Введение. Основные сведения о тепло- и массопереносе

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ,

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ

СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

 

 

Кафедра физики и теплообмена

 

 

Дисциплина:

ТЕПЛОТЕХНИКА

 

 

Л Е К Ц И Я

 

ТЕМА 19: ТЕПЛОМАССООБМЕН

 

 

Автор:

д.ф.-м.н., профессор П.В. Скрипов

 

Екатеринбург 2006

Цели лекции:

 

Учебные: Дать представление об основных закономерностях переноса массы одного вещества в массу другого вещества и применимости теории подобия к совместному описанию процессов тепло- и массообмена.

 

Воспитательные: Воспитывать стремление к углубленному изучению предмета; прививать убежденность в практической значимости получаемых в лекционном курсе знаний.

 

Развивающие: Развивать способность творчески воспринимать и конспектировать предоставляемый материал; развивать навыки самостоятельной аналитической работы, умение выделять главное, проводить сопоставление и обобщение.

 

Метод проведения: лекция

Время занятия: 160 минут

Место проведения: аудитория

Материальное обеспечение: раздаточный материал с представлением основных соотношений и графиков

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Теплотехника: Учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; под ред. А.П. Баскакова. 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

2. Техническая термодинамика: Учебное пособие / В.Н.Королёв, Е.М.Толмачёв. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 180 с.

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

1. Введение. Основные сведения о тепло- и массопереносе.

2. Основные виды связи влаги с материалом.

3. Основные законы переноса теплоты и массы вещества.

4. Критерии подобия тепло- и массопереноса.

5. Коэффициенты переноса теплоты и вещества.

Введение. Основные сведения о тепло- и массопереносе.

Многие процессы теплообмена, протекающие в природе и технике, сопровождаются переносом массы одного вещества в массу другого вещества. Эти процессы имеют большое практическое значение при технологических обработках продуктов во многих областях техники.

Большинство материалов, применяемых в сельском хозяйстве и в промышленности, являются коллоидными капиллярно-пористыми телами, которые в технологических процессах под­вергаются увлажнению, нагреванию и охлаждению. Наблюдается не только перемещение теплоты внутри обрабатываемого материала (теплоперенос), но и одновременно перемещение вещества одного компонента в другом (массоперенос) или диффузия.

Поэтому при расчетах процессов необходимо учитывать законы переноса теплоты и вещества, а оценка скорости переноса теплоты в материале должна сопровождаться одновременным изучением скорости перемещения вещества.

Диффузией называют процесс проникновения молекул вещества одной фазы в межмолекулярное пространство вещества другой фазы.

Когда наблюдается четкая граница раздела между фазами, что имеет место при их неподвижном состоянии или ламинарном режиме движения, вещество из одной фазы в другую переносится так называемой молекулярной диффузией. Причиной возникновения молекулярной диффузии является тепловое движение молекул.

В турбулентном режиме движения на границе фаз перенос вещества осуществляется не только вследствие молекулярной диффузии, но и вследствие интенсивного перемешивания отдельных фаз. Такую диффузию называют конвективной, или молярной.

Переход вещества из одной фазы в другую путем молекулярной и конвективной диффузий называют массообменом. Массообмен протекает вплоть до установления подвижного фазового равновесия, при котором из одной фазы в другую переходит столько же молекул, сколько из второй в первую.

Если смесь веществ по всем направлениям имеет различную концентрацию, то каждый компонент движется в направлении меньшей концентрации, в результате чего концентрация смеси вы­равнивается. Такую диффузию называют концентрационной.

При изотермических условиях интенсивность концентрационной диффузии характеризуется плотностью потока массы вещества, которая определяется по закону Фика: плотность диффузионного потока вещества (количество вещества, диффундирующего в еди­ницу времени через единицу площади изоконцентрационной по­верхности) прямо пропорциональна градиенту концентраций.

Если в процессе переноса массы одного компонента в другом имеют место все виды диффузии, то плотность диффузионного пото­ка, или плотность потока массы, определяют по уравнению

G = G _кд + G _тд + G _бд = ,

где G _кд = - — плотность потока массы, учитывающая кон­центрационную диффузию;

G _тд = - — плотность потока массы, учитывающая термическую диффузию;
r — плотность смеси, кг/м³;
Т — местная температура смеси, К;
к _т — термодиффузионное отношение: к _т = ,где — коэффициент термодиффузии;

— температурный градиент;

G _бд —плотность потока массы, учитывающая бародиффузию:

G _бд = - ;

∂ p /∂ n — градиент полного давления; р — местное полное давление смеси (сумма ме­стных парциальных давлений); — молекулярные массы компонентов:

;

r ₁, r ₂ — плотности компонентов; r - плотность смеси.

Бародиффузия возникает только при значительных перепадах давлений и в большинстве процессов тепломассообмена не учитывается.

В движущейся среде вещество переносится не только путем молекулярной диффузии, но и конвекцией. При перемещении какого-либо объёма смеси плотностью r со скоростью ω происходит перенос массы смеси:

G_K = rv = å r _i v _i.

Суммарная плотность потока вещества вследствие молекулярного и конвективного переносов определяется из выражения

G_i = G _{мд i}- G _{к i}.

Суммарнаяплотность потока массы и ее составляющие являются векторными величинами, поэтому важно знать не только абсолютное значение этих величин, но и направления потоков.

Основные виды связи влаги с материалом. При рассмотрении законов перемещения теплоты и влаги во влажных материалах необходимо учитывать формы связи влаги с твердым скелетом тела, так как с изменением характера этой связи меняются физические свойства вещества и энергия связи влаги с материалом, а это важно при выборе метода удаления влаги из материала.

В настоящее время принята классификация формы связи влаги в каллоидныхкапиллярнопористых телах, предложенная П.А. Ребиндером. По этой классификации приняты следующие влаги формы связи влаги: химическая, физико-химическая и физико-механическая.

Химически связанная влага наиболее прочно удерживается в веществе и может быть удалена из него путем интенсивного теплового воздействия (прокаливания), которое приводит к изменению структуры материала.

Физико-химическая связь влаги с материалом включает следующие формы: адсорбционную связь и осмотическую связь.

Абсорбционно связанная влага представляет собой жидкость, которая удерживается на поверхности частиц коллоидного тела. Поглощение адсорбционно связанной жидкости сопровождается выделением теплоты. Удаление прочно связанной с телом адсор­бционной влаги связано с соответствующей затратой энергии. При удалении адсорбционно связанной влаги она сначала испаряется в материале, а затем перемещается в виде пара к его поверх­ности.

Осмотически связанная влага (влага набухания) находится в замкнутых ячейках структуры тела. Этой влаге соответствует весьма малая энергия связи. Осмотически поглощенная влага мо­жет диффундировать внутри тела в виде жидкости через стенки клеток благодаря разности концентраций внутри и вне клеток.

Влага, имеющая физико-механическую связь, удерживается в ка­пиллярах. Ка­пиллярная влага в зависимости от режима нагревания может пере­мещаться в теле как в виде жидкости, так и в виде пара.

Используя основные термодинамические соотношения, можно показать, что для расчета энергии связи влаги с материалом в ка­честве единственного критерия для классификации форм связи с ма­териалом служит величина свободной энергии изотермического обезвоживания. Вследствие связывания воды с ма­териалом, понижается давление пара воды над его поверхностью, что приводит к уменьшению свободной энергии системы.

Уменьшение свободной энергии D F при постоянной температу­ре Т (или энергию связи), выраженное работой L, которую необхо­димо затратить для отрыва 1 кмольводы от материала, можно опре­делить по формуле

-D F = L = RT ln (р _н / р _п) = - RT ln j,

где R — универсальная газовая постоянная; р _н— давление насыщенного пара свободной воды; р _п— парциальное давление пара воды над материалом.

Чем прочнее связана вода с материалом, тем меньше величина р _п и, наоборот, для свободной воды р _пдостигает значения р _н, j становится равным единице, а энергия связи L = 0. В зависимости от преобладающей формы связи влаги с материа­лом, все влажные материалы можно разделить на три группы. Если жидкость, содержащаяся в теле, в основном связана капиллярными силами, то тело называется капиллярнопористым (влажный квар­цевый песок, древесный уголь, некоторые строительные материалы). Если в теле преобладает осмотическая форма связи жидкости, то тело называется коллоидным (желатин, прессованное тесто и др.). Если тело содержит осмотически связанную и капиллярную жид­кость, то оно называется коллоидным капиллярнопористым телом (торф, глина, древесина, ткани, зерно, кожа и др.).