Теплоємність вугілля
Теплоємність вугілля – важлива характеристична величина різних процесів термічної переробки вугілля. Труднощі експериментального визначення теплоємності вугілля, особливо в процесі нагрівання, заважали отриманню достовірних значень. Завдання цієї роботи полягає в оцінці різних даних по теплоємності вугілля та виборі найбільш надійних з них для використання в різних хіміко-технологічних розрахунках.
Методи визначення теплоємності вугілля та коксу
де Кс-константа калориметра, що залежить від теплопровідності та розмірів оболонки; h-константа калориметра залежить від теплоємності оболонки. Останнім часом нами розвинений та застосований цей метод для визначення теплоємності вугілля в процесі нагрівання.
Вплив виходу летких речовин
Відповідно до теоретичних передумов, питома теплоємність вугілля має збільшуватися зі зростанням виходу летких речовин. Це легко зрозуміти, якщо врахувати, що водень і вуглеводні мають відносно більшу теплоємність, ніж графіт. Наприклад, для водню з=2,178, для ацетилену 1,632, метану 2,178 кдж/кг•град. У той самий час теплоємність графіту менше 0,836. Фріц і Мозер [1] визначили в калориметричній установці середню питому теплоємність 40 проб німецького вугілля. Температура оболонки калориметра підтримувалася з постійною точністю до 0,0001° за допомогою рідинного термостата з регулятором температури. Проби вугілля випробовували з шахтною вологою (0,5-1,0%), яку надалі вводили поправку. У деяких випадках вимірювали питому теплоємність сухого вугілля, і введення поправки відпадала. Залежність середньої питомої теплоємності від виходу летких можна вважати лінійною, причому ця залежність виражається рівнянням
Якщо питома теплоємністьуявити як функцію вмісту водню в органічній масі вугілля, можна вважати, що розкиданість точок буде меншою. Представляє інтерес обробка даних експерименту, при якому питома теплоємність представлена як функція відношення вуглецю до водню в органічній масі; мабуть, у разі вийде назад пропорційна залежність. Залежність середньої теплоємності горючої маси вугілля від виходу летких речовин, за даними В.А.Холлер [4], також може бути представлена в лінійному вигляді:
Залежність теплоємності від температури
Фріц і Мозер [1] для деяких типових проб вугілля визначали залежність питомої теплоємності від температури не більше 70—250° З. На рис. 1 графічно представлені результати їхніх дослідів. Прямі лінії виражають середню залежність теплоємності від температури. Відхилення експериментальних точок від середніх значень зазвичай не перевищують 3%. У дослідженому температурному інтервалі залежність теплоємності від температури можна вважати лінійною. Наскільки нам відомо, теплоємність вугілля для температур вище 300° С експериментально не визначали, проте її можна підрахувати за значеннями коефіцієнтів теплопровідності та температуропровідності. Природно, що одержувані таким шляхом величини теплоємності менш точні, ніж обумовлені безпосередньо з досвіду. Величини теплоємності, визначені В. В. Помаранцевим [5] розрахунковим шляхом за значеннями а і X, наводяться в табл. 1.
Таблиця 1
| Температура, °С | Теплоємність, кДж/кг•град | |||
| Д | Ж | Т | А | |
| 20 | 1,380 | 1,380 | 1,255 | 1,046 |
| 300 | 1,340 | 1,380 | 1,215 | 1,046 |
| 500 | 1,171 | 1,255 | - | 1,046 |
| 700 | 1,046 | 1,171 | 1,005 | 0,963 |
| 900 | 0,963 | 0,920 | - | 0,920 |
| 1100 | 0,880 | 0,880 | 0,920 | 0,880 |
Автором не було детально досліджено зміну теплових констант у температурному інтервалі 0-300° С, тому в отриманих результатах не враховано збільшення теплоємності з температурою в цьому інтервалі. Теоретично цілком закономірно, що в міру підвищення температури обробки розбіжність у величині теплоємності для різних вугілля дедалі більше зменшується. Водночас абсолютне значення теплоємності поступово зменшується до величини 0,816 кДж/кг/град. На основі аналізу всіх вищенаведених даних можна визначити загальний вигляд залежності середньої питомої теплоємності від температури [6]. В інтервалі від 0 до 250-300° З залежність питомої теплоємності від температури може бути представлена рівнянням прямої, або точніше, наступним виразом: де А - константа, що становить для різних марок вугілля від 0,218 до 0,295. Наприклад, для жирного вугілля (VС=26%) А=0,253; для худих вугілля (VС=9%) А=0,218; для кеннельського вугілля (VС=50%) А=0,295. Таким чином, теоретичний аналіз та обробка експериментальних даних дозволили встановити закономірність зміни теплоємності вугілля з температурою.
Вплив зольності на теплоємність вугілля
Вплив вологості на теплоємність вугілля
Узагальнення залежності теплоємності вугілля від різних факторів
Починаючи з 350-400°, зміна теплоємності з температурою може бути з достатнім наближенням визначено за кривими рис. 2.
Скориставшись рівнянням та залежністю між істинною тасередньою теплоємністю, визначимо зміну істинної питомої теплоємності вугілля в температурному інтервалі від 20 до 250°С [1]: На основі рівняння можна підрахувати температурний коефіцієнт істинної питомої теплоємності при 20° С: Скориставшись рівняннями можна також підрахувати від середньої питомої теплоємності вугілля С(24-100) до справжньої питомої теплоємності його при 300С: С(30)=0,917С(24-100) Серед запропонованого ряду емпіричних рівнянь для визначення залежності теплоємності вугілля від температури рівня , Виведене Л. І. Гладковим і А. Н. Лебедєвим, видається найбільш надійним. Воно може бути перевірено на основі пізніших даних Вельтнера [9], а також Бачелера, Яворського та Горіна [10]. Дані Вельтнер для деяких угорських вугілля та розрахункові значення за рівнянням (9) представлені в табл. 2.
Таблиця 2
| Вугілля | Зола Аc, % | Вихід летких Vc, % | Середня температура °С | Питома теплоємність, кДж/кг•град | |
| Спостерігалася | Розрахункова | ||||
| I | 23,30 | 56,6 | 61,9 | 1,171 | 1,192 |
| 130,5 | 1,215 | 1,340 | |||
| 181,6 | 1,422 | 1,465 | |||
| II | 18,44 | 22,8 | 58,7 | 1,151 | 1,025 |
| 109,6 | 1,192 | 1,090 | |||
| 164,7 | 1,410 | 1,151 | |||
| III | 15,80 | 32,1 | 57,3 | 1,151 | 1,090 |
| 126,7 | 1,192 | 1,192 | |||
| IV | 18,30 | 26,7 | 59,0 | 1,046 | 1,046 |
| 115,7 | 1,130 | 1,130 | |||
| V | 9,73 | 4,70 | 57,3 | 1,255 | 1,215 |
| 127,0 | 1,276 | 1,360 | |||
| VI | 8,55 | 31,0 | 58,6 | 1,151 | 1,110 |
| 120,1 | 1,255 | 1,214 |
Таблиця 3
| Випробуваний матеріал | Температура °С | Питома теплоємність,кДж/кг•град | ||
| межі | середня | що спостерігалася | розрахункова | |
| Вугілля | 25-250 | 137,5 | 1,380 | 1,340 |
| 25-300 | 162,5 | 1,465 | 1,381 | |
| 25-350 | 187,5 | 4,550 | 1,445 | |
| 25-400 | 212,7 | 1,635 | 1,485 | |
| 25-425 | 225,0 | 1,715 | 1,506 | |
| Напівкокс | 25-300 | 162,5 | 1,130 | 1,110 |
| 25-400 | 212,5 | 1,275 | 1,150 | |
| 25-450 | 237,5 | 1,340 | 1,171 | |
| 25-500 | 262,5 | 1,422 | 1,194 |
Теплоємність вугілля при температурі розкладання
Якщо вугілля розкладається за температури вимірювання, слід розрізняти справжню та ефективну теплоємність. Різниця між цими двома величинами дорівнює dq/dt кдж/кг•град, де dq - тепло, виділене або поглинене в реакціях розкладання, що протікають при підвищенні температури на dt. Тому, хоча справжня теплоємність плавно змінюється з температурою, практично можна виявити значні коливання її в інтервалі від 350 до 500 ° С. За відсутності реакцій розкладання вугілля крива залежності питомої теплоємності від температури має тенденцію випрямлятися з підвищенням температури, подібно до того, як це має місце для коксу.