- •Міністерство освіти і науки, молоді і спортуУкраїни
- •Вступ. ТепломасообМіН 7
- •Вступ. ТепломасообМіН
- •Розділ 1. Основні поняття теплообміну
- •1.1. Температурне поле. Ізотермічна поверхня
- •1.2. Градієнт температури
- •1.3. Кількість теплоти. Тепловий потік. Питомі теплові потоки
- •1.4. Елементарні способи передачі теплоти (види процесів теплообміну)
- •1.5. Складний теплообмін. Тепловіддача і теплопередача
- •Розділ 2. Теплопровідність
- •2.1. Основний закон теорії теплопровідності. Закон (гіпотеза) Фур'є.
- •Значення коефіцієнтатеплопровідності λ різних речовин
- •2.2. Енергетична форма запису закону Фур'є. Коефіцієнт температуропровідності
- •2.3. Диференціальне рівняння теплопровідності. (Диференціальне рівняння Фур'є)
- •2.4. Умови однозначності, необхідні для вирішення рівняння Фур'є
- •2.4.1. Початкові умови (пу)
- •2.4.2. Граничні умови (гу)
- •2.5. Методи рішення краєвої задачі в теорії теплопровідності
- •2.6. Нестаціонарна теплопровідність в тілах простої форми
- •2.7. Стаціонарна теплопровідність в плоскій і циліндровій стінках
- •Розділ 3. Теплопередача
- •3.1. Теплопередача через плоску стінку
- •3.2. Теплопередача через циліндрову стінку
- •3.3. Алгоритм розрахунку теплопередачі через непроникні стінки
- •3.4. Єдина формула теплопередачі через стінки класичної форми
- •3.5. Інтенсифікація теплопередачі
- •Розділ 4. Конвективний теплообмін в однофазних середовищах
- •4.1. Основні поняття і визначення
- •4.2. Диференціальні рівняння конвективного теплообміну
- •4.3. Основні положення теорії подібності
- •4.4. Основні критерійні рівняння (довідкові дані)
- •4.4.1. Конвективна тепловіддача при вільному русі плинного середовища
- •Визначення коефіцієнтів c і n залежно від режиму течії
- •4.4.2. Конвективна тепловіддача при вимушеному русі плинного середовища в трубах і каналах
- •Значення при в'язкісно - гравітаційному режимі
- •Залежність комплексу к0 від числа Рейнольдса
- •4.4.3. Конвективна тепловіддача при вимушеному зовнішньому обтіканні тіл
- •Поправка на кут атаки набігаючого потоку
- •Поправка на кут атаки набігаючого потоку в трубному пучку
- •4.5. Алгоритм розрахунку коефіцієнта тепловіддачі по критерійних рівняннях
- •Розділ 5. Конвективний теплообмін при конденсації пари і кипінні рідин
- •5.1. Тепловіддача при конденсації пари
- •5.2. Тепловіддача при кипінні рідин
- •Розділ 6. Теплообмін випромінюванням
- •6.1. Основні поняття і визначення
- •6.2. Основні закони випромінювання абсолютно чорного тіла (ачт)
- •6.3. Випромінювання реальних тіл. Закон Кирхгофа
- •Розділ 7. Масообмін
- •7.1. Тепло- і масообмін в двокомпонентних середовищах. Основні положення тепло- і масообміну
- •7.1.1. Диференціальні рівняння тепло- і масообміну
- •7.1.2. Тепло- і масовіддача у двокомпонентних середовищах
- •7.1.3. Рівняння конвективної тепло- і масовіддачі
- •7.2. Потрійна аналогія (аналогія перенесення імпульсу, енергії і маси компонента)
- •7.3. Тепло- і масовіддача при випарі рідини в парогазове середовище. Випар води в повітря
- •Зрівняльний аналіз значень рS , розрахованих по рівнянню (7.21) і узятих по таблицях водяної пари
- •7.3.1. Стаціонарний випар краплі
- •7.3.2. Випар краплі при вимушеній конвекції
- •Ряд залежностей для дифузійного числа Нуссельта
- •7.4. Тепло- і масообмін при хімічних перетвореннях
- •7.5. Теплообмін між газовою сумішшю і поверхнею розділу фаз
- •Розділ 8. Практика розрахунків тепломасообміних процесів
- •8.1. Основні відомості для розрахунку нагріву металу
- •8.2. Вихідні дані для розрахунку
- •8.3. Розрахунок нагріву металу
- •8.3.1 Перший інтервал першого періоду нагріву
- •8.3.2 Другий інтервал першого періоду нагріву
- •8.3.3 Другий період нагріву – період витримки
- •8.4 Приклад розрахунку нагіву металу.
- •8.4.2. Другий інтервал першого періоду нагріву
- •8.4.3 Другий період нагріву – період витримки
- •Параметри для побудови графіку нагріву металу в камерній печі
- •Перелік використаної літератури
- •Довідкові дані
- •Хімічний склад вуглецевих сталей
- •Тепловміщення (ентальпія) вуглецевих сталей, кДж/кг, за даними [6]
- •Тепловміщення (ентальпія) вуглецевих сталей, кДж/кг
- •Допоміжні коефіцієнти
- •Допоміжні коефіцієнти для розрахунку нагріву пластини товщиною s, що прогрівається
- •Вихідні дані для розрахунку нагріву металу
7.3.1. Стаціонарний випар краплі
Випар нерухомої краплі, константа випару. Випар краплі є дифузією пари речовини краплі з її поверхні в довкілля [3]. Щільність масового потоку пари може бути порахована по рівнянню
.
Швидкість випару краплі (зміна маси в одиницю часу)
, (7.32)
де
- абсолютна концентрація пари.
На
поверхні краплі (R
= R0)
концентрація пари
відповідає умовам
насичення при температурі поверхні, а
в довкіллі (R
=
)
концентрація пари рівна
.
Інтегруючи рівняння (7.32)
у вказаних межах, отримаємо для
стаціонарного випару (G
= const):
(7.33)
Швидкість випару краплі прямо пропорційна радіусу краплі, коефіцієнту дифузії пари і перепаду концентрацій.
Оскільки в процесі випару краплі відбувається зменшення її радіусу, швидкість випару є змінною величиною (зменшується в процесі випару). Тому при строгому підході випар краплі слід розглядати як нестаціонарний процес. Тому для довільного моменту часу рівняння (7.33) можна записати через поточний радіус краплі R:
.
Швидкість випару краплі є швидкістю убування її маси в часі:
![]()
де
- щільність
речовини
краплі.
Прирівнюючи
два
останні
рівняння
і
інтегруючи
при
= const (випар
краплі
при
постійній
температурі
поверхні)
і
= const, отримаємо:
, (7.34)
де
- константа випару, м2/с,
яка при даних допущеннях не змінюється
в процесі випару.
(7.35)
З
рівняння (7.35) виходить, що при випарі
нерухомої краплі її поверхня міняється
в часі лінійно (закон Срезневського).
Час випару
краплі знайдемо при R
= 0:
.
Концентрація
пари міняється від
біля
поверхні краплі до
у навколишньому
середовищі.
(7.36)
де
- концентрація пари на радіусі R.
При обліку Стефанова потоку константу випару в рівнянні (7.34) рахують по співвідношенню
(7.37)
де поправка

Чим
більше величина
,
тим більше
і, відповідно, швидкість випару. При
малих значеннях![]()
.
При квазістаціонарному випарі поверхня краплі має рівноважну температуру Тр , яка є температурою мокрого термометра.
При температурі Тр має місце рівність теплових потоків, що виражається рівнянням
.
Замінюючи
G
згідно рівнянню (7.33)
і вважаючи для нерухомої краплі
,
константу випару можна отримати у
вигляді
. (7.38)
В
разі значного перепаду температур і,
відповідно, інтенсивного
випару,
масовий потік пари G
через швидкість стефановської
течії
середовища
буде здійснювати
вплив на тепловий потік в краплі (оскільки
потік теплоти і потік пари мають зустрічні
напрями).
В цьому випадку у величину константи випару по рівнянню (7.38) вводять поправку
(7.39)
де 
Поправка
Ф
враховує вплив випару на теплообмін.
Якщо зміна
ентальпії пари срп(Тв
- Тр)
мала
в порівнянні з прихованою теплотою
паротворення
r,
то Ф
1. Із зростанням відношення
величина
Ф
зменшується.
Так, при
= 1
Ф
= 0,7.
Зміна температури пари біля поверхні краплі радіусом R0 описується рівнянням
![]()
Із збільшенням температури середовища температура Тр також підвищується, асимптотично наближаючись до температури кипіння при даному тиску. Температура Тр практично не залежить від відносної швидкості і діаметру краплі, оскільки із зміною цих величин тепловий і масовий потоки міняються в однаковій мірі. Із збільшенням тиску насиченої пари дифузійний потік речовини від поверхні зростає, унаслідок чого різниця температур (Т -Тр) зростає, а температура стаціонарного випару зменшується.
При
виборі теплофізичних констант, що
входять в рівняння (7.35)
і (7.38),
рекомендується: теплоту паротворення
r,
тиск насиченої пари pS
брати при температурі поверхні Тр;
коефіцієнти дифузії D,
температуропровідності а,
кінематичної
в'язкості
,
теплоємності парисрп
при температурі (Тв
- Тр)/2;
коефіцієнт теплопровідності середовища
при температурі середовищаТв.
Якщо
крапля лежить на плоскій стінці і має
форму півкулі, то поля концентрації і
температури пари біля її поверхні не
міняються (оскільки не порушується
сферична симетрія), а в рівняння для
швидкості випару
необхідно ввести множник 0,5. Дослідження
рівноважного режиму
випару несферичних крапель показали,
що квадрат діаметру рівнооб'ємної
сфери міняється лінійно в часі, що
дозволяє використувати
закон Срезневського і для несферичних
крапель.При низькотемпературному випарі
використовують рівняння (7.35)
і (7.37),
причому при малих відношеннях
рS
/р
можна приймати р/р*
= 1. При високотемпературному
випарі КV,
підраховують по рівнянню (7.39):
при ТB>>ТS
беруть ТP
ТS.
Якщо ТB
< ТS,
то випар близький до ізотермічного і
лімітується дифузією, при Т
> ТS,
випар лімітується теплообміном.
