Теплопроводность топлива

Теплопроводность характеризует процесс распространения тепла в неподвижном веществе за счет теплопередачи, но не за счет конвекции и лучистого теплообмена.

Тепло передается в ре­зультате движения молекул. Поэтому для газов такой путь пе­редачи энергии определяется их теплоемкостью и вязкостью. Передача энергии от слоя к слою в жидкостях происходит со зву­ковой скоростью пропорционально их плотности и теплоемкости.

По закону Фурье плотность теплового потока (q_x) в направ­лении х пропорциональна коэффициенту теплопроводности (?) и градиенту температуру по нормали к поверхности, через кото­рую передается тепло:

где q_х — плотность теплового потока в направлении х, кал/(см² • сек); Т — температура, °С или °К; х—расстояние, см.

q_x определяется как количество тепла, проходящего в 1 сек через 1 см² поверхности, перпендикулярной к направлению х. В этом случае коэффициент теплопроводности будет иметь размер­ность:

Итак, коэффициент теплопроводности выражает количество тепла, проходящего за единицу времени через единицу поверх­ности при падении температуры на один градус на единицу дли­ны. Коэффициент теплопроводности для современных топлив яв­ляется одной из важных теплофизических величин.

Теплопроводность газов, паров и их смесей не является ли­нейной функцией состава смеси, подчиняющейся законам адди­тивности. Теплопроводность газовых смесей может отличаться от теплопроводности ее составляющих. Для паров углеводородов коэффициент теплопроводности уменьшается с увеличением мо­лекулярного веса, возрастает с повышением температуры и мало изменяется с изменением давления, увеличиваясь приблизительно на 1% на каждую атмосферу в пределах от 1 мм рт. ст. до 10 ат.

Коэффициент теплопроводности для газов и паров может быть с достаточной точностью подсчитан для 0°С и давления 1,033 кГ/см² по формуле:

где c_? — истинная теплоемкость пара при постоянном объеме, ккал/ (кг • град); ?₀ — вязкость паров, кг/(м•сек).

Зная значение ?₀, можно определить коэффициент теплопро­водности паров углеводородов при более высоких температурах по формуле:

где Т, Т₀ — температуры, °К; п — значение степени, характерное для углеводородов. Так, для паров некоторых топлив и углево­дородов существуют следующие значения n:

В отличие от газов и паров с повышением температуры коэф­фициент теплопроводности для большинства жидкостей снижает­ся. С повышением давления теплопроводность жидкостей уве­личивается. Для определения теплопроводности жидкости может быть использовано уравнение Вебера:

где ? — коэффициент теплопроводности, кал/(см • сек • град); с_р — удельная теплоемкость при постоянном давлении, кал/(г • град); ? — плотность, г/см³; М — молекулярный вес_:

Рассчитанные данные отклоняются от экспериментальных в среднем на 5—15%.

На основании этой зависимости составлена номограмма (рис. 25).

Для жидких индивидуальных углеводородов коэффициент теп­лопроводности при 0 °С и давлении 1 атм может быть также под­считан по формуле:

а для топлив плотностью от 0,7 до 1,0 по формуле:

В узком интервале температур изменение коэффициента теп­лопроводности жидких топлив подчиняется линейной зависимости (уменьшение на 1% при повышении температуры на 10 °С). Зная коэффициент теплопроводности для жидких топлив при 0 °С, мож­но пересчитать его для более высоких температур по формуле:

где t — температура, для которой определяется ?;

? — температурный коэффициент теплопроводности.

При ? = 0,0011 формула для температурного предела от 0 до 200°С позволяет подсчитать величину ? с точностью до 10%.

Исследовалась теплопроводность в пределах температур от 15 до 325 °С и давлениях от 1 до 200 ат авиационного керосина (плот­ность ?_15.6^15.6, пределы кипения 164—253 °С) состава, соответствую­щего английской спецификации D. Eng. R. D. 2495 (рис. 26).

Теплопроводность жидких углеводородов уменьшается с повышением температуры, а при одной и той же температуре увеличивается с повышением давления. Как это видно из рис. 26, давле­ние не оказывает заметного влияния на коэффициент те­плопроводности жидких уг­леводородных топлив. При низких температурах коэффициент теплопроводности с изменением давления в пределах от 1 до 20 ат уве­личивается на 0,5%, а при 200 300°С — на 1%.

Данные об изменении ко­эффициента теплопровод­ности с температурой для товарного бензина Б-70 (ГОСТ 1012—54) и товар­ных керосинов Т-1 (ГОСТ 10227—62) и Т-5 (ГОСТ 9145—59) приведены в табл. 28.

На рис. 27 показано изме­нение с повышением темпе­ратуры коэффициента тепло­проводности нефти и продуктов ее переработки, оп­ределенного с точностью ±2%. С увеличением плотности и молекулярного веса углеводородов коэф­фициент теплопроводности возрастает, тем больше чем выше температура.

Наибольшей теплопроводностью характеризуются нормальные алканы, затем следуют алкилпроизводные ди- и трициклических структур с длинными боковыми цепями. Сравнительно малой теп­лопроводностью обладают алкилдекалины. В табл. 29 приведены коэффициенты теплопроводности индивидуальных углеводородов различного строения, часть из которых можно рассматривать как возможные составляющие перспективных топлив.

На рис. 28 показано изменение коэффициента теплопровод­ности нормальных алканов в зависимости от температуры, опре­деленного с точностью до ±1% . Так же как и для нефтепро­дуктов, теплопроводность нормальных алканов уменьшается с повышением температуры. Большей теплопроводностью характе­ризуются соединения с более высоким молекулярным весом. Раз­личие значений коэффициентов теплопроводности несколько увеличивается с повышением температуры кипения углеводородов.

Знание теплопроводности топлив, так же как и теплоемкости, необходимо для тепловых расчетов заводской аппаратуры, транспортных технических средств и двигателей.