Определение теплофизических свойств торфа

 

  Термовлагопроводность дисперсных систем является сложным процессом, состоящим из ряда более простых, накладывающихся друг на друга.

  Полный тепловой поток в дисперсном материале является суммой теплопереноса теплопроводностью, конвекцией и излучением.

  При этом тепловые параметры теплопроводности дисперсных систем должны приниматься для такой сложной и многофазной среды не постоянными, а в виде функций температуры, времени и координат. Эти функции должны отражать истинные зависимости между термическими характеристиками, свойствами и состоянием вещества.

  Процессы переноса тепла и влаги в дисперсных системах часто осуществляются одновременно в неразрывной связи. Поэтому они теоретически рассматриваются, как правило, сначала отдельно, затем во взаимосвязи. При изучении процессов тепло- и массообмена применяются два метода исследований: аналитический и экспериментальный. В настоящее время оба получили широкое распространение. Разработана теория процессов тепло- и массопереноса в капиллярно-пористых телах (А.В. Лыков и др.) и торфе (Н.И. Гамаюнов), в основу которых положены принципы термодинамики необратимых процессов, где явления переноса тепла и влаги рассматриваются в их неразрывной связи.

  Система уравнений тепло- и влагопереноса решена для разнообразных условий взаимодействия капиллярно-пористых тел с окружающей средой.   В тео-

рии этих процессов широко используются методы теории подобия.

  В последнее время достигнуты значительные успехи и в области использования методов экспериментальной физики для установления механизма до-статочно сложных явлений в процессах как внутреннего (внутри материала), так и внешнего (взаимодействие тела с окружающей средой) тепло- и массопереноса.

  В работе предусматривается определение теплофизических свойств торфа как наиболее сложной дисперсной системы.

  В торфе перенос тепла и влаги происходит не только из-за напора в жидкости (фильтрация) и электрического потенциала (электроосмос), но и под влиянием многих других градиентов: капиллярного давления (капиллярный осмос), температуры (термоосмос), влагосодержания, расклинивающего давления и др.

  Перечисленные виды переноса влаги имеют место при осушении торфяных залежей и сушке торфа. В той или иной степени они действуют совместно и определяют общую термовлагопроводность торфа, которая оценивается тепло- и водно- физическими коэффициентами. К ним относят: коэффициенты теплопроводности l _о и температуропроводности а_о, удельную теплоемкость с и коэффициент влагопроводности l _в.

     Коэффициент теплопроводности l _о характеризует способность торфа проводить тепло и определяется количеством тепла, проходящего в единицу времени через единицу площади поперечного сечения торфа при единичном градиенте температуры. Значение его колеблется от 0,126 до 0,494 Вт/(м×К) при изменении плотности торфа от 400 до 1050 кг/м³, т.е. l_о растет с повышением плотности, влажности и температуры торфа.

  Коэффициент температуропроводности а_о (м²/с) характеризует инерционные свойства торфа по отношению к внешним тепловым возмущениям, его способность при нагреве или охлаждении выравнивать температуру во всем объеме, иначе говоря, скорость выравнивания температуры в торфе. Он необходим при расчетах нестационарного переноса тепла, и вычисляют его по формуле

а_{о = ,}                                                                                    (1)    

r _ск = = ,                                               (2)

где с – удельная теплоемкость торфа, Дж/(кг×К); r_ск – плотность скелета торфа, кг/м³; U – влагосодержание торфа, кг/кг.

Коэффициент температуропроводности показывает, какое повышение температуры будет у единицы объема торфа, если ему сообщить количество тепла, равное его коэффициенту теплопроводности l_о. Он зависит от таких же факторов, как и l_о.

  Удельная теплоемкость с (Дж/(кг×К)) характеризуется тем количеством тепла, которое необходимо для нагревания на один градус единицы массы торфа. Она зависит от содержания влаги в торфе и определяется по формуле

 ,                         (3)

где с _u – удельная теплоемкость влажного торфа; с_т – удельная теплоемкость сухого торфа, равная 1,96 × 10³ Дж/(кг×К) или 0,47 кал/(г×град); с_в – удельная теплоемкость воды, равная 4,1 × 10³ Дж/(кг×К), или 1,0 кал/(г×град); U – влагосодержание торфа, кг/кг; w – относительная влажность торфа, %.

     Коэффициент влагопроводности l _в (кг×с/м³) характеризует способность торфа к передвижению (миграции) влаги. Его величина зависит от влагосодержания, температуры, плотности торфа, его пористой структуры, потенциала влаги и ряда других факторов и определяется с помощью специальных керамических датчиков, разработанных С.С. Корчуновым.

  Влага в торфе находится и передвигается в виде жидкости и пара. Первый механизм присущ капиллярному и пленочному передвижению воды в торфе, во втором случае происходит диффузия пара. Для того чтобы оценить вклад каждого из названных механизмов в общую влагопроводность торфа, используется критерий фазового превращения ε_ф

ε_ф = ,

где i_n и i_в  – соответственно поток в виде пара и общий поток переносимой воды, кг/м²×с.

  Значения теплофизических коэффициентов дисперсных материалов при-ведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Теплофизические параметры дисперсных материалов

 

№ п/п	Дисперсные материалы	Коэффициенты
		lо, Вт/(м×К)		ао×10^-7, м^2/с	с×10^4, Дж/(кг×К)
		сухой	влагонасыщ.
1	Почва	0,36-2,32	0,7-2,1	2,0-8,0	0,2-0,65
2	Глина	1,4-1.7	1,5-2,0	5,0-7,5	0,07-0,12
3	Песчаники: мелкозернистые среднезернистые крупнозернистые	0,7-2,3	2,8-4,4	4,6-25,0	0,4-1,1
		0,85-2,4	3,2-4,5	3,3-15,0	0,45-1,5
		1,0-2,7	3,3-4,6	4,5-16,0	0,5-1,6
4	Торф	0,126	0,494	1,61-22,9	0,196-0,41

 

  Экспериментально для определения теплофизических свойств торфа чаще всего применяется метод зонда постоянной мощности, разработанный Н.И. Гамаюновым.

Описание установки

  Зонд-нагреватель 1 представляет собой проволочную спираль из сплава ма-

ло изменяющего свое сопротивление при изменении температуры (константан, манганин, нихром).   Спираль наматывается  на фарфоровую трубку диаметром

7-9 мм. Длина зонда должна быть не меньше 20-ти его диаметров (рис. 1).

Рис. 1. Схема установки: 1 – зонд; 2 – электрическая часть;

3 – термометр; 4 – торф; 5 – теплоизоляция

 

  Зонд с помощью проводников соединен с трансформатором ЛАТР, который позволяет устанавливать различный ток в цепи зонда и, следовательно, разный режим нагрева. Для определения тока и напряжения в цепи устанавливаются амперметр и вольтметр. Зонд помещается в сосуд диаметром 20-30 см.

  В основу зондового метода положено явление термовлагопроводности. Если во влажный торф внедрить зонд–нагреватель, то поток тепла постоянной мощности, идущий от зонда, вызовет соответствующее передвижение тепла и влаги внутри материала. Если на некотором расстоянии от зонда–нагревателя поставить керамический датчик влагопотенциометра С.С. Корчунова и измеритель температуры, то по показаниям этих приборов можно судить об изменении потенциала и температуры в данной точке среды. Изменение влажности определяется путем отбора проб в начале и в конце опыта.

  Н.И. Гамаюновым получено решение дифференциальных уравнений переноса тепла и влаги в дисперсных системах применительно к зондовому методу. Для большого времени эксперимента формула для избыточной температуры выглядит так:

D l = .

Здесь D t =[ t (r t) - t _о ] – избыточная температура; t_о – начальная температура; t (r t) - текущее значение температуры в точке r и времени t; g – поток тепла с единицы поверхности зонда–нагревателя в единицу времени, кал./см²с.; R – радиус зонда, см; r – расстояние от оси зонда до рассматриваемой точки, см; d – термоградиентный коэффициент, 1/град.; e – критерий фазового превращения, т.е. отношение потока влаги, переносимого в виде пара, ко всему потоку  влаги;   r  – удельная  теплота  испарения,  определяемая по эмпирической

формуле r = 5 9 5 - 0, 55 t кал/г; а ^¢ – коэффициент потенциалопроводности, см²/с.;

с – постоянная Эйлера, равная 0,5772.

  Если фазового превращения нет, т.е. перенос идет только в одной фазе, т.е. при малых температурах, то e = 0 и уравнение запишется:

D t = ,

или               D t = = + .

Примем                                          = К                                                   (4)

и                                       = В,

тогда                                          D t = К   В.                                               (5)

   Уравнение (5) представляет собой уравнение прямой в координатах Dt=ƒ(lgt) (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость избыточной температуры от логарифма времени

 

   Из графика находят угловой коэффициент прямой: К = .        (6)

  По найденному К определяют теплопроводность l_о.

  Из формулы (4)                .                                               (7)

  Поток тепла с единицы зонда можно найти, если известны значения тока и напряжения. Если измерить тепловую энергию в калориях, то

,                                                  (8)

где J – сила тока в цепи, А; u – напряжение, В; l – длина погруженной в торф части зонда, см.

 

  Из уравнений (7) и (8) найдем

l _o =  , кал./см×град.×с.    (9)

    

Если теперь взять на графике рис. 2 какую-либо точку , то согласно формуле (5)

,                                   (10)

где r в см, τ в с., коэффициент температуропроводности в см²/с.

Значение удельной теплоемкости рассчитывается по формуле (3)

  Значение коэффициента температуропроводности рассчитывается по формуле (1), а плотность скелета торфа по формуле (2).

 

Последовательность выполнения работы

 

1. Внедрить зонд-нагреватель и термометр в образец торфа. Измерить между ними расстояние r.

2. Включить ток в цепи зонда, установить напряжение 15 В и поддерживать его постоянным.

3. Заметить время, снять отсчет по термометру.

4. Снимать показания по термометру через каждые 10 минут.

5. Определить плотность торфа и по начальным значениям влажности рассчитать плотность скелета по формуле (2).

6. Построить график Dt=ƒ(lgt) и рассчитать коэффициент К по формуле (6).

7. Определить теплофизические коэффициенты l_о, с_u, а_о по формулам (9), (3), (1).

8. Результаты опыта свести в табл.2.

 

Характеристика торфа:

 

Начальная влажность w_н=         %;

Начальная плотность r_н=        г/см³.

 

Таблица 2. Результаты опыта

 

№ п/п	t, мин	lgt	Начальная температура t, ^оС	Текущее значение температуры tо, ^оС	Избыточная температура Dt=t-tо	J, А	u, В
1	0
2	10
3	20
4	30
5	40
6	50
7	60

Контрольные вопросы

 

1. Что такое теплопроводность? 

2. От каких физических величин зависят коэффициенты переноса тепла?

3. Коэффициент температуропроводности, его физический смысл, единицы измерения.

4. Сущность метода зонда постоянной мощности. Какие величины можно определить этим методом?

5. Что представляет критерий фазового превращения? Чему он равен при малых температурах?

6. Для чего нужны коэффициенты переноса тепла?

 

Лабораторная работа № 16