплофизические свойства. Теплопроводность измельченного угля значительно ниже теплопроводности кусков угля, поскольку в местах контакта отдельных зёрен возникает допол­нительное тепловое сопротивление. При этом теплофизические свой­ства кусковых образцов отличаются в зависимости от направления теплового потока: тепло- и температуропроводность значительно вы­ше в направлении, совпадающем с плоскостями напластования, чем в направлении, перпендикулярном к ним.