2. Тепло- и массообмен в двухкомпонентных

средах

Физическая сущность и движущие силы процессов массообмена (диффузии). Плотность потока массы, закон Фика. Концентрационная, термическая и бародиффузия. Дифференциальные уравнения тепло- и массообмена. Конвективный массообмен и массоотдача. Уравнение плотности потока массы при массоотдаче. Коэффициент массоотдачи и его размерность. Стефанов поток и его уравнение.

Аналогия процессов переноса вещества, теплоты и импульса. Соотношение Льюиса. Диффузионные критерии подобия, их физическая сущность.

Понятие диффузионного пограничного слоя и его дифференциальное уравнение. Аналогия между гидродинамическим и диффузионным пограничными слоями.

Поперечная составляющая плотности потока массы и ее влияние на коэффициенты тепло- и массоотдачи.

Процесс тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовой смеси. Схема распределения концентраций и температур при конденсации. Составляющие термического сопротивления при конденсации. Диффузионное термическое сопротивление. Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи при конденсации.

Тепло- и массообмен при испарении жидкости в парогазовую среду. Динамика процесса испарения. Понятие коэффициента испарения. Процессы адиабатического и неадиабатического испарения. Температура мокрого термометра.

Тепло- и массообмен между водой и воздухом.

Литература:

• [1], гл. 14 (стр. 282–311);

• [3], гл. 10, 11 (стр. 205–241);

• [8], разд. 8 (стр. 161–196);

• [9] стр. 85–93.

Методические указания. В результате проработки темы "Тепло- и массообмен" студент должен изучить процессы, которые наряду с теплообменом сопровождаются переносом массы одного компонента относительно другого. Следует обратить особое внимание на физическую величину процессов масссопереноса и на движущие силы, вызывающие эти процессы. Необходимо помнить, что диффузия – это самопроизвольный процесс, направленный к установлению равновесного распределения концентраций; при этом происходит перенос массы из области с большей в область с меньшей концентрацией. Диффузия характеризуется плотностью массы – величиной векторной.

При изучении закона Фика необходимо уяснить, что этот закон справедлив только для концентрационной диффузии, а коэффициент пропорциональности D называют коэффициентом молекулярной диффузии.

Следует помнить, что всегда в неподвижной среде перенос массы путем молекулярной диффузии является следствием концентрационной, термической и бародиффузии. На практике же две последние составляющие часто не учитываются, а, прежде всего, обращается внимание на эффекты, вызванные концентрационной диффузией. В движущейся среде перенос массы осуществляется не только диффузией, но и конвекцией. Поэтому в общем случае на плотность теплового потока оказывают влияние теплопроводность, конвекция и молекулярная диффузия.

Следует обратить внимание, что перенос вещества в многокомпонентной среде совместно с происходящими процессами молекулярной диффузии и конвекции по аналогии с процессом конвективного теплообмена, называют конвективным массообменом. Также по аналогии конвективный массообмен между жидкой или твердой поверхностями и окружающей средой называют массоотдачей.

При рассмотрении коэффициента массоотдачи следует помнить, что его можно относить либо к разности концентраций диффундирующего вещества, либо к разности парциальных давлений.

Необходимо уяснить, что стефанов поток – это конвективный поток парогазовой смеси, направленный от жидкости в процессе ее испарения в парогазовую среду, в том случае, если для газа существует непроницаемая или полупроницаемая среда.

Сравнив уравнения массообмена (без термо- и бародиффузии), энергии (без учета массовых сил и в случае безнапорного движения) нетрудно заметить их аналогию. исходя из аналогии процессов тепло- и массообмена, рассматривают диффузионные критерии Нуссельта и Прандтля, а также критериальные уравнения процессов массообмена.

На основании аналогии между процессами тепло- и массообмена вводится понятие диффузионного слоя, в пределах которого происходит изменение концентраций активного компонента от значения на поверхности фаз до значения на границе слоя.