Polytechnisches Journal - ARNDT, Визначення теплопровідності вогнетривких матеріалів
| Назва: | ARNDT, Визначення теплопровідності вогнетривких матеріалів. |
| Автор: | Анонім |
| Довідково: | 1922, том 337 (с. 185-187) |
| URL-адреса: | http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj337/ar337043 |
Від професора доктора К. Арндт .
Для економічного використання палива важливо знати теплопровідність вогнетривких матеріалів, що оточують котельню. З одного боку, погані теплопровідники необхідні, якщо метою є максимально запобігти витіканню тепла назовні; в інших випадках, навпаки, бажані найкращі можливі теплопровідники, якщо укладена ними речовина буде швидко нагріватися до високої температури ззовні. На жаль, нинішні вимірювання здебільшого поширюються лише на температури до 900 ° або не більше 1000 °, незважаючи на те, що діапазон температур вище цього приблизно до 1600 ° став дуже важливим для сучасних технологій. Далі я хочу дати короткий огляд існуючих робіт, звертаючи особливу увагу на результати, доступні для високовогнетривких матеріалів.
У своїх детальних "Дослідженнях теплопровідності тугоплавких будівельних матеріалів" ("Повідомлення Королівського бюро експертизи матеріалів", том 32, с. 95, 1914) Гейн і Бауер спочатку дають визначення зовнішньої та внутрішньої теплопровідності.
Зовнішня теплопровідність у порівнянні з навколишнім середовищем - це кількість тепла, що витікає за 1 секунду через торцеву поверхню площею 1 квадратний метр при постійній різниці температур 1 ° C. Їх значення визначається не тільки особливим типом твердої речовини, про яке йде мова, але також характером її поверхні та типом та станом руху навколишнього середовища.
Вимірюється внутрішня теплопровідність:
1. Застосування калориметричного методу за Фур'є та Пекле (Ann. De chimie et de physique 1841, p. 107).
2. Процес охолодження та нагрівання: вимірювання на барах у стійкому стані. Якщо спостерігати температуру принаймні 2 поперечних перерізів дуже довгого і дуже тонкого стрижня, який нагрівається при перетині 0, після того, як настає стійкий стан, з цього можна розрахувати відношення зовнішньої та внутрішньої теплопровідності. Для того, щоб значення зовнішньої провідності однакове для стрижнів, виготовлених з різних матеріалів, Відеманн і Франц (Poggend. Ann. Vol. 89, p. 497, 1853) надали стрижням покриття одного виду, виготовлені з лаку, сажі, нікелю або срібла.
3. Методи охолодження та нагрівання: вимірювання на барах поза стійким станом.
а) За методом Ангстрема (Ann. Vol. 24, p. 512, 1861) стрижень поперемінно нагрівається і охолоджується з періодом 24 хв .; температура вимірюється в початковому перерізі та в перерізі приблизно на 10 см від нього.
б) За методом Ф. Неймана (Ann. de chimie et de physique. Т. 66, 1862) тонкий стрижень нагрівають на одному кінці і після того, як температура стає рівною, залишають охолоджуватися. Одночасно вимірюється температура торців. Розрахунок спрощується, якщо одночасно вимірюється температура центру штока.
в) За методом Л. Лоренца (Ann. Vol. 13, p. 422, 1881) дуже тонкий стрижень нагрівається на одному кінці, а потім дається йому охолонути, повітряний простір підтримується постійною температурою. Під час нагрівання та охолодження температуру вимірюють у 8 точках на стрижні.
4. Методи охолодження та нагрівання: вимірювання на кільцях, кулях, кубиках тощо. Кубики використовували, наприклад, Кірхгофф та Гансеманн (Ann. Vol. 9, p. 1, 1880. T. 12, p. 401, 1881).
5. Нагрівання відомими кількостями тепла:
а) Кольрауш, Йегер і Діссельхорст (Wissenschaftl. Abh. d. Phys. Techn. Reichsanst. 1900, p. 273) нагрівали стрижень електрично і підтримували точки подачі при постійній температурі в ваннах. У стаціонарному стані вони вимірювали температуру в 3 точках, рівновіддалених одна від одної, а також градієнт напруги. Таким чином вони визначали залежність між провідністю тепла та електрики.
b) Для ізолюючих матеріалів Ягер та Діссельхорст також визначили теплопровідність у вищезазначеному компонуванні, наприклад, вати, яка розташована між металевим стрижнем та | 186 |, що його оточує двостінна мідна куртка, яка підтримувалась при певній температурі за рахунок течії рідини або пари.
в) Клімент та Єги (Металургійне та хімічне машинобудування, т. 8, с. 414, 1910), які визначали теплопровідність вогнетривких глин при високих температурах, нагрівали зсередини циліндр із зазначеної вогнетривкої глини через котушку з чистого нікелевого дроту. Термопари розташовувались у двох поздовжніх отворах, які знаходились на відстані r 1 та r 2 від осі. Як тільки зазначені ними температури стали постійними (через 3–5 годин), проводили вимірювання.
У своїх власних експериментах Гейн та Бауер використовували метод Клемента у такому розташуванні: одна з головних поверхонь досліджуваного каменю розміщена проти нагрівальної пластини, виготовленої з дуже тугоплавкого матеріалу, який електрично нагрівається піском вугілля як нагрівальний резистор. У тест-камінь, який оточений камінням подібного типу, вбудовано ряд термопар. Після початку нагрівання спостерігається підвищення температури на всіх цих термопарах. З цих спостережень теплопровідність досліджуваного каменю обчислюється не дуже простим способом.
Калориметричний метод, коротко згаданий під 1., насправді простіший. Після нього С. Вологдін (Revue de Metallurgie vol. 6, p. 767, 1909) досліджував теплопровідність деяких вогнетривких матеріалів у Le Chatelier. Він поставив круглу тест-тарілку товщиною 5 см як кришку на газовій духовці та водяний калориметр на тарілці. У пластині просвердлено три отвори, перший - 50 мм, другий - 45 мм, третій - 5 мм.
П. Горенс (звіт про 34-й загальний збір Асоціації німецьких заводів вогнетривких виробів, 1914, с. 92, Ferrum Vol. 12, с. 1 і 17, 1914) значно покращив цю домовленість. Він замінив газове опалення електричним, оскільки тривалий час підтримувати високі температури не можна було газовим опаленням. Крім того, вогнетривкий матеріал змінюється в певний час газом; Після багаторазового нагрівання камені набрякають і всередині них осідає вуглець. В якості електричного обігрівача ereеренс використовував шамотну панель, обмотану хромонікелевим дротом. По-друге, він оточив нижню частину калориметра посудиною, через яку вода текла так само, як калориметр.
Це друге вдосконалення усуває заперечення Гейна щодо калориметричного методу. Це пов’язано з тим, що частина кам’яної поверхні, яка контактує з дном калориметра, сильно охолоджується. Якби решта частини кам'яної поверхні залишалася в контакті з повітрям, тепло віддавало б повільніше, а температура була б вищою. Тоді тепло повинно відходити від більш гарячого краю каменів до центру, де знаходиться охолоджуючий калориметр, і тому тепло, яке поглинається калориметром, було б занадто великим. Ця помилка усувається охолодженням залишкової частини кам'яної поверхні через охолоджуючий посудину, яка точно оточує калориметр.
Горени затиснули чотири нормальні камені з матеріалу, який слід було оглянути в оправі. Для введення термопар в один із чотирьох каменів було вирізано ряд канавок. Мідно-константанові елементи використовувались для вимірювання нижчих температур, а платиново-платиново-родієві - для більш високих температур. Детальнішу інформацію можна знайти за вказаним місцем.
Оскільки коефіцієнт теплопровідності, який вказує кількість тепла в кал. Секунд, що проходить через пластину товщиною 1 см, зовнішні поверхні якої мають різницю температур 1 °, у випадку з вогнетривким матеріалом дуже малий, це призводить до значення K, яке підходить для практики, якщо виміряти кількість тепла W, що виділяється в кг-калоріях (WE) на годину, поверхню F в квадратних метрах і товщину стінки D в м. Тоді K = 360 k.
Геренд виміряв теплопровідність таких каменів:
| матеріал | характер | SiO 2 | Al 2 O 3 | Fe 2 O 3 | СаО | MgO | луг |
| Напівшамот | C II | 73.1 | 22.9 | 1.9 | 0,2 | 0,2 | 1.7 |
| Шамотна | CX 63 | 67,7 | 28.2 | 1.9 | 0,3 | 0,1 | 1.9 |
| Шифер | NS | 53,9 | 40.2 | 1.9 | 0,2 | 0,2 | 1.3 |
| Лія | L I A | 53,0 | 45.3 | 1.2 | доріжка | доріжка | 0,5 |
| Діоксид кремнію | Лютген | 96,0 | 1.8 | 0,7 | 1.5 | - | - |
| Магнезит | Бендорф | 2.7 | 6.5 | 4.5 | - | 86.2 | - |
Для цих матеріалів він також визначив пористість, яка також дає видиму щільність. У наступній таблиці наведені цифри для вищезазначених матеріалів та вуглецевої цегли, що містила 89% С:
матеріал | Поро- ситі | Зовнішній вигляд- голий щільність | Теплопровідність | |||
| 0-100 ° | 400-500 ° | 800-900 ° | 900-1000 ° | |||
| Напівшамот | 30% | 1,83 | 0,79 | 0,88 | 1.05 | - |
| Шамотна | 29% | 1.80 | 0,75 | 0,89 | 1.10 | - |
| Шифер | 31% | 1.81 | 0,78 | 0,97 | 1.15 | 1.18 |
| Лія | 39% | 1,75 | 0,72 | 0,75 | 0,82 | 0,84 |
| Діоксид кремнію | 23% | 1,87 | 1.01 | 1.13 | - | - |
| Магнезит | 34% | 2.34 | - | 3.71 | 3.10 | 2.93 |
| вуглець | 38% | 1.19 | - | 0,92 | 1.26 | 1.36 |
З результатів своїх експериментів ereеренс робить висновок, що коефіцієнт теплопровідності зменшується зі збільшенням пористості і що вогнетривкі матеріали високої щільності є хорошими теплопровідниками. Коефіцієнт теплопровідності зростає із збільшенням температури; він зменшується лише при магнезиті.
Гейн і Бауер виявили на своєму шляху такі значення теплопровідності:
| матеріал | 200 ° | 600 ° | 1000 ° | 1200 ° |
| Шамотна до н | 0,52 | 0,79 | 0,94 | - |
| "4 | 0,41 | 0,50 | 0,77 | - |
| "С | 0,76 | 0,97 | 0,97 | 0,97 |
| Дінас М 1 х | 0,49 | 0,61 | 0,65 | 0,86 |
| Магнезит | 0,40 | 0,43 | 0,50 | - |
| вуглець | 0,43 | - | - | - |
Клемент і Єги самі розглядали глиняні балони, які випікала для них компанія Laclede-Christy Clay Products з Сент-Луїса. Суміш А була темно-червоно-коричневою і не містила піску; їх структура нагадувала пісковик. B також був червонувато-коричневого кольору, але був середньо дрібним і містив дуже мало білого піску. 1 був коричневим, приблизно грубішим за В і містив також мало піску. Нарешті, 3 клас був досить білим, дуже грубим і містив багато піску. Якщо перетворити результати в одиниці, обрані Геренсом, ви отримаєте такі значення:
| матеріал | 350 ° | 400 ° | 500 ° | 600 ° | 700 ° | 800 ° |
| А. | - | - | 0,88 | - | - | 0,94 |
| B. | 0,76 | - | - | 0,79 | - | - |
| 1 | - | 1.30 | - | - | 1.30 | - |
| 2 | - | 0,96 | - | - | 0,96 | - |
Серед інших американських експертів, зокрема, Карл Герінг займався питаннями теплопровідності при високих температурах. Із складеної ним таблиці (Металургійне та хімічне машинобудування Том 9, стор. 15, 1911) я беру такі цифри:
| Цегла назовні | 400-800 ° |
| графіт | 3.66 |
| Карборунд | 3.36 |
| магнезія | 1.03 |
| Хроміт | 0,83 |
| боксит | 0,48 |
| Діоксид кремнію | 0,29 |
| Кізельгур | 0,26 |
Зазначені коефіцієнти теплопровідності знову перетворюються на одиниці, обрані Геренсом, тобто вказують кількість тепла (в WE), яке щогодини проходить на квадратний метр через плиту товщиною 1 м, зовнішні поверхні якої мають різницю температур 1 °. Сам Герінг рекомендує інші одиниці виміру на основі електричних вимірювань тепла, що пройшло через пластину. Він називається тепловим омом - це тепловий опір, який вимагає градієнта температури 1 ° C для теплового потоку 1 Вт. Якщо позначити його R, градієнт температури Т, а тепловий потік у ватах W, отримаємо рівняння на основі закону Ома
Дотримуючись американського звичаю, який описує електропровідність, взаємне значення опору, виміряне в омах, як "Mho", він називає одиницю питомої теплопровідності Thermal Mho; Thermal Mho пропускає 1 Вт теплового потоку, коли градієнт температури становить 1 °. Наприклад, для силікатної цегли тепловий опір стає 119,5, а теплопровідність 0,0084.
Деякі коефіцієнти теплопровідності для високих температур можна знайти в компіляції Ф. Т. Снайдера (Met. Chem. Eng. Vol. 8, p. 629, 1910). Для силікатної цегли, випаленої при 1050 °, ми отримуємо коефіцієнт теплопровідності 0,65 (за нашою мірою) при градієнті 0–1000 °, з іншого боку, для силікатної цегли, випаленої при 1310 °, значення 1,03.
Для інженера-електрика цінні показники теплопровідності є цінними, які Снайдер (op. Cit.) Визначає для вуглецевих електродів та графітових електродів:
| матеріал | 100-400 ° | 100-800 ° | 100-1200 ° | 100-1600 ° |
| Вуглецеві електроди | 30-й | 41 | 43 | 48 |
| Графітові електроди | 166 | 103 | 94 | 86 |
Ван Рінсум (Zeitschr. D. V. German. Ing. 1918, pp. 601 і 639), який електрично нагрівав сферичні зразки зсередини, також не поширював свої експерименти понад 1000 °. Це дає наступні значення:
| матеріал | 200 ° | 600 ° | 1000 ° |
| Діоксид кремнію | 0,56 | 0,88 | 1.19 |
| Дінас | 0,74 | 0,93 | 1.13 |
| Шамотна | 0,51 | 0,60 | 0,82 |
| Магнезит | - | 1.29 | 1.43 |
Йому довелося чекати 14 днів, поки температура зрівняється. Гейн та Бауер, тип вимірювання та результати яких ми обговорювали вище, не чекали постійного стану, але повинні були розрахувати теплопровідність з дисбалансу, специфікації. Ваги та специфікації Знати, як зігріти досліджувані речовини.
Чако справедливо скаржиться (Journ. Gaslight Vol. 62, p. 274, 1919), що цифри теплопровідності є неповними і частково суперечать одне одному, особливо для магнезиту, одного з найважливіших високовогнетривких матеріалів. Сподіваємось, ці прогалини незабаром будуть заповнені німецькими дослідниками. 1)
Х. Крюгер у справі Stahl und Eisen 1918, стор. 1201-1210, дав хороший, а в деяких випадках і широкий огляд відповідної американської літератури.