7.5. Теплообмін між газовою сумішшю і поверхнею розділу фаз

Залежно від поєднання тих або інших умов протікання реакцій мето-дика розрахунку результуючого теплового потоку між газовою сумішшю і поверхнею розділу фаз може декілька змінюватися. Розрахунок теплообміну багато в чому залежить від місця проходження хімічних реакцій.

Гомогенні реакції можуть проходити в газовій суміші без наявності в ній компонентів стінки; матеріал стінки залишається при цьому хімічно нейтральним і є лише провідником тепла. У інших випадках в гомогенних реакціях може брати участь матеріал стінки, що випарувався, причому випар може йти як з твердої фази (сублімація), так і з попередньо розплавленого твердого матеріалу. Реакція між газовою сумішшю і твердою фазою може йти і на поверхні останньої (гетерогенна реакція).

Незалежно від названих умов протікання реакцій при розрахунку задач тепло- і масообміну зберігаються деякі загальні прийоми, що заключаються в обліку певних чинників, які впливають на результуючий тепловий потік до стінки. Наведений нижче приклад допоможе з'ясувати ці чинники.

Розглянемо теплообмін між реагуючим пограничним шаром і поверхнею твердого тіла, що випаровується (рис.36.1). За межами пограничного шару параметри газу - щільність суміші , тангенціальна швидкістьw_х = w₀, концентрації компонентів суміші m_i0 – постійні. Вважати-мемо для спрощення, що число Прандтля газового потоку дорівнює одиниці. Запишемо рівняння теплового балансу для поверхні розділу газ - стінка:

(7.47)

Тут - щільність теплового потоку на границі розділу газ - стінка в твердому тілі; - те ж, але в газі; - щільність потоку маси суміші на кордоні розділу фаз; - ентальпія газової суміші на границі розділу; - те ж для матеріалу поверхні, що знаходиться в твердій фазі.

Рис. 7.3 Тепловий баланс для поверхні розділу газ – стінка.

Перший член правої частини рівняння (7.47) представляє тепловіддачу за рахунок конвективного теплообміну (з врахуванням теплопровідності, конвекції і молекулярної дифузії) від реагуючого пограничного шару до границі розділу. Другий член описує зворотний потік тепла, що приходить до границі розділу від твердої фази і обумовлений плавленням, хімічними ре­акциями або випаром. Третій член представляє ентальпію, що переноситься від границі розділу всередину пограничного шару за рахунок потоку маси від поверхні стінки.

Згідно (7.46) член може бути описаний рівнянням

.

З врахуванням випару (Е_(т) Е_(г))

,

де r_и – питома теплота випару матеріалу поверхні з хімічним символом Е.

Враховуючи останні співвідношення, рівняння (7.47) можна записати в наступному вигляді:

(7.48)

Тут .

Рівняння (7.48) може бути записане і в іншому вигляді, якщо врахувати, що і, отже

.

Таким чином, розрахунок теплового потоку, що входить в стінку, зводиться до розрахунку параметрів газової суміші на границі розділу фаз і далеко від неї.

Контрольні питання до розділу 7:

1. Дайте визначення наступних понять: дифузія, концентраційна дифузія, молярна дифузія, молекулярна дифузія.

2. Дайте визначення і запишіть одиниці виміру наступних фізичних величин: потік маси, щільність потоку маси, місцева концентрація, коефіцієнт молекулярної дифузії, коефіцієнт термо дифузії, термодифузійне відношення.

3. Дайте визначення фізичних процесів: термодифузія і баро-диффузия.

4. У наслідок якого ефекту важкі молекули прагнуть перейти в зону підвищеного тиску, а легкі – навпаки?

5. За рахунок чого виникає бародиффузия?

6. У якому випадку виникає термодифузія?

7. Сформулюйте закон Фіка і запишіть його математичний вираз.

8. Дайте визначення екзотермічних, ендотермічних, гомогенних і гетерогенних реакцій.

9. Сформулюйте закон мас, що діють.

10. Дайте визначення поняття хімічної рівноваги. Що таке константа рівноваги?

11. Запишіть основні рівняння тепло- і масообміну в разі протікания хімічних реакцій.

12. Чому дорівнює число Л'юіса - Семенова?

13. Запишіть закон Ньютона - Ріхмана для випадку теплообміну між газовою сумішшю і поверхнею розділу фаз.

14. Дайте визначення понять конвективний масообмін, масовіддача.

15. Яке явище називають «Стефанов потік»? Запишіть рівняння Стефана.

16. Дайте визначення дифузійного пограничного шару.

17. Запишіть рівняння Ньютона, Фур'є і Фіка.

18. Сформулюйте принцип Онзагера.

19. Запишіть закон Дальтона, рівняння Менделєєва - Клапейрона, закон Клапейрона – Клаузіуса

20. Дайте визначення наступних понять: абсолютна вологість, відносна вологість, питомий влаговміст, молярний влаговміст, відносний влаговміст.