Jurnalul Politehnicii - ARNDT, Determinarea conductivității termice a materialelor refractare
| Titlu: | ARNDT, Determinarea conductivității termice a materialelor refractare. |
| Autor: | Anonim |
| Referinţă: | 1922, volumul 337 (pp. 185-187) |
| Adresa URL: | http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj337/ar337043 |
De la prof. Dr. K. Arndt .
Pentru a utiliza combustibil economic, este important să cunoașteți conductivitatea termică a materialelor refractare care înconjoară camera cazanului. Pe de o parte, conductorii de căldură slabi sunt necesari dacă scopul este de a preveni căldura să curgă în exterior cât mai mult posibil; în alte cazuri, dimpotrivă, se doresc cei mai buni conductori de căldură posibili dacă substanța închisă de aceștia trebuie încălzită rapid la o temperatură ridicată din exterior. Din păcate, măsurătorile actuale au fost extinse în majoritate doar la temperaturi de până la 900 ° sau cel mult 1000 °, în ciuda faptului că intervalul de temperatură de peste 1600 ° a devenit foarte important pentru tehnologia actuală. În cele ce urmează vreau să ofer o scurtă prezentare generală a lucrărilor existente, acordând o atenție deosebită rezultatelor disponibile pentru materialele foarte refractare.
În detaliile lor „Investigații privind conductivitatea termică a materialelor de construcție refractare” (Comunicări ale Royal Material Examination Office, Vol. 32, p. 95, 1914) Heyn și Bauer dau mai întâi o definiție a conductivității termice externe și interne.
Conductivitatea termică externă în comparație cu mediul înconjurător este cantitatea de căldură care curge în 1 secundă prin suprafața finală de 1 metru pătrat cu o diferență constantă de temperatură de 1 ° C. Valoarea lor este determinată nu numai de tipul special de material solid în cauză, ci și de natura suprafeței sale, de tipul și starea de mișcare a mediului înconjurător.
Conductivitatea termică internă este măsurată:
1. Folosind o metodă calorimetrică în conformitate cu Fourier și Peclet (Ann. De chimie et de physique 1841, p. 107).
2. Proces de răcire și încălzire: măsurare pe bare în regim stabil. Dacă se observă temperatura a cel puțin 2 secțiuni transversale ale unei tije foarte lungi și foarte subțiri, care este încălzită la secțiunea 0, după ce s-a produs starea de echilibru, raportul dintre conductivitatea termică externă și cea internă poate fi calculat din aceasta. Pentru a face ca valoarea conductivității externe să fie aceeași pentru tijele realizate din materiale diferite, Wiedemann și Franz (Poggend. Ann. Vol. 89, p. 497, 1853) au acordat tijelor acoperiri de același tip, din lac, negru de fum, nichel sau argint.
3. Metode de răcire și încălzire: măsurători pe bare în afara stării de echilibru.
a) Conform metodei Angstrom (Ann. Vol. 24, p. 512, 1861), tija este încălzită alternativ și răcită cu o perioadă de 24 de minute; temperatura este măsurată în secțiunea transversală inițială și într-o secțiune transversală la aproximativ 10 cm distanță de aceasta.
b) Conform metodei lui F. Neumann (Ann. de chimie et de physique. Vol. 66, 1862), o tijă subțire este încălzită la un capăt și, după ce temperatura a devenit egală, se lasă să se răcească. Temperatura capetelor este măsurată în același timp. Calculul este simplificat dacă temperatura centrului tijei este măsurată în același timp.
c) Conform unei metode a lui L. Lorenz (Ann. Vol. 13, p. 422, 1881) o tijă foarte subțire este încălzită la un capăt și apoi lăsată să se răcească, spațiul de aer fiind menținut la o temperatură constantă. În timpul încălzirii și răcirii, temperatura este măsurată la 8 puncte pe tijă.
4. Metode de răcire și încălzire: măsurători pe inele, bile, cuburi etc. Cuburile au fost de ex. folosit de Kirchhoff și Hansemann (Ann. Vol. 9, p. 1, 1880. Vol. 12, p. 401, 1881).
5. Încălzirea prin cantități cunoscute de căldură:
a) Kohlrausch, Jaeger și Diesselhorst (Wissenschaftl. Abh. d. Phys. Techn. Reichsanst. 1900, p. 273) au încălzit electric o tijă și au menținut punctele de alimentare la o temperatură constantă prin băi. În starea de echilibru, au măsurat temperatura în 3 puncte la fel de îndepărtate, precum și gradientul de tensiune. În acest fel, au determinat relația dintre conductivitățile pentru căldură și electricitate.
b) Pentru materialele izolante, Jaeger și Diesselhorst au determinat, de asemenea, conductivitatea termică în aranjamentul de mai sus, de ex. vata, care se află între tija metalică și | 186 | sacou de cupru cu pereți dubli, care a fost menținut la o anumită temperatură prin curgerea lichidului sau a aburului.
c) Clement și Egy (Ingineria metalurgică și chimică, Vol. 8, p. 414, 1910), care au determinat conductivitatea termică a argilelor refractare la temperaturi ridicate, a încălzit din interior un cilindru din lutul refractar în cauză, din interior, printr-o bobină din sârmă de nichel pur. Termocuplurile au fost localizate în două găuri longitudinale care erau r 1 și r 2 distanță de axă. De îndată ce temperaturile indicate de acestea au devenit constante (după 3-5 ore), au fost luate măsurători.
În propriile experimente, Heyn și Bauer au folosit metoda lui Clement în următoarea dispunere: Una dintre suprafețele capului pietrei de testare este așezată pe o placă de încălzire realizată dintr-un material foarte refractar, care este încălzită electric de granulele de cărbune ca rezistență de încălzire. Un număr de termocupluri sunt încorporate în piatra de încercare, care este înconjurată de pietre de tip similar. După începerea încălzirii, creșterea temperaturii este observată la toate aceste termocupluri. Din aceste observații, conductivitatea termică a pietrei de testare este calculată într-un mod nu foarte simplu.
Metoda calorimetrică menționată pe scurt la punctul 1. este de fapt mai simplă. După el, S. Wologdine (Revue de Metallurgie vol. 6, p. 767, 1909) a examinat conductivitatea termică a unor materiale refractare la Le Chatelier. El a pus placa rotundă de 5 cm grosime ca un capac pe un cuptor cu gaz și un calorimetru cu apă pe placă. Au fost găsite trei găuri în placă, primul 50 mm, al doilea 45 mm și al treilea adâncime de 5 mm.
P. Goerens (raport cu privire la a 34-a adunare generală a Asociației fabricilor germane pentru produse refractare, 1914, p. 92, Ferrum Vol. 12, pp. 1 și 17, 1914) a îmbunătățit considerabil acest aranjament. El a înlocuit încălzirea cu gaz cu încălzirea electrică, deoarece nu a fost posibil să se mențină temperaturi ridicate constante pentru perioade lungi de timp cu încălzirea cu gaz. În plus, materialul refractar este schimbat într-un mod particular în timp de gaz; După încălzirea repetată, pietrele se umflă și carbonul se depune în interiorul lor. Goerens a folosit un panou de argilă înfășurat cu sârmă de crom-nichel ca încălzitor electric. În al doilea rând, a înconjurat partea inferioară a calorimetrului cu un vas prin care apa curgea în același mod ca și calorimetrul.
Această a doua îmbunătățire elimină obiecțiile de la Heyn față de metoda calorimetrică. Acest lucru se datorează faptului că partea din suprafața de piatră care este în contact cu fundul calorimetrului este foarte răcită. Dacă partea rămasă a suprafeței de piatră ar fi lăsată în contact cu aerul, căldura ar fi degajată mai încet și temperatura ar fi mai mare. Căldura ar trebui apoi să curgă de la marginea mai fierbinte a pietrelor spre centru, unde se află calorimetrul de răcire și, prin urmare, căldura absorbită de calorimetru ar fi prea mare. Această eroare este eliminată prin răcirea părții rămase a suprafeței pietrei prin vasul de răcire care înconjoară exact calorimetrul.
Goerens a prins patru pietre normale de materialul care urma să fie examinat într-un cadru. Pentru a introduce termocuplurile, o serie de caneluri au fost tăiate într-una dintre cele patru pietre. Elementele de cupru-constantan au fost utilizate pentru a măsura temperaturile mai scăzute, iar elementele de platină-platină-rodiu pentru temperaturile mai ridicate. Mai multe detalii găsiți la locația respectivă.
Deoarece coeficientul de conductivitate termică, care indică cantitatea de căldură în secunde calice care trece printr-o placă de 1 cm grosime, ale cărei suprafețe exterioare au o diferență de temperatură de 1 °, este foarte mic în cazul materialului refractar, rezultând o valoare K care este potrivită pentru practică, dacă se măsoară cantitatea de căldură W degajată în kg de calorii (WE) pe oră, suprafața F în metri pătrați și grosimea peretelui D în m Apoi K = 360 k.
Goerend a măsurat conductivitatea termică a următoarelor pietre:
| material | caracter | SiO2 | Al 2 O 3 | Fe 2 O 3 | CaO | MgO | alcalin |
| Semi-șamotă | C II | 73.1 | 22.9 | 1.9 | 0,2 | 0,2 | 1.7 |
| Chamotte | CX 63 | 67,7 | 28.2 | 1.9 | 0,3 | 0,1 | 1.9 |
| Ardezie | NS | 53,9 | 40.2 | 1.9 | 0,2 | 0,2 | 1.3 |
| Lia | L I A | 53.0 | 45.3 | 1.2 | urmări | urmări | 0,5 |
| Silice | Luetgen | 96,0 | 1.8 | 0,7 | 1.5 | - | - |
| Magnezit | Bendorf | 2.7 | 6.5 | 4.5 | - | 86.2 | - |
Pentru aceste materiale, el a determinat și porozitatea, care dă și densitatea aparentă. Tabelul următor prezintă numerele pentru materialele de mai sus și pentru o cărămidă de carbon care conținea 89% C:
material | Poro- sity | Aspect- neizolat densitate | Conductivitate termică | |||
| 0-100 ° | 400-500 ° | 800-900 ° | 900-1000 ° | |||
| Semi-șamotă | 30% | 1,83 | 0,79 | 0,88 | 1,05 | - |
| Chamotte | 29% | 1,80 | 0,75 | 0,89 | 1.10 | - |
| Ardezie | 31% | 1.81 | 0,78 | 0,97 | 1.15 | 1.18 |
| Lia | 39% | 1,75 | 0,72 | 0,75 | 0,82 | 0,84 |
| Silice | 23% | 1,87 | 1,01 | 1.13 | - | - |
| Magnezit | 34% | 2.34 | - | 3,71 | 3.10 | 2,93 |
| carbon | 38% | 1.19 | - | 0,92 | 1.26 | 1,36 |
Din rezultatele experimentelor sale, Goerens concluzionează că coeficientul de conductivitate termică scade odată cu creșterea porozității și că materialele refractare cu densitate mare sunt buni conductori de căldură. Coeficientul de conductivitate termică crește odată cu creșterea temperaturii; scade doar cu magnezita.
Heyn și Bauer au găsit următoarele valori pentru conductivitatea termică pe drumul lor:
| material | 200 ° | 600 ° | 1000 ° | 1200 ° |
| Fireclay BC | 0,52 | 0,79 | 0,94 | - |
| "4 | 0,41 | 0,50 | 0,77 | - |
| „C | 0,76 | 0,97 | 0,97 | 0,97 |
| Dinas M 1 x | 0,49 | 0,61 | 0,65 | 0,86 |
| Magnezit | 0,40 | 0,43 | 0,50 | - |
| carbon | 0,43 | - | - | - |
Clement și Egy au examinat ei înșiși buteliile de lut care fuseseră coapte pentru ei de Compania Laclede-Christy Clay Products din St. Louis. Amestecul A era roșu-maroniu închis și nu conținea nisip; structura lor semăna cu gresie. B avea, de asemenea, o culoare roșu-maroniu, dar era mediu-fin și conținea foarte puțin nisip alb. 1 era maro, aproximativ mai grosier decât B și conținea, de asemenea, puțin nisip. În cele din urmă, gradul 3 era destul de alb, foarte grosier și conținea mult nisip. Dacă vă convertiți rezultatele în unitățile alese de Goerens, veți obține următoarele valori:
| material | 350 ° | 400 ° | 500 ° | 600 ° | 700 ° | 800 ° |
| A. | - | - | 0,88 | - | - | 0,94 |
| B. | 0,76 | - | - | 0,79 | - | - |
| 1 | - | 1.30 | - | - | 1.30 | - |
| 2 | - | 0,96 | - | - | 0,96 | - |
Printre alți experți americani, Carl Hering a fost deosebit de preocupat de conductivitatea termică la temperaturi ridicate. Dintr-un tabel compilat de el (Ingineria metalurgică și chimică Vol. 9, p. 15, 1911) iau următoarele cifre:
| Bricks out | 400-800 ° |
| grafit | 3,66 |
| Carborundum | 3.36 |
| magnezie | 1,03 |
| Cromit | 0,83 |
| bauxită | 0,48 |
| Silice | 0,29 |
| Kiselgur | 0,26 |
Conductivitățile termice specificate sunt din nou convertite în unitățile alese de Goerens, adică indică cantitatea de căldură (în WE) care trece orar pe metru pătrat printr-o placă de 1 m grosime, ale cărei suprafețe exterioare au o diferență de temperatură de 1 °. Hering însuși recomandă alte unități de măsură bazate pe măsurători electrice ale căldurii care a trecut prin placă. Aceasta, numită ohm termic, este rezistența termică, care necesită un gradient de temperatură de 1 ° C pentru 1 watt de flux de căldură. Dacă îl denotați cu R, gradientul de temperatură cu T și fluxul de căldură în wați cu W, obțineți o ecuație bazată pe legea lui Ohm
Urmând obiceiul american, care descrie conductivitatea electrică, valoarea reciprocă a rezistenței măsurate în ohmi, ca „Mho”, el numește unitatea conductivității termice specifice Mho termic; Thermal Mho lasă să curgă 1 watt de căldură atunci când gradientul de temperatură este de 1 °. Pentru cărămizi de silice de ex. rezistența termică devine 119,5 și conductivitatea termică 0,0084.
Unii coeficienți de conducere a căldurii pentru temperaturi ridicate pot fi găsiți într-o compilație de F. T. Snyder (Met. Chem. Eng. Vol. 8, p. 629, 1910). Pentru cărămizile de silice care sunt arse la 1050 °, obținem coeficientul de conductivitate termică 0,65 (în măsura noastră) la un gradient de 0-1000 °, pe de altă parte, pentru cărămizile de silice care sunt arse la 1310 °, valoarea 1,03.
Pentru inginerul electric, valorile conductivității termice sunt valoroase, pe care Snyder (op. Cit.) Le specifică pentru electrozi de carbon și electrozi de grafit:
| material | 100-400 ° | 100-800 ° | 100-1200 ° | 100-1600 ° |
| Electrozi de carbon | 30 | 41 | 43 | 48 |
| Electrozi de grafit | 166 | 103 | 94 | 86 |
Van Rinsum (Zeitschr. D. V. German. Ing. 1918, pp. 601 și 639), care a încălzit electric probe sferice din interior, nu și-a extins experimentele dincolo de 1000 °. Oferă următoarele valori:
| material | 200 ° | 600 ° | 1000 ° |
| Silice | 0,56 | 0,88 | 1.19 |
| Dinas | 0,74 | 0,93 | 1.13 |
| Chamotte | 0,51 | 0,60 | 0,82 |
| Magnezit | - | 1.29 | 1,43 |
A trebuit să aștepte 14 zile pentru ca temperatura să se egalizeze. Heyn și Bauer, al căror tip de măsurare și rezultate le-am discutat mai sus, nu au așteptat până la starea permanentă, ci au trebuit să calculeze conductivitatea termică din dezechilibru, spec. Greutăți și spec. Știți cum să încălziți substanțele examinate.
Czako se plânge pe bună dreptate (Journ. Gaslight Vol. 62, p. 274, 1919) că numerele de conductivitate termică sunt incomplete și parțial se contrazic, în special pentru magnezit, unul dintre cele mai importante materiale extrem de refractare. Sperăm că aceste lacune vor fi curând umplute de cercetătorii germani. 1)
H. Krüger în Stahl und Eisen 1918, pp. 1201–1210, a oferit o imagine de ansamblu bună și, în unele cazuri, extinsă a literaturii americane relevante.