3.3.1.Теплопроводность.

Теплопроводностью называют процесс переноса тепла от более нагретых частей к менее нагретым, приводящий к выравниванию температур. Возникновение в веществе градиента температуры приводит к появлению теплового потока, который будет в системе существовать до тех пор, пока, вследствие переноса энергии, градиент не окажется равным нулю. Теплопроводность харатеризуется коэффициентом теплопроводности , равным количеству тепла Q, протекающего в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению потока тепла при перепаде температуры в 1 К на единицу длины в этом направлении, т.е.  = -dQ/dt. Размерность коэффициента теплопроводности Вт/(м К). Теплопроводность зависит от температуры, физического и фазового состояния и структуры вещества.

Наибольшая теплопроводность у твердых веществ (в том чис­ле твердых нефтепродуктов), жидкие занимают промежуточное положение, и наименьшая– у газов и паров.

В отличие от теплопроводности металлов, в которых перенос тепла осуществляется электронами, теплопроводность веществ, относящихся к диэлектрикам, определяется решеточными колебаниями структурной сетки. Для описания теплопроводности в твердом состоянии (кристаллическом, стеклообразном) используют основные положения фононной теории, разработанной для твердых тел. (Фонон – это квази-частица, представляющая собой квант упругих колебаний среды). Согласно этой теории теплопроводность определяется взаимодействием (перебросом) фононов и зависит от теплоемкости, средней скорости распространения фононов и средней длины их пробега. В идеальных кристаллах таким образом перенос тепла осуществляется за счет переброса фононов внутри и на границе кристаллов. В реальных кристаллах теплопроводность ниже вследствие рассеяния части фононов на дефектах кристалла. Таким образом можно считать, что теплопроводность реальных веществ является релаксационным процессом.

Теплопроводность аморфных веществ ниже, чем у кристаллических из-за большого рассеяния фононов при отсутствии дальнего порядка, т.е. явлением релаксации. Кроме того, отсутствие дальнего порядка приводит к неоднородности распространения фононов, т.е. к появлению определенных флуктуаций, что также повышает рассеяние фононов. При высоких температурах (выше 100-200 К) длина свободного пробега фононов находится на уровне ближнего порядка (несколько десятых нанометра). Поэтому при таких температурах значения теплопроводности аморфных и кристаллических тел близки. В жидком состоянии, считается, что перенос энергии осуществляется не за счет распространения упругих волн (переброса фононов), а в результате передачи энергии путем внутри- и межмолекулярного взаимодействия.

Теплопроводность твердых нефтепродуктов (битумов, пара­финов, церезинов) изучена значительно меньше, чем жидких и парообразных. Для парафина в интервале температур от нуля до 50 °С (плавление) теплопроводность равна 0,256 Вт/(м  К), для битума - около 0,175 Вт/(м  К).

Для жидких нефтепродуктов теплопроводность падает с по­вышением температуры, относительной плот­ности и составляет от 0,09 до 0,17 Вт/(м  К).

В противоположность этому для углеводородных газов и неф­тяных паров теплопроводность растет с повышением температу­ры и снижается с увеличением их мольной массы. Водород в отличие от н-алканов имеет теплопроводность почти на порядок выше, что видно из приведенных ниже данных (при Р =0,1 МПа):

Температура, °С..0 30 50 100 150 200 300

, Вт/(м К)..... 0,169 0,184 0,193 0,214 0,236 0,256 0,294

Часто для нестационарных тепловых процессов представляет интерес не сама теплопроводность, а скорость изменения тем­пературы в веществе.

Величиной, характеризующей скорость изменения темпера­туры, является коэффициент температуропроводности, представ­ляющий комплексную величину:

а = / (С_р ),

где а - коэффициент температуропроводности, м²/ч; С_р - изобарная теплоем­кость, кДж/(кг  К);  - плотность, кг/м³;  - теплопроводность, Вт/(м  К).

Чем выше a, тем больше скорость роста (падения) темпера­туры в веществе.

Теплопроводность нефти и её фракций зависит от химического состава, температуры, давления. Среди углеводородов различных классов при одинаковом числе углеродных атомов в молекуле наименьшей теплопроводностью обладают алканы, наибольшей - арены. В гомологическом ряду углеводородов теплопроводность может увеличиваться, уменьшаться или оставаться почти без изменений в зависимости от ряда.

Для алканов характерно увеличение теплопроводности с ростом их молекулярной массы. Теплопроводность нормальных алканов выше, чем разветвленных, причем, чем более разветвленным является углеводород, тем ниже его теплопроводность. С увеличением температуры теплопроводность алканов уменьшается, но, по-видимому, до определенного предела. Так, теплопроводность нонана падает с повышением температуры до 360 ^оС, после чего начинает возрастать. Влияние температуры тем резче, чем меньше молекулярная масса алканов.

С увеличением давления теплопроводность нефтяных фракций повышается, причем относительно низкие давления влияют больше, чем высокие.

Теплопроводность аренов зависит от числа, природы и длины боковых цепей, поэтому обнаружить здесь строгие закономерности из-за недостаточного объема экспериментальных данных трудно. Но указанные особенности, по-видимому, не соблюдаются в интервале температур, очень близких к температуре изменения агрегатного состояния.

Теплопроводность нефтей зависит от химического и фракционного состава. Она выше для высокопарафинистых и высокосмолистых нефтей и ниже для нефтей нафтенового основания. Температурный коэффициент теплопроводности уменьшается с увеличением плотности нефти и содержания в ней смол и полициклических аренов. Теплопроводность нефтяных фракций, выделенных из некоторых нефтей, увеличивается с повышением температуры их кипения.

В литературе имеется немало число работ, посвященных определению теплопроводности нефтяных фракций различного происхождения и поиску уравнений, связывающих теплопроводность с другими свойствами этих веществ.