液體純物質導熱系數的預測

石玉冰，王雙成

(1.濮陽職業技術學院石油化工及環境工程系，河南 濮陽 457000; 2.河南廣播電視大學理工教學部，河南 鄭州 450008)

液體的導熱系數是物質重要的傳遞性質和熱物理性質，它在傳質、傳熱和流體流動過程的設計和研究中是不可缺少的，因此導熱系數模型的研究一直很受重視，研究計算精度高適用范圍廣而又使用簡便的估算模型具有重要意義。液體導熱系數的估算方法，常用的有Latini法[1]、Sato-Riedel法[2-3]、Missenard法[4]、Robbins-Kingrea法[5]等。文獻[6]和[7]認為，各種方法都缺乏理論依據，基本上都是經驗的；誤差都比較大，在沸點前Latini法和Sato-Riedel法都可以用，但其誤差仍然比較大，有的可能達到15%以上。Latini法對不同類型物質要采用不同的方程參數，不夠簡便；而Missenard法、Robbins-Kingrea法需要液體的密度和熱容或沸點下蒸發焓數據，計算較煩。本研究在Weber[ 8]方程和Sato-Riedel法的基礎上，將隨溫度變化需由手冊查取的密度和熱容變量用對比溫度計算，提出了估算液體導熱系數的計算精度較高的估算式。

1　有機物導熱系數的關聯

Weber等的導熱系數方程為：

λL=0.430CPLρL(ρL/M)1/3

(1)

式中λL為液體的導熱系數，W/(m.K);CPL為液體的等壓熱容, J/(g.K)；ρL為液體的密度，g/cm3;M為液體的摩爾質量，g/mol。

液體的密度可以用該液體的摩爾質量和飽和液體摩爾體積之比計算：

ρL=M/VLS

(2)

式中VLS為飽和液體摩爾體積，cm3/mol, 可由Rackett方程[6]計算：

(3)

式中ZC為臨界壓縮因子；R為氣體常數，R=8.314 J/(mol.K)；Tr為對比溫度，Tr=T/TC；T和TC分別為體系溫度和臨界溫度，K；pC為臨界壓力，MPa。

由Sato-Riedel法知，液體在沸點下的導熱系數由式(4)計算：

λLb=1.11/M0.5

(4)

由式(1)、(2)、(3)和式(4)可得：

(5)

式中Trb為沸點下的對比溫度，Trb=Tb/TC。Tb為沸點下的溫度，K。液體的熱容CPL與其沸點下的液體熱容CPLb之比經試驗數據回歸，可表示為：

(6)

將式(5)代入式(6)得：

(7)

式(7)便是本研究液體導熱系數的計算模型。

2　計算結果

利用有機物導熱系數的計算模型，計算了由烷烴、烯烴、芳烴、羧酸、醇、酚、醚、醛、酮和酯等27種有機物和7種無機物共100個數據點的導熱系數，溫度范圍為-20～100 ℃，并與文獻[9-12]中的相應試驗數據(見表1)和與文獻[10]中的試驗數據(見表2)作了比較，各組數據的平均計算相對偏差見表1和表2。

表1　有機物液體導熱系數的計算結果Table 1　Calculation results of organic liquid thermal conductivity

續表1　有機物液體導熱系數的計算結果Continued Table 1　Calculation results of organic liquid thermal conductivity

續表1　有機物液體導熱系數的計算結果Continued Table 1　Calculation results of organic liquid thermal conductivity

表2　無機物液體導熱系數的計算結果比較Table 2　Comparison of calculated results withexperimental data and other models for inorganicliquid thermal conductivity

在表1和表2中還將本方法與Sato-Riedel法及Latini法的計算精度作了比較。計算采用的臨界參數數據取自文獻[13]。

3　結論

在Weber等的導熱系數方程和Sato-Riedel法的基礎上，將由手冊查取的密度和熱容變量用對比溫度計算，導出了估算液體純物質導熱系數的計算模型。由計算結果可見：

1)本方法與Sato-Riedel法一樣，適用于有機物和無機物導熱系數的估算。但對低相對分子質量物質有較大誤差。

2) 本方法計算準確性高，用本研究關聯式計算了34種物質100個數據點的液體導熱系數，對試驗值的總平均相對偏差為3.00%，Sato-Riedel法的總平均相對偏差為5.01%。對26種有機物81個數據點來說，本文式、Sato-Riedel法和Latini法的總平均相對偏差分別為2.78%、4.25%和6.25%；對7種無機物19個數據點來說，本文式和Sato-Riedel法分別為3.95%和8.24%，而Latini法不適用于無機物。

3) 本方法簡單方便，只需要純物質的摩爾質量、臨界溫度、沸點溫度數據，就可以直接預測各種溫度下液體純物質的導熱系數。

符號說明：

CPL—液體的等壓熱容, J·(g·K)-1；

M—摩爾質量，g·mol-1；

pC—臨界壓力，Mpa；

R—氣體常數，R=8.314J·(mol·K)-1；

Tb—沸點下的溫度，K；

TC—臨界溫度，K；

T—溫度，K；

ZC—臨界壓縮因子；

ρL—液體密度，g·cm-3；

λL—液體導熱系數，W·(m·K)-1。

參考文獻：

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[13]劉光啟，馬連湘，劉杰.化學化工物性數據手冊：有機卷[M].北京：化學工業出版社，2002