Тинькова С.М., Веретнова Т.А. Металлургическая теплотехника

Подождите немного. Документ загружается.

),2(

nVt

−

+=∆

(4.5)

где n - число полуминутных промежутков главного периода;

- среднее полуминутное измерение температуры в начальном перио-

де ( т.е. разность между первым нулевым и последним десятым отсчетами,

деленная на 10);

- среднее полуминутное изменение температуры в конечном периоде

(т.е. разность между первым и последним отсчетами, деленная на 10);

m - число полуминутных промежутков главного периода с быстрым

(более 0.3

С за 30 секунд) подъемом температуры;

r - число остальных промежутков главного периода, т.е. r = n - m.

Определение высшей теплоты сгорания топлива проводится по форму-

ле:

= Q

– 94S

– 0,0015Q

кДж/кг, (4.6)

где 94,0 - теплота образования серной кислоты из двуокиси серы в расчете на

1 % серы, перешедшей при сжигании топлива в калориметрической бомбе в

серную кислоту;

- процентное содержания серы в составе топлива;

0,0015 – коэффициент, учитывающий теплоту образования и растворе-

ния в воде азотной кислоты.

Низшая теплота сгорания определяется по формуле (4.2):

= Q

- 25(W

+ 9Н

), кДж/кг (4.7)

Запись результатов производится в табличном виде

Таблица 4.1

Пример записи результатов и расчета теплоты сгорания топлива

Начальный период Главный период Конечный период

номера полу-

минутных от-

счетов

показания

термометра

в делениях

шкалы

номера полу-

минутных от-

счетов

показания

термометра

в делениях

шкалы

номера полу-

минутных от-

счетов

показания

термометра

в делениях

шкалы

0 1,258 11 1,450 33 3,644

1,259

2,400

3,643

2 1,260 13 2,900 35 3,642

1,261

3,200

3,640

4 1,262 15 3,350 37 3,638

5 1,263 16 3,450 38 3,636

6 1,265 17 3,508 39 3,634

7 1,267 18 3,542 40 3,632

1,268

3,576

3,630

Прололжение таблицы 4.1

Начальный период Главный период Конечный период

9 1,269 20 3,601 42 3,628

1,270

3,6

22 3,625

3,632

24 3,638

25 3,641

3,643

27 3,645

3,645

29 3,645

3,645

31 3,645

32 3,645 = t

Данные для расчета:

Температура воздуха в помещении t = 20,0

Масса воды 1,8 кг

Водяное число калориметра К = 12000 Дж/

Содержание в рабочей массе топлива:

= 1,75 %, W

= 2 %, Н

= 3,5 %

Масса сгоревшего угля М = 1.0882 г

Масса железной проволоки: до опыта 0,0065 г

после опыта 0,0049 г

Масса сгоревшей проволоки: М

= 0,0016 г

Теплота сгорания железной проволоки: Q

= 6690 Дж/г

Масса хлопчатобумажной нити: М

= 0,0040 г

Теплота сгорания нити: Q

= 16748 Дж/г.

Значение градуса для метастатического термометра в интервале 20-25

С (из свидетельства о проверке): Н = 1,001.

Расчеты

1. Поправку на калибр термометра (из свидетельства о проверке) опре-

деляют по графику (рис. 4.3) в зависимости от значений отсчета по шкале

термометра (см. таблицу 4.1), например, при t

= 1,270,

= 0,002, при t

3,645, h

=0,003.

2. Из замеров показаний термометра определяют m = 4, n = 22.

3. По формуле (4.5) определяют Δt:

;0316,0)1824(

)0012,0(0017,0

)0012,0(22

;0017,0

628,3645,3

;0012,0

270,1258,1

=⋅+⋅

−−

+−⋅=∆

−

−=

−

4. Теплота сгорания по бомбе составит:

001122

[()()]

120001,001[(3,6450,003)(1,2700,002)0,031

6]66900,0016167480,0040

1,0882

27904,2 Äæ/ã 27904,2 êÄæ/êã

KHththtQMQM











5. Далее рассчитывают высшую теплоту сгорания

= Q

– 94S

– 0,0015Q

= 27904 - 94 ·1,75 – 0,0015 27904,2 = 27697,8 кДж/кг

6. Определяют низшую теплоту сгорания

= Q

- 25(W

+ 9Н

)

= 27697,8 – 25(2 + 9·3,5) = 26860,3 кДж/кг = 26,68 МДж/кг

По окончании работы делают выводы.

Поправка на калибр термометра

Рис. 4.3 Поправка на калибр термометра

1 – поправка на калибр по удостоверению о проверке;

2 – поправка на калибр для калориметрического испытания, приведен-

ного в примере

Контрольные вопросы

1.Что называется высшей теплотой сгорания топлива?

2.Что называется низшей теплотой сгорания топлива?

3.Какие существуют методы определения теплоты сгорания топлива?

4.В чем сущность экспериментального метода определения теплоты

сгорания топлива?

5.В чем отличие теплоты сгорания по бомбе от Q

вр

, Q

нр

6.Какое влияние на теплоту сгорания оказывает влага, содержащаяся в

топливе?

7.От чего зависит теплота сгорания различных видов топлива?

Лабораторная работа 5

Определение коэффициентов теплопроводности огнеупорных

материалов

Цель работы: ознакомление с аппаратурой и определение коэффици-

ентов теплопроводности огнеупорных изделий по методу стационарного теп-

лового потока.

Краткие теоретические сведения.

Методы определения теплопроводности в зависимости от используемо-

го теплового режима делятся на две группы: со стационарным и нестацио-

нарным тепловым режимом.

Согласно основному закону стационарной теплопроводности (уравне-

ние Фурье), тепловой поток пропорционален градиенту температуры:

∂

−= λ

, (5.1)

где Q - тепловой поток, Вт; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

∂

- градиент температуры по толщине стенки, К/м; F – площадь изотер-

мической поверхности, м

Рассматривая передачу теплоты теплопроводностью через однородную

плоскую стенку толщиной δ при стационарном тепловом режиме при гра-

ничных условиях 1 рода (на наружных поверхностях стенки поддерживаются

постоянными температуры t

и t

), из уравнения (5.1) получим

FttQ )(

−=

. (5.2)

Если в уравнении (5.2) принять, что δ = 1 м; t

- t

= 1 °С; F = 1 м

, то Q

= λ, т.е. коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты,

которое проходит в единицу времени через стенку площадью 1 м

и толщи-

ной 1 м при разности температур на поверхностях 1°С. Этот коэффициент

является физическим параметром вещества, характеризует его способность

проводить теплоту, зависит от структуры тела и его температуры.

Определение коэффициента теплопроводности огнеупоров по методу

стационарного теплового потока производится следующим образом.

Нормальный огнеупорный кирпич устанавливают на калориметр с про-

точной водой (рис. 5.1). Тепловой поток Q, полученный верхней поверхно-

стью кирпича излучением от карборундовых нагревателей и свободной кон-

векцией от нагретого в печи воздуха, передается теплопроводностью внутрь

кирпича на толщину δ. Далее он воспринимается водой через поверхность

калориметра F. При достижении стационарного теплового режима, соответ-

ствующего t

= const; t

= const; Q = const, производят расчет коэффициента

теплопроводности по преобразованной формуле

Ftt

)(

−

⋅

, (5.3)

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); Q - тепловой поток, пере-

данный через кирпич воде калориметра, Вт; δ - толщина кирпича, м; F - пло-

щадь калориметра, м

; t

- температура верхней и нижней поверхности

кирпича, соответственно, °С.

Тепловой поток Q рассчитывают по формуле

Q = g·c·(t

вых

- t

вх

), (5.4)

где g - расход воды, кг/с; с - теплоемкость воды, Дж/(кг·К); t

вых

, t

вх

соответственно, температура воды на выходе и входе в калориметр, °С.

Один эксперимент по нагреву при заданной температуре печи позволя-

ет определить одно значение λ при средней по толщине образца температуре

Описание установки.

Установка для определения коэффициента теплопроводности (рис.5.1)

состоит из двух составных частей: печи 1 с карборундовыми нагревателями 4

и водяного калориметра 6 с охранным кольцом. Печь, подвешенная на блоках

с противовесом, может перемещаться в вертикальном направлении. Кожух

печи футерован огнеупорным 3 и теплоизоляционным 2 материалом. В огне-

упорной кладке расположены карборундовые нагреватели. Питание печи

производится от трансформатора 12, присоединенного к питающей сети на-

пряжением в 220 В. В нижней части установки смонтирован водяной кало-

риметр размером 87x215 мм с охранным кольцом.

Рис. 5.1. Схема установки для определения коэффициентов

теплопроводности огнеупоров

1 - электропечь; 2 - теплоизоляционный слой; 3 - огнеупорный слой;

4 - карборундовые нагреватели; 5 -испытуемый образец; 6 - водяной

калориметр; 7 - термометры; 8 - мерный сосуд; 9 - термопары;

10 - переключатель; 11 -показывающий милливольтметр;

12 -трансформатор; 13- регулирующий потенциометр.

Калориметр выполнен в виде полой плиты с перегородками внутри.

Охранное кольцо установлено для создания большей равномерности тепло-

вого потока в кирпиче. Испытуемый образец - нормальный кирпич, кладут

сверху на калориметр.

Температуру верхней и нижней поверхности кирпича измеряют с по-

мощью хромель-алюмелевых термопар 9 и милливольтметра. Термопары со-

единены с милливольтметром 11 переключателем 10.

Температуру входящей и выходящей из калориметра воды измеряют с

помощью термометров 7. Регулирование заданной температуры в печи осу-

ществляют с помощью автоматического потенциометра 13.

Порядок выполнения работы

1. Печь опускают до плотного соприкосновения с нижней частью уста-

новки.

2. Производят заполнение водой калориметра и охранного кольца. Вода

из напорного бочка, предназначенного для выравнивания давления в водона-

порной сети, проходит через калориметр, затем через охранное кольцо и по-

ступает на слив. Количество воды, протекающей через калориметр, опреде-

ляют путем контрольного наполнения мерного сосуда за минуту. Расход во-

ды устанавливают в пределах 0,6-0,8 л/мин.

3. По достижении заданного расхода воды включают печь в сеть элек-

трического тока и постепенным повышением напряжения на 10-15 В через

каждые 10-20 мин разогревают до заданной температуры (задают три режима

нагрева печи).

4. Для соблюдения условий стационарности снятие необходимых пока-

заний по каждому режиму производят через определенные промежутки вре-

мени, указанные в табл. 5.1.

5. Все показания приборов и расход воды по каждому режиму записы-

вают в табл. 5.1.

6. Заполняют таблицу обработки экспериментальных данных (табл.

5.2).

7. Для каждого режима рассчитывают коэффициент теплопроводности,

определяют среднюю температуру кирпича t

ср

, исходя из t

по формуле (5.3)

для испытуемого материала вычисляют λ

лит

8. Результаты эксперимента представляют графически.

9. В координатах λ - t

ср

строят температурные зависимости коэффици-

ента теплопроводности, полученные опытным и расчетным путем.

10. На том же графике наносят температурные зависимости коэффици-

ентов теплопроводности для других огнеупорных материалов (по указанию

преподавателя) с различной пористостью (см. прил.1).

11. Анализируют результаты работы. Проводят сравнительную оценку

значений коэффициентов теплопроводности испытуемого огнеупора, полу-

ченных опытным путем и по литературным данным (см. прил.1).

Таблица 5.1

Результаты измерений

Номер

жи

Темпера-

тура

Номер

изме

е-

Температура, °С

Расход

ды

Режим

поверхности образца воды

верхней

нижней

на

входе, t

вх

на

выходе, t

вых

1 1

Нестационар-

ный

3 Стационарный

2 1

Нестационар-

ный

3 Стационарный

3 1

Нестационар-

ный

3 Стационарный

Примечание. Материал огнеупора: (указать). Толщина огнеупора δ =

0,065 м. Площадь калориметра F = 0,0187 м

. Теплоемкость воды с = 4187

Дж/(кг·К).

Таблица 5.2

Результаты обработки экспериментальных данных

Показатель Расчетная формула* Значения величин в режимах

1 2 3

g, кг/с g = g

/60

Q, Вт Q = g·c·(t

вых

- t

вх

)

λ, Вт/(м·К) λ = Q·δ/( t

– t

)·F

ср

, °С t

ср

= 0,5( t

+ t

)

теор

, Вт/(м·К) λ

теор

= а ± bt

ср

В расчет берут данные стационарного режима

Теоретическое значение коэффициента теплопроводности λ

теор

данного

материала рассчитывают по уравнению для коэффициента теплопроводно-

сти, взятому из прил.1

Сравнивают значения λ, полученные опытным и теоретическим путем,

их температурные зависимости для различных огнеупорных материалов. От-

мечают влияние пористости (объемной массы) и структуры материала на

значение λ.

Общим источником ошибок в любом определении является степень

точности отдельных измерений.

Относительную максимальную погрешность экспериментального оп-

ределения λ рассчитывают по формуле

λε

)()()()(

)(

∆

′

∆

водыпов

где δ(∆t) - погрешность измерения разности температур поверхности, равна

10 °С;

δ (∆t)' - погрешность измерения разности температур воды, равна 0,05

°С;

δ (∆δ) - погрешность измерения линейных размеров, равна 0,5 мм;

∆t

пов

= t

- t

;

∆t

воды

= t

вх

– t

вых

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется теплопроводностью? Чем она характеризуется?

2. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности?

3. Какой режим называется стационарным?

4. От чего зависит теплопроводность материалов?

5. Какой вид имеет температурная зависимость коэффициента тепло-

проводности огнеупора? Что означает первое слагаемое в этом уравнении?

6. Какую размерность имеет коэффициент теплопроводности?

Приложение 1

Теплофизические характеристики огнеупорных и теплоизоляционных

материалов.

Наименование ма-

териалов

Плотность ρ,

кг/м

Удельная теплоем-

кость c,

Дж/(кг К)

Коэффициент теплопро-

водности λ,

Вт/(м К)

Строительный

(красный) кирпич

1400 ÷ 1600 0,92

0,814 + 0,465 10

-3

Шамотный кирпич 1800 ÷ 1900

0,879 + 0,23 10

-3

t 0,837 + 0,582 10

-3

Динасовый кирпич 1900 ÷ 1950

0,837 + 0,251 10

-3

t 0,930 + 0,698 10

-3

Магнезитовый кир-

пич

2600 ÷ 2800

1,047 + 0,293 10

-3

t 4,650 – 1,745 10

-3

Термостойкий хро-

момагнезитовый

кирпич

2750 ÷ 2850 -

4,070 – 1,105 10

-3

Диатомитовый

кирпич

600 0,92

0,145 + 0,3 10

-3

Корундовые (алун-

довые) изделия

2600 ÷ 2900

0,795 + 0,419 10

-3

t 2,090 + 1,861 10

-3

Графитовые изде-

лия

1600 1,256

162,7 – 40,7 10

-3

Пеношамот 950

0,867 + 0,42 10

-3

t 0,279 + 0,233 10

-3

Пеношамот 600

0,867 + 0,42 10

-3

t 0,1047 + 0,1454 10

-3

Динасовый пено-

легковес

1200 -

0,547 + 0,299 10

-3

Примечание: в расчетные выражения для с и λ температуру t подстав-

лять в ˚С

Приложение 2

Физические параметры сухого воздуха при давлении 101,3 кПа

ρ,

кг/м

с, 10

Дж/(м

К)

λ, 10

-2

Вт/(мК)

а, 10

-6

/с

ν , 10

-6

/с

0 1,293 1,300 2,44 18,8 13,28 0,707

10 1,247 1,301 2,51 20,0 4,16 0,705

20 1,205 1,301 2,59 21,4 15,06 0,703

30 1,165 1,301 2,67 22,9 16,00 0,701

40 1,128 1,301 2,76 24,3 16,96 0,699

50 1,093 1,301 2,83 25,7 17,95 0,698

60 1,060 1,301 2,90 27,2 18,97 0,696

ρ,

кг/м

с, 10

Дж/(м

К)

λ, 10

Вт/(мК)

а, 10

/с

ν , 10

/с

70 1,029 1,301 2,96 28,6 20,02 0,694

80 1,000 1,302 3,05 30,2 21,09 0,692

90 0,972 1,303 3,13 31,9 22,10 0,690

100 0,946 1,303 3,21 33,6 23,13 0,688

120 0,898 1,303 3,34 36,8 25,45 0,686

140 0,854 1,303 3,49 40,3 27,80 0,684

160 0,815 1,304 3,64 43,9 30,09 0,682

180 0,779 1,304 3,78 47,5 32,49 0,681

200 0,746 1,310 3,93 51,4 34,85 0,680

250 0,674 1,312 4,27 61,0 40,61 0,677

300 0,615 1,318 4,60 71,6 48,33 0,674

350 0,566 1,323 4,91 81,9 55,46 0,676

400 0,524 1,330 5,21 93,1 63,09 0,678

500 0,456 1,344 5,74 115,3 79,38 0,687

600 0,404 1,358 6,22 138,3 96,89 0,699