Иванов В.И., Радченко Ю.Н., Сапов В.Ф., Моисейко Ю.В.
Запорожская государственная инженерная академия,
Национальная
металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ КОЭФФИЦИЕНТОВ
ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ
В АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ ОГНЕУПОРАХ
Исследованию коэффициентов переноса теплоты для
различных обожженных огнеупорных изделий в зависимости от их
физико-минералогического состава и уровня температуры посвящено достаточно
много работ [1-3]. При этом данные характеристики для полуфабриката огнеупорных
изделий в процессе его обжига изучены для ограниченного количества изделий
[4,5].
Известно, что коэффициенты переноса теплоты для
обжигаемых огнеупорных изделий находятся в тесной взаимосвязи с их
агрегатным состоянием, определяемым кинетикой физико-химических процессов,
протекающих во времени с интенсивностью, зависящей от температурного состояния
их элементарных объемов. Такая взаимосвязь отражается в численных значениях
комплексного показателя переноса теплоты в полуфабрикате огнеупорных
изделий: коэффициента температуропроводности
а.
Авторы исследовали
зависимость коэффициента температуропроводности полуфабриката алюмосиликатных изделий, имеющих форму пластины, от
температуры в процессе его обжига с применением метода, основаного на закономерностях
квазистационарного теплового режима [6]. При этом температуру на
поверхности и оси образцов полуфабриката контролировали при помощи
вольфрам-рениевых термопар типа ВР-5/20 с защитой горячих спаев
инертным газом.
При нахождении значений
коэффициента температуропроводности
использовали
решение одномерного дифференциального уравнения теплопроводности при линейном
изменении температуры на поверхности пластины и начальном параболическом
распределении по ее сечению:
, (1)
где Сн – скорость изменения
температуры на поверхности пластины, град/с; DТ0, DТ – перепад температуры между
поверхностью и осью пластины в начальный и текущий момент времени нагрева, К,
соответственно; S – расчетная толщина пластины, м; Фс(Fo) – функция критерия Фурье для оси пластины.
С целью упрощения расчетной части при определении
указанного коэффициента применяли графо-аналитический
метод [7].
Величину эффективной теплоемкости полуфабриката
изделий сэф рассчитывали по закону аддитивности, учитывающему
его значения для различных компонентов шихты, а также наличие тепловых эффектов
химических реакций, протекающих в объеме полуфабриката при его обжиге [8]:
;
(3)
где 
- средняя
теплоемкость полуфабриката изделий соответствующего минералогического состава в
интервале температур Тн...Тк, кДж/(кг × К); r - плотность полуфабриката, кг/м3; W -
удельная мощность источников (+) и стоков (–) теплоты экзо- и эндотермических
реакций, кДж/м3.
,
(4)
где (
)i - средняя теплоемкость i-го компонента полуфабриката исследуемого изделия в интервале
температур Тн...Тк, кДж/(кг × К); mi - доля i-го компонента в полуфабрикате исследуемого
изделия.
Значения коэффициентов аэф,×cэф, а также коэффициента теплопроводности lэф, полученные расчетным путем с использованием формулы: lэф = аэф×сэф×r, - представлены в таблице.
Значения коэффициентов переноса сырца
алюмосилкатных огнеупоров
|
Показатель |
Температура, °С |
|||||
|
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
1200 |
|
|
аэф 10-6 м2/с |
4,12 |
3,48 |
2,17 |
2,60 |
4,01 |
3,81 |
|
сэф 103 Дж/(кг К) |
0,86 |
0,94 |
1,01 |
1,05 |
1,09 |
1,12 |
|
lэф 10-3
Вт/(м К) |
1,21 |
0,80 |
0,62 |
1,12 |
1,34 |
1,20 |
Как показывает термический анализ связующего
компонента исследуемых изделий, протекание эндотермических реакций
характеризуется интервалом температур 450-660 °С, а экстремальное значение зафиксировано при температуре
540 °С. При более высоких температурах
имеет место область экзотермических реакций, которая распространяется практически
до конечных значений температуры обжига данных изделий и характеризуется рядом
эффектов (в интервале температур 920-970 °С, а также температурах 1195 и 1300 °С).
Однако из-за наличия значительной
разности температур по сечению полуфабриката изделий данного вида (до 150 °С), наблюдаемой при его обжиге, прохождение
вышеуказанных реакций в различных точках изделия характеризуется наличием
взаимного влияния их друг друга, что проявляется в суммарном действии на
эффективные свойства переноса теплоты. Тем не менее, в области низких
температур явно выражено наличие проявления процесса дегидратации каолинита,
который сопровождается значительным поглощением теплоты, а, следовательно,
резким увеличением эффективной теплоемкости, а в области средних температур -
процесса кристаллизации муллита, характеризуемого выделением теплоты и
снижением значений коэффициента теплоемкости.
Литература:
1. Вертинская А.Б. Методы и
приборы для определения теплофизических характеристик неметаллических
материалов / Проблемы строительной теплофизики. - Минск: ИТМО АН БССР, 1965. -
С.15-26.
2. Пустовалов В.В.
Теплопроводность огнеупоров. - М.: Металлургия, 1966. - 84 с.
3. Литовский Е.Я., Пучкелевич
Н.А. Теплофизические свойства огнеупоров. - М.: Металлургия, 1982. - 152 с.
4. Радченко И.И. Определение
коэффициентов температуропроводности и теплопроводности динасового огнеупорного
кирпича в процессе обжига / Труды ДМетИ. - Вып. XXXIII. - 1955. - C.285-191.
5. Харченко И.Г. Иванов В.И.
Баздырев В.С. Теплофизические свойства магнезиальных огнеупоров в процессе их обжига / Металлургия и коксохимия. - 1984. - Вып. 83. - С.5-10.
6. Тайц Н.Ю., Гольдфарб Э.М. К
вопросу определения температуропроводности материалов // Заводская лаборатория.
- 1959. - № 4. - С.314-319.
7. Расчеты нагревательных печей /
Под ред. Н.Ю.Тайца. - Киев: Техніка,
1969. – 540 с.
8. Свойства индивидуальных
веществ / Под ред. Глушко. – М.: АН СССР, 1968. – 342 с.