27. Методы интенсификации теплопередачи

При неизменной разности температур между горячим и холодным теплоносителями передаваемый тепловой поток зависит от коэффициента теплопередачи. Так как теплопередача представляет собой сложное явление, рассмотрение путей ее интенсификации связано с анализом частных составляющих процесса. В случае плоской стенки

.

Увеличение k может быть достигнуто за счет уменьшения толщины стенки и выбора более теплопроводного материала. Если термическое сопротивление теплопроводности стенки мало, то при 

Отсюда видно, что коэффициент теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффициентов теплоотдачи. Следовательно, для увеличения коэффициента теплопередачи нужно увеличивать наименьшее из значений коэффициентов теплоотдачи α₁ или α₂. Если α₁»α₂, то необходимо увеличивать и α₁ и α₂ одновременно.

Если увеличить наименьший коэффициент теплоотдачи не удается, теплообмен можно интенсифицировать путем оребрения стенки со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи.

28. Конвективный массообмен. Плотность потока массы. Закон Фика. Коэффициент массоотдачи.

В движущейся однокомпонентной среде теплота передаётся теплопроводностью и конвекцией. Такой процесс называется конвективным теплообменом. В движущейся многокомпонентной среде процесс совместного молекулярного и молярного переноса вещества называется конвективным массообменом. Конвективный теплообмен при наличии массообмена усложняется за счёт дополнительного переноса теплоты вместе с переносом массы. Конвективный массообмен между поверхностью жидкой или твёрдой фазы называется конвективной массоотдачей. Конвективная теплоотдача описывается законом Ньютона-Рихмана

, . (3.1)

По аналогии плотность потока вещества (массы)

, , (3.2)

где  – коэффициент массоотдачи, отнесённый к разности концентраций диффундированного вещества на поверхности массообмена, м/с;

– концентрация диффундированного вещества на поверхности, кг/м³;

– концентрация диффундированного вещества в дали от поверхности массоотдачи, кг/м³.

Для идеального газа , , (3.3)

(закон Дальтона)

где _р – коэффициент массоотдачи, отнесённый к разности парциального давления диффундированного компонента на поверхности массоотдачи и вдали от неё.

Если обозначить поток массы через J, кг/с, то плотность потока массы , .

Зная j можно определить поток массы: , кг/с.При : .

Если температура смеси и давление во всех частях системы имеют одно и то же значение (изобарно-изотермическая система), и смесь имеет различную концентрацию компонентов в отдельных частях системы, то каждый компонент движется в направлении меньшей концентрации. В результате чего, концентрация смеси выравнивается. Такая диффузия компонента за счёт разности концентраций называется концентрационной диффузией. Интенсивность концентрационной диффузии, т.е. плотность потока массы определяется по закону Фика: , , (3.4)

где D – коэффициент молекулярной диффузии одного компонента относительно другого, м²/с.

Движущей силой процесса массообмена является градиент концентрации , где _i – плотность i-го компонента. Знак минус говорит о том, что если рассматривать плотность потока массы как вектор, то он будет направлен в сторону, противоположную вектору градиента концентрации.

Согласно кинетической теории газов, коэффициент диффузии D возрастает с увеличением температуры и уменьшается с ростом давления.

Закон Фика можно записать иначе:

где – относительная массовая концентрация итого компонента в смеси или массосодержания, .

Т – температура смеси,

р_i – парциальное давление итого компонента.

Значение коэффициента молекулярной диффузии D для бинарных газовых смесей (воздух-водяной пар, азот-водород, и т.д.) в зависимости от температуры может быть определено по формуле:

,

где D₀ и n даётся в справочниках, а для смеси воздуха и водяного пара D вычисляется по формуле:

, [м²/с],

где р – давление смеси, Па;

Т – температура смеси, К.