Основные закономерности тепло- и массопереноса

Массообмен между газообразной и жидкой фазами (например, при испарении жидкости) называют конвективной массоотдачей и описывают уравнением, аналогичным уравнению конвективной теплоотдачи.

Для практических расчётов массоотдачи применяют уравнение

j=β_c(C_c-C_ж), (11.3)

где β_c – коэффициент массоотдачи, отнесённый к разности концентраций, м/с; С_с – концентрация переносимого вещества на поверхности раждела фаз, кг/м³; С_ж – концентрация переносимого вещества вдали от поверхности раздела фаз, кг/м³.

Коэффициент массоотдачи β_c численно равен количеству вещества, передаваемому в единицу времени через 1 м2 границы раздела фаз при разности концентраций диффундирующих веществ в 1 кг/м³.

Решая совместно уравнения (11.1) и (11.3), получаем дифференциальное уравнение массоотдачи на границе раздела фаз

(11.4)

откуда

(11.5)

Это выражение аналогично выражению (4.12), определяющему коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене (см. разд. 4):

где λ_пл – коэффициент теплопроводности пограничного слоя (плёнки).

Если уравнения (11.2) и (11.4) привести к безразмерному виду методами теории подобия, то можно получить числа (критерии) подобия массопереноса: диффузионный критерий Нуссельта Nu_D и диффузионный критерий Прандтля Pr_D.

Диффузионный критерий Нуссельта равен

(11.6)

Он является определяемым критерием массообмена. Критерий Nu_D аналогичен критерию теплового подобия

Диффузионный критерий Нуссельта является мерой отношения между интенсивностью конвективного массопереноса и потоком переноса вещества за счёт молекулярной диффузии в пограничном слое.

Диффузионный критерий Прандтля равен

(11.7)

Его называют диффузионным критерием физических свойств. Он является, наряду с критерием Re, определяющим критерием диффузионного переноса.

Диффузионный критерий Прандтля характеризует соотношение между переносом вещества и количества движения в процессе массообмена. Является мерой отношения сил вязкости и диффузии.

Так как дифференциальные уравнения масообмена и теплоотдачи аналогичны, то при подобных условиях однозначности должны быть аналогичны соответствующие уравнения подобия. Если для теплообмена при вынужденном течении жидкости получено уравнение вида

Nu=α Reⁿ·Pr^m (11.8)

то для расчёта массобмена проходящего в аналогичных условиях, применяют это же уравнение заменив числа подобия Nu и Pr на Nu_D и Pr_D, т.е.

Nu_D=α Reⁿ·Pr_D^m, (11.9)

При этом в уравнениях (11.8) и (11.9) α, m, и n – одни и те же величины.

Уравнения вида (11.9) широко применяются при расчёте процесса масообмена при испарении жидкости со свободной поверхности в оросительных камерах кондиционеров.

Контрольные вопросы

1. Что называется тепломасообменом?

2. Что такое молекулярная диффузия?

3. Что такое турбулентная (конвективная) диффузия?

4. Что такое конвективный масообмен?

5. Что такое плотность диффузионного потока массы вещества?

6. Закон Фика и его уравнение.

7. Коэффициент диффузии и его физический смысл.

8. Понятие о турбулентном коэффициенте диффузии.

9. Понятие о диффузионном пограничном слое.

10. Дифференциальное уравнение масообмена.

11. Что называется коэффициентом массоотдачи, его размерность и физический смысл.

12. Сформируйте аналогию процессов теплоотдачи и массообмена.

13. Какие уравнения подобия рекомендуются для расчёта процессов массообмена?

14. Диффузионный критерий Нуссельта, его определение и физический смысл.

15. Как определяется диффузионный критерий Прандтля и каков его физический смысл?

Экзаменационные вопросы

1. Общая характеристика основных видов теплообмена: теплопроводности, конвективного теплообмена, теплообмена излучением, сложноготеплообмена.

2. Теплопроводность, основные понятия и определения. Температурное поле, градиент температуры, тепловой поток, коэффициент теплопроводности. Закон Фурье.

3. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Характеристика условий однозначности. Коэффициент температуропроводности иего определение.

4. Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов, зависимость от структуры, плотности и влажности. Коэффициент теплопроводности жидкостей игазов.

5. Теплопроводность в многослойной плоской стенке - тепловой поток, тепловая проводимость, термическое сопротивление стенки.

6. Теплопроводность в однослойной цилиндрической стенке - линейная плотность теплового потока, термическое сопротивление стенки.

7. Теплопроводность в многослойной цилиндрической стенке - линейная плотность теплового потока, термическое сопротивление стенки.

8. Конвективный теплообмен - физическая сущность, основные понятия и определения. Закон Ньютона - Рихмана. Коэффициент теплоотдачи, его определение, влияние теплофизических свойств среды и гидродинамической структуры потока.

9. Система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена. Условия однозначности - гипотеза о «прилипании» и связь температурного поля у стенки степлоотдачей

10. Основные принципы теории подобия. Условия подобия процессов конвективного теплообмена.

11. Характеристика основных критериев подобия процессов конвективного теплообмена (чисел Прандтля, Рейнольдса, Грасгофа, Нуссельта), их физический смысл и применениев тепловых расчетах.

12. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости вдоль плоской поверхности. Тепловой и гидродинамический пограничный слой. Локальный и средний коэффициент теплоотдачи.

13. Расчет теплоотдачи при ламинарном вынужденное движении жидкости и газов вдоль плоской поверхности.

14. Расчет теплоотдачи при турбулентном вынужденном движении жидкости и газов вдоль плоской поверхности.

15. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубах. Ламинарный режим - гидродинамическая и тепловая стабилизация, локальный коэффициент теплоотдачи.

16. Теплоотдача при стабилизированном течении жидкостив трубах, влияние гидродинамической структуры потока, расчет теплообмена.

17. Теплоотдача при турбулентном течении жидкости в трубах_: влияние гидродинамической структуры потока, расчет теплообмена.

18. Теплоотдача при поперечном обтекании потокомодиночной трубы, явление отрыва пограничного слоя, локальный коэффициент теплоотдачи, расчет теплообмена.

19. Теплоотдача при поперечном обтекании потоком пучков труб гидродинамическая структура потока расчет теплообмена.

20. Теплоотдача при свободном движении жидкости вдоль поверхности горизонтальной трубы. Физический смысл критерия Грасгофа, расчет теплообмена.

21. Теплоотдача при свободном движении жидкости вдоль вертикальной поверхности. Физический смысл критерия Грасгофа, изменение локального коэффициента теплоотдачи, расчет теплообмена.

22. Теплообмен при кипении жидкости: пузырьковый и пленочный режимы кипения, физические закономерности процесса, расчет теплоотдачи.

23. Теплообмен при конденсации пара, пленочная и капельная конденсация, расчет теплоотдачи.

24. Теплопередача, основные понятия и определения. Коэффициент теплопередачи, сопротивление теплопередачи и их определение.

25. Теплопередача через однослойную плоскую стенку, физическая сущность процесса, расчет коэффициентатеплопередачи и сопротивления теплопередачи.

26. Теплопередача через многослойную плоскую стенку, расчет коэффициента теплопередачи и сопротивления теплопередачи.

27. Графоаналитический метод расчета температурного поля при теплопередаче через многослойную плоскую стенку.

28. Теплопередача через однослойную цилиндрическую стенку, физическая сущность процесса, расчет линейного коэффициента теплопередачи и сопротивления теплопередачи.

29. Теплопередача через многослойную цилиндрическую стенку, физическая сущность процесса, расчет линейного коэффициента теплопередачи и сопротивления теплопередачи.

30. Теплообмен излучением: физическая сущность процесса, интенсивность излучения,интегральное имонохроматическое излучение, поглощательная, отражательная и пропускательная способности.

31. Виды лучистых потоков: собственное излучение, падающее, эффективноеи результирующее излучения.

32. Законы теплового излучения - закон Планка, закон Вина.

33. Законы теплового излучения - закон Стефана - Больцмана. Коэффициент излучения абсолютно черного тела.

34.Термодинамически равновесное излучение, закон Кирхгофа, понятие серого тела, степень черноты.

35. Законы теплового излучения - закон Ламберта.

36. Теплообмен излучением между неограниченными плоскопараллельными плоскостями. Приведенная степень черноты системы, расчет теплового потока.

37. Теплообменизлучением между плоскопараллельными плоскостями при наличии защитных экранов. Расчет уменьшения интенсивности теплообмена.

38. Теплообмен излучением между телом и окружающей его оболочкой. Приведенная степень черноты системы, расчет теплового потока.

39. Теплообмен излучением между двумя произвольно расположенными в пространстве поверхностями. Приведенная степень черноты системы, угловойкоэффициент облученности, расчет теплообмена.

40. Особенности излучения газов и паров. Коэффициент поглощения, степень черноты газообразных сред, содержащих трехатомные газы.

41. Лучистый теплообмен между газовым слоем и стенками газохода в поглощающей среде. Эффективнаястепень черноты системы, поглощательная способность газового слоя, расчет теплообмена.

42. Сложный теплообмен. Определение конвективного, лучистого иэффективного коэффициентов теплоотдачи, расчет процесса радиационно-конвективного теплообмена.

43. Теплообменные аппараты: классификация, схемы движения теплоносителей и ихводяные эквиваленты, средний логарифмический температурный напор.

44. Основы теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов.

45. Нестационарная теплопроводность. Аналитический расчет температурного поля бесконечной плоской пластины в безразмерной форме. Физическая сущность критериев Био и Фурье.

46. Метод регулярного режима приближенного расчета процессов нестационарной теплопроводности. Темп нагревания (охлаждения) тела и его определение.

Дата добавления: 2015-08-03