Polytechnisches Journal - ARNDT, Stanovenie tepelnej vodivosti žiaruvzdorných materiálov
| Názov: | ARNDT, Stanovenie tepelnej vodivosti žiaruvzdorných materiálov. |
| Autor: | Anonymný |
| Referencia: | 1922, ročník 337 (s. 185-187) |
| URL: | http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj337/ar337043 |
Od Prof. Dr. K. Arndt .
Pre hospodárne využitie paliva je dôležité poznať tepelnú vodivosť žiaruvzdorných materiálov, ktoré kotolňu obklopujú. Na jednej strane sú potrebné zlé vodiče tepla, ak je cieľom zabrániť tomu, aby teplo čo najviac odtekalo von; v iných prípadoch sú naopak potrebné najlepšie možné tepelné vodiče, ak sa má nimi uzavretá látka rýchlo zahriať na vysokú teplotu zvonka. Nanešťastie sa súčasné merania zväčša rozšírili iba na teploty do 900 ° alebo najviac 1000 °, a to aj napriek skutočnosti, že teplotný rozsah nad touto úrovňou až okolo 1600 ° sa stal pre dnešnú technológiu veľmi dôležitým. V nasledujúcom texte chcem poskytnúť stručný prehľad o existujúcich prácach a venovať osobitnú pozornosť výsledkom, ktoré sú k dispozícii pre vysoko žiaruvzdorné materiály.
Vo svojom podrobnom „Vyšetrovaní tepelnej vodivosti žiaruvzdorných stavebných materiálov“ (Komunikácia Kráľovského úradu pre skúmanie materiálov, zväzok 32, s. 95, 1914) Heyn a Bauer najskôr uvádzajú definíciu vonkajšej a vnútornej tepelnej vodivosti.
Vonkajšia tepelná vodivosť v porovnaní s okolitým médiom je množstvo tepla, ktoré vyteká za 1 sekundu cez koncovú plochu 1 meter štvorcový s konštantným teplotným rozdielom 1 ° C. Ich hodnota je určená nielen príslušným špeciálnym typom tuhej látky, ale aj povahou ich povrchu a typom a stavom pohybu okolitého média.
Meria sa vnútorná tepelná vodivosť:
1. Pomocou kalorimetrickej metódy podľa Fouriera a Pecleta (Ann. De chimie et de physique 1841, s. 107).
2. Proces chladenia a ohrievania: meranie na tyčiach v ustálenom stave. Ak pozorujeme teplotu najmenej 2 prierezov veľmi dlhej a veľmi tenkej tyče, ktorá sa ohrieva na prierez 0, po dosiahnutí ustáleného stavu, možno z toho vypočítať pomer vonkajšej a vnútornej tepelnej vodivosti. Aby bola hodnota vonkajšej vodivosti rovnaká pre tyče vyrobené z rôznych materiálov, dali Wiedemann a Franz (Poggend. Ann. Zv. 89, s. 497, 1853) poťahy toho istého druhu vyrobené z laku, sadzí, niklu alebo striebra.
3. Metódy chladenia a ohrievania: merania na tyčiach mimo ustáleného stavu.
a) Podľa spôsobu podľa Angstroma (Ann. Vol. 24, s. 512, 1861) sa tyč striedavo zahrieva a ochladzuje po dobu 24 minút; teplota sa meria v počiatočnom priereze a v reze asi 10 cm od neho.
b) Podľa spôsobu F. Neumanna (Ann. de chimie et de physique. Zv. 66, 1862) sa tenká tyčinka na jednom konci zahreje a po vyrovnaní teploty sa nechá vychladnúť. Súčasne sa meria teplota koncov. Výpočet je zjednodušený, ak sa súčasne meria teplota stredu tyče.
c) Podľa metódy L. Lorenza (Ann. Vol. 13, str. 422, 1881) sa veľmi tenká tyč zahreje na jednom konci a potom sa nechá vychladnúť, pričom sa vzdušný priestor udržiava na konštantnej teplote. Počas ohrievania a chladenia sa teplota meria v 8 bodoch na tyči.
4. Metódy chladenia a ohrievania: merania na krúžkoch, guľkách, kockách atď. Kocky používali napríklad Kirchhoff a Hansemann (Ann. Zväzok 9, s. 1, 1880. zväzok 12, s. 401, 1881).
5. Ohrev známym množstvom tepla:
a) Kohlrausch, Jaeger a Diesselhorst (Wissenschaftl. Abh. d. Phys. Techn. Reichsanst. 1900, s. 273) elektricky ohrievali tyč a pomocou kúpeľov udržiavali napájacie body na konštantnej teplote. V ustálenom stave merali teplotu v 3 bodoch od seba rovnako vzdialených, ako aj gradient napätia. Týmto spôsobom určili vzťah medzi vodivosťami pre teplo a elektrinu.
b) Pre izolačné materiály stanovili Jaeger a Diesselhorst tiež tepelnú vodivosť vo vyššie uvedenom usporiadaní, napríklad vaty, ktorá je umiestnená medzi kovovou tyčou a | 186 |, ktorá ju obklopuje dvojstenný medený plášť, ktorý sa udržiaval na určitej teplote prúdením kvapaliny alebo pary.
c) Clement a Egy (Metallurgical and Chemical Engineering, Vol. 8, s. 414, 1910), ktorí určovali tepelnú vodivosť žiaruvzdorných ílov pri vysokých teplotách, ohrievali zvnútra valec vyrobený z predmetnej žiaruvzdornej hliny cez cievku vyrobenú z drôtu z čistého niklu. Termočlánky boli umiestnené v dvoch pozdĺžnych otvoroch, ktoré boli r 1 a r 2 vzdialené od osi. Len čo sa nimi indikované teploty ustálili (po 3–5 hodinách), uskutočnili sa merania.
Pri svojich vlastných experimentoch použili Heyn a Bauer Clementovu metódu v nasledujúcom usporiadaní: Jeden z povrchov hlavy skúšobného kameňa je umiestnený proti výhrevnej doske vyrobenej z vysoko žiaruvzdorného materiálu, ktorá je elektricky ohrievaná uhoľnou drťou ako vykurovací odpor. V testovacom kameni, ktorý je obklopený kameňmi podobného typu, je zabudovaných niekoľko termočlánkov. Po začiatku zahrievania sa na všetkých týchto termočlánkoch pozoruje nárast teploty. Z týchto pozorovaní sa tepelná vodivosť testovaného kameňa počíta nie veľmi jednoduchým spôsobom.
Kalorimetrická metóda stručne uvedená v bode 1. je v skutočnosti jednoduchšia. Po ňom S. Wologdine (Revue de Metallurgie zv. 6, s. 767, 1909) skúmal tepelnú vodivosť niektorých žiaruvzdorných materiálov v Le Chatelier. Okrúhly 5 cm hrubý testovací tanier položil ako kryt na plynovú rúru a na tanier vodný kalorimeter. V doske boli vyvŕtané tri otvory, prvý 50 mm, druhý 45 mm a tretí 5 mm hlboký.
P. Goerens (správa z 34. valného zhromaždenia Asociácie nemeckých tovární na žiaruvzdorné výrobky, 1914, s. 92, Ferrum zv. 12, s. 1 a 17, 1914) toto usporiadanie podstatne vylepšil. Vymenil plynové kúrenie za elektrické, pretože pri plynovom kúrení nebolo možné dlho udržiavať vysoké teploty konštantné. Okrem toho sa žiaruvzdorný materiál v priebehu času zvláštnym spôsobom mení pomocou plynu; Po opakovanom zahriatí kamene napučiavajú a v ich vnútri sa ukladá uhlík. Goerens použil ako elektrický ohrievač šamotový panel obalený chrómniklovým drôtom. Po druhé obklopil spodnú časť kalorimetra nádobou, cez ktorú tiekla voda rovnakým spôsobom ako kalorimeter.
Toto druhé vylepšenie odstraňuje námietky od Heyna voči kalorimetrickej metóde. Je to preto, že časť povrchu kameňa, ktorá je v kontakte so spodnou časťou kalorimetra, je značne ochladená. Keby zostávajúca časť kamenného povrchu zostala v kontakte so vzduchom, teplo by sa vydávalo pomalšie a teplota by bola vyššia. Teplo by potom muselo odtekať od horúcejšej hrany kameňov smerom do stredu, kde je umiestnený chladiaci kalorimeter, a preto by teplo absorbované kalorimetrom bolo príliš veľké. Táto chyba je eliminovaná ochladením zvyšnej časti povrchu kameňa cez chladiacu nádobu, ktorá presne obklopuje kalorimeter.
Goerens upol do rámu štyri normálne kamene z materiálu, ktorý sa mal preskúmať. Na zavedenie termočlánkov sa do jedného zo štyroch kameňov vyrezala séria drážok. Na meranie nižších teplôt sa použili meď-konštantanové prvky a pre vyššie teploty platinové-platinové-ródiové prvky. Ďalšie informácie nájdete na pomenovanom mieste.
Pretože koeficient tepelného vedenia, ktorý udáva množstvo tepla v kalových sekundách, ktoré prechádza doskou s hrúbkou 1 cm, ktorej vonkajšie povrchy majú teplotný rozdiel 1 °, je v prípade žiaruvzdorného materiálu veľmi malý, vedie k hodnote K vhodnej pre prax, ak sa zmeria množstvo dodaného tepla W v kg kalóriách (WE) za hodinu, povrch F v štvorcových metroch a hrúbka steny D v m. Potom K = 360 k.
Goerend meral tepelnú vodivosť nasledujúcich kameňov:
| materiál | znak | SiO 2 | Al 2 O 3 | Fe 2 O 3 | CaO | MgO | alkálie |
| Pološamot | C II | 73,1 | 22.9 | 1.9 | 0,2 | 0,2 | 1.7 |
| Šamot | CX 63 | 67,7 | 28.2 | 1.9 | 0,3 | 0,1 | 1.9 |
| Bridlica | NS | 53,9 | 40.2 | 1.9 | 0,2 | 0,2 | 1.3 |
| Lia | L I A | 53,0 | 45.3 | 1.2 | stopa | stopa | 0,5 |
| Kremičitý | Luetgen | 96,0 | 1.8 | 0,7 | 1.5 | - | - |
| Magnezit | Bendorf | 2.7 | 6.5 | 4.5 | - | 86.2 | - |
Pre tieto materiály tiež určil pórovitosť, ktorá tiež dáva zdanlivú hustotu. V nasledujúcej tabuľke sú uvedené čísla pre vyššie uvedené materiály a pre uhlíkovú tehlu, ktorá obsahovala 89% C:
materiál | Poro- sity | Vzhľad- holý hustota | Tepelná vodivosť | |||
| 0-100 ° | 400-500 ° | 800-900 ° | 900 - 1000 ° | |||
| Semi-šamot | 30% | 1,83 | 0,79 | 0,88 | 1,05 | - |
| Šamot | 29% | 1,80 | 0,75 | 0,89 | 1.10 | - |
| Bridlica | 31% | 1,81 | 0,78 | 0,97 | 1.15 | 1.18 |
| Lia | 39% | 1,75 | 0,72 | 0,75 | 0,82 | 0,84 |
| Kremičitý | 23% | 1,87 | 1.01 | 1.13 | - | - |
| Magnezit | 34% | 2.34 | - | 3,71 | 3.10 | 2,93 |
| uhlík | 38% | 1.19 | - | 0,92 | 1.26 | 1.36 |
Z výsledkov svojich experimentov Goerens usudzuje, že koeficient tepelnej vodivosti klesá so zvyšujúcou sa pórovitosťou a že žiaruvzdorné materiály s vysokou hustotou sú dobrými vodičmi tepla. S rastúcou teplotou sa koeficient tepelnej vodivosti zvyšuje, s magnezitom klesá.
Heyn a Bauer našli na svojej ceste nasledujúce hodnoty tepelnej vodivosti:
| materiál | 200 ° | 600 ° | 1000 ° | 1200 ° |
| Šamot 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 | - |
| uhlík | 0,43 | - | - | - |
Samotní Clement a Egy preskúmali hlinené valce, ktoré pre ne upiekla spoločnosť Laclede-Christy Clay Products Company zo St. Louis. Zmes A bola tmavo červeno-hnedá a neobsahovala žiadny piesok; ich štruktúra pripomínala pieskovec. B bol tiež červenohnedej farby, ale bol stredne jemný a obsahoval veľmi málo bieleho piesku. 1 bola hnedá, zhruba hrubšia ako B a obsahovala tiež málo piesku. Nakoniec bol stupeň 3 celkom biely, veľmi hrubý a obsahoval veľa piesku. Ak prevediete výsledky na jednotky vybrané Goerensom, získate nasledujúce hodnoty:
| materiál | 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 | - |
Spomedzi ďalších amerických odborníkov sa Carl Hering obzvlášť zaujímal o tepelnú vodivosť pri vysokých teplotách. Z ním zostavenej tabuľky (Metallurgical and Chemical Engineering Vol. 9, s. 15, 1911) vychádzam z nasledujúcich obrázkov:
| Tehly von | 400-800 ° |
| grafit | 3.66 |
| Karborundum | 3.36 |
| magnézia | 1,03 |
| Chromit | 0,83 |
| bauxit | 0,48 |
| Kremičitý | 0,29 |
| Kremelina | 0,26 |
Uvedené tepelné vodivosti sa opäť prevedú na jednotky zvolené Goerensom, t. J. Udávajú množstvo tepla (v WE), ktoré každú hodinu prechádza na meter štvorcový cez dosku s hrúbkou 1 m, ktorej vonkajšie povrchy majú teplotný rozdiel 1 °. Sám Hering odporúča ďalšie jednotky merania založené na elektrických meraniach tepla, ktoré prešlo doskou. Nazýva sa to tepelný ohm, čo je tepelný odpor, ktorý vyžaduje teplotný gradient 1 ° C pre 1 watt tepelného toku. Ak to označíme R, teplotný gradient T a tepelný tok vo wattoch W, dostaneme rovnicu podľa Ohmovho zákona
Podľa amerického zvyku, ktorý popisuje elektrickú vodivosť, prevrátenú hodnotu odporu meranú v ohmoch nazýva „Mho“, nazýva jednotku špecifickej tepelnej vodivosti Thermal Mho; Thermal Mho umožňuje tok 1 wattu tepla, keď je teplotný gradient 1 °. Napríklad pre kremičité tehly sa tepelný odpor stáva 119,5 a tepelná vodivosť 0,0084.
Niektoré koeficienty vedenia tepla pre vysoké teploty možno nájsť v kompilácii od F. T. Snydera (Met. Chem. Eng. Vol. 8, s. 629, 1910). Pre kremičité tehly pálené pri 1050 ° berieme koeficient tepelnej vodivosti 0,65 (v našom rozsahu) pri gradiente 0–1000 °, zatiaľ čo pre kremičité tehly pálené pri 1310 ° je hodnota 1,03.
Pre elektrotechnika sú cenné údaje o tepelnej vodivosti, ktoré Snyder (op. Cit.) Uvádza pre uhlíkové elektródy a grafitové elektródy:
| materiál | 100 - 400 ° | 100-800 ° | 100-1200 ° | 100-1600 ° |
| Uhlíkové elektródy | 30 | 41 | 43 | 48 |
| Grafitové elektródy | 166 | 103 | 94 | 86 |
Van Rinsum (Zeitschr. D. V. German. Ing. 1918, s. 601 a 639), ktorý zvnútra elektricky ohrieval sférické skúšobné vzorky, svoje experimenty tiež nerozšíril nad 1000 °. Poskytuje nasledujúce hodnoty:
| materiál | 200 ° | 600 ° | 1000 ° |
| Kremičitý | 0,56 | 0,88 | 1.19 |
| Dinas | 0,74 | 0,93 | 1.13 |
| Šamot | 0,51 | 0,60 | 0,82 |
| Magnezit | - | 1.29 | 1.43 |
Na vyrovnanie teploty musel čakať 14 dní. Heyn a Bauer, ktorých typ merania a výsledky sme diskutovali vyššie, nečakali na trvalý stav, ale museli vypočítať tepelnú vodivosť z nerovnováhy, špec. Hmotnosti a špec. Vedieť zohriať vyšetrované látky.
Czako sa oprávnene sťažuje (Journ. Gaslight Zv. 62, s. 274, 1919), že počty tepelnej vodivosti sú neúplné a čiastočne si odporujú, najmä pokiaľ ide o magnezit, jeden z najdôležitejších vysoko žiaruvzdorných materiálov. Dúfajme, že tieto medzery čoskoro vyplnia nemeckí vedci. 1)
H. Krüger in Stahl und Eisen 1918, s. 1201-1210, priniesol dobrý a v niektorých prípadoch rozsiahly prehľad príslušnej americkej literatúry.