wm sciaga, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Wymiana Masy, WM XYZ, wykład-wm, Wymiana masy wykład


Kryteria podziału wymienników

Podstawowe kryterium podziału wymienników

Z uwagi na konstrukcjęi sposób obliczania wymiennika:

I. Według rodzaju wymienianej wielkości

-jednoczesny wymiennik ciepła i masy

-wymiennik ciepła

-wymiennik masy

II. Według sposobu realizacji wymiany w czasie

-wartość, kierunek i zwrot wymienianego strumienia jest stały w czasie

-wartośćstrumienia jest zmienna, kierunek i zwrot pozostająstałe

-wartość, kierunek i zwrot strumienia jest zmienny w czasie

Stężenie (koncentracja, udział) -parametr intensywny określający ilośćskładnika w układzie stężenie j-ego skladnika=ilość subst/całości

Ilośćsubstancji można wyrazić:-masą-liczbąmoli-objętościąstandardową

Definicje koncentracji i udziałów

•koncentracja masowa ρjm= Mj/ Vm[kg/m3]

•koncentracja molowacjm= nj / Vm[kmol/m3]

•(koncentracja) udziałobjętościowyvjm= Vj/ Vm[m3/m3]

•udziałmasowyuj (wj) = Mj/Mm[kg/kg]

•udziałmolowyxj(yj) = nj/ nm[kmol/kmol]

gdzie: uj, xj-w fazie ciekłej; wj, yj-w fazie gazowej

•(RUCH, PRZEPŁYW, TRANSPORT): przemieszczanie sięsubstancji, energii (ciepła)

•WYMIANA: przepływ przez granicęrozdziału z jednego układu do drugiego energii i/lub składników

-jednoczesna wymiana ciepła i masy: przepływ przez granicęrozdziału z

jednego układu do drugiego energii oraz składników

-wymiana ciepła: przepływ przez granicęrozdziału z jednego układu do drugiego

energii

-wymiana masy: przepływ przez granicęrozdziału z jednego układu do drugiego

składników

•PRZENOSZENIE: przemieszczenie sięw przestrzeni jednego układu energii, składników oraz substancji różnymi formami tzn. molekularną, konwekcją, turbulentnąi drogąpromieniowania (tylko energii)

konwekcja: przenoszenie wynikające z makroskopowego ruchu substancji i

unoszenia przez niąskładników, energii wewnętrznej

*konwekcja wymuszona: wywołana siłami ciśnienia

*konwekcja swobodna: wywołana siłami wyporu

:konwekcja swobodna temperaturowa: niejednorodna

gęstośćspowodowana niejednorodnątemperaturą

:konwekcja swobodna stężeniowa (dyfuzyjna): niejednorodna gęstośćspowodowana niejednorodnym stężeniem

-przenoszenie molekularne : przenoszenie wynikające z molekularnej struktury materii, występuje w obecności niejednorodnego pola parametru intensywnego

*przewodnictwo cieplne: przenoszenie molekularne ciepła w

niejednorodnym polu temperatur

dyfuzja: przenoszenie molekularne składnika

:dyfuzja stężeniowa: przenoszenie molekularne składnika w niejednorodnym polu stężeń:termodyfuzja: przenoszenie molekularne składnika w niejednorodnym polu temperatur

-przenoszenie turbulentne : przenoszenie poprzez występujące w ruchu

burzliwym wiry, z których każdy porusza sięodrębnie i unosi w nim zawarte

energięwewnętrzną, składnik i pęd -występuje w obecności niejednorodnego

pola parametru intensywnego

-promieniowanie termiczne : przenoszenie energii w gazie lub próżni poprzez fale elektromagnetyczne

WNIKANIE (PRZEJMOWANIE): przepływ energii lub składników od wnętrza układu do granicy rozdziału układów

•PRZENIKANIE: przepływ energii lub składników od wnętrza jednego układu do wnętrza drugiego układu

Strumień(natężenie przepływu, wydatek, wydajności):strumień= ilośćprzepływającej wielkości / przedziałczasuGęstośćpowierzchniowa strumienia (prędkości masowa, molowa, objętościowa, liniowa)gęstośćpowierzchniowa strumienia = strumień/ powierzchnia przepływu

Do opisu procesów transportu ciepła i/lub składnika można używaćoporów np.opory przewodzenia, przejmowania, przenikania itp.•Definicja analogiczna do prawa Ohma:strumieńprzepływający przez powierzchnięAn= siła napędowa / opór Qn= Δπi/ Rigdzie: Δπi-uogólniona siła napędowaRi= 1 / κAigdzie: κ-uogólniony współczynnik (przewodzenia, przejmowania, przenikania itp.)

Zalety stosowania koncepcji oporów:

•opór -wielkośćdyskretna

•możliwośćdodawania oporów (w sposób analogiczny jak w mechanice płynów lub elektrotechnice)

Dodawanie oporów:

•szeregowe:

Rz= ΣRi

•równoległe

1 / Rz= Σ(1 / Ri)

Ryszard Zwierzchowski

Ważne czynniki wpływające na dodawanie oporów:

aliniowa zależnośćmiędzy strumieniem, a siłąnapędową(wartośćoporu niezależna od siły napędowej)

bzagadnienia równowagi termodynamicznej

Ad. a brak liniowej zależności między strumieniem, a siłąnapędowąwystępuje przy:

•konwekcji swobodnej i kondensacji, gdzie Q ~ ΔT0,25

•wrzeniu pęcherzykowym, gdzie Q ~ ΔT2,5

•wrzeniu błonowym, gdzie Q ~ ΔT-2

•promieniowaniu cieplnym, gdzie Q ~ T4

Ad. b przy dodawaniu oporów stosuje siępostulat lokalnej równowagi

termodynamicznej w charakterystycznych miejscach przepływu strumienia:

•w procesie wymiany ciepła T1= T2 , wyznaczenie oporu wypadkowego związanego z całkowitąróżnicątemperatur można interpretowaćjako eliminowanie pośrednich temperatur wprowadzonych do różnic temperatur występujących w oporach składowych

Przykład:Przenikanie ciepła przez ściankęmaterialnąz układu 1 do układu 2.

1. przejmowanie ciepła z układu 1 do ścianki

strumień:Q = α1A1(T1-T1i);opór przejmowania:1 /( α1A1)

2. przewodzenie ciepła przez ściankę

strumień:Q = (λ/δ) A3(T1i-T2i);opór przewodzenia:1 /[(λ/δ) A3]

3. przejmowanie ciepła od ścianki do układu 2

strumień:Q = α2A2(T2i-T2);opór przejmowania:1 /( α2A2)

4. przenikanie ciepła od układu 1 do układu 2

strumień:

Q = k A1(T1-T2);

opór przenikania (wypadkowy):

1 / (k A1) = 1 /( α1A1) + δ/(λA3) + 1 /( α2A2)

w najprostszym przypadku wymiany masy, gdy równowaga zadana jest zależnościąliniową: C1= m C2, takie dodawanie nie jest możliwe i wówczas reguły dodawania oporów komplikująsię. Przyjmuje sięwówczas inna siły napędowąnp. C1-C1*, a nie C1-C2i dla tej siły napędowej można wyznaczyćopór wypadkowy, którego wartośćzależy nie tylko od oporów składowych, ale i od wartości m

Przykład:Przenikanie składnika gazowego z fazy gazowej przez lustro cieczy do fazy ciekłej -absorpcja gazu przez ciecz.

opór przejmowania od strony gazu:

1 / (kyA);siła napędowa y -yi

•opór przejmowania od strony cieczy:

1 / (kxA);siła napędowa xi-x

•opór wypadkowy od strony gazu:

1 / (KyA) = 1 / (kyA) + my/ (kxA);

•opór wypadkowy od strony cieczy:

1 / (KxA) = 1 / (kxA) + 1 / (mykyA);

Bilans:

•podstawowe narzędzie opisu zjawisk transportowych -matematyczna forma ogólnych zasad zachowania fizyki

•bilansowana wielkośćekstensywna

•sporządzony w obszarze Vograniczonym powierzchniąΩ

∫∫∫∂/∂τ(γv dV)+Σ∫∫ΓdΩ+ ∫∫∫Φv dV = 0

Ryszard Zwierzchowskiγv-gęstośćobjętościowa bilansowanej wielkościΓ-uogólniony strumieńpędu, energii lub składnika (przenoszony konwekcyjnie, molekularnie i turbulentnie)Φv -gęstośćobjętościowa źródła (produkcja)

TEORIA TRANSPORTU W OŚRODKU CIĄGŁYM

Wstęp

Opis zjawisk transportowych, który spełnia warunki formalizmu matematycznego

•ośrodek ciągły(postulat o ciągłości rozważanego obszaru)

•układ współrzędnych przestrzennych(obejmujący obszar)

•nieskończenie mały element (różniczkowy) tego układu

Ryszard Zwierzchowski

Ogólna postaćrównania transportu

Bilans (wielkości ekstensywnej) sporządzony dla:

•ośrodka ciągłego

•w obszarze nieskończenie małym (różniczkowym)

Bilanse substancji, pędu, energii i składnika(ów) w nieskończenie małym elemencie prowadządo następującego układu równańróżniczkowych:równanie ciągłościrównanie ruchu (bilansu pędu)równanie energiirównanie bilansu składnika (dyfuzji konwekcyjnej)

W tym układzie równańwystępująnieznane funkcje:

prędkości v(x,y,z)

temperaturyT(x,y,z)

stężeniaCj (x,y,z),……, CN (x,y,z)

oraz parametry

μ, λ, D (dla przenoszenia molekularnego i turbulentnego)

ρ, cp

Obecnośćw rozpatrywanym układzie równańciągłości i ruchu => konwekcja (ruch płynu)(jedna z form przenoszenia energii i/lub składnika)

równanie ciągłości∂ρ/∂t+ ∂(ρvx)/∂x + ∂(ρvy)/∂y + ∂(ρvz)/∂z = 0

równanie ruchu(równanie ogólne -składowa x)ρ[∂vx/∂t+vx∂vx/∂x+vy∂vx/∂y+vz∂vx/∂z] = -∂p/∂x-[∂τxx/∂x+∂τyx/∂x+∂τzx/∂x] +ρgx

równanie energiiρcp (DT/Dt) = λ2 T + qv+ μΦ

równanie bilansu składnikaDCA/Dt = DAB2 CA+ RA

Przenoszenie energii i/lub składników w obszarze jednego układu występuje w kilku formach

•Przenoszenie molekularne

•Przenoszenie konwekcyjne

•Przenoszenie turbulentne

•Przenoszenie energii drogąpromieniowania termicznego

Każda z tych form przenoszenia związana jest z innym zjawiskiem fizycznym

Dla przenoszenia energii i/lub składników konieczna jest obecnośćsubstancji w układzie. Wyjątek stanowi przenoszenie energii drogąpromieniowania termicznego, które może występowaćw próżni

•Przenoszenie molekularne -występuje w fazie gazowej, ciekłej i stałej

•Przenoszenie konwekcyjne -występuje w fazie gazowej i ciekłej, konieczny jest ruch substancji

•Przenoszenie turbulentne -występuje w fazie gazowej i ciekłej, konieczny jest ruch turbulentny substancji

•Przenoszenie energii drogąpromieniowania termicznego -występuje w fazie gazowej i próżni

Przenoszenie związane z molekularnąbudowąmaterii i wywołane przez:

•ruch molekuł-faza gazowa

•drgania molekuł-faza ciekła

•drgania w siatce kryształów i ruch swobodny elektronów -faza stała

Przenoszenie to występuje tylko w obecności

niejednorodnego pola parametru intensywnego tj.:

•pola prędkości -przenoszenie pędu

•pola temperatur -przenoszenie energii

•pola stężeń-przenoszenie składnika

Przenoszenie związane z przepływem substancji

układu.

Wraz z substancjąprzenoszony jest zawarty w niej:

•zasób energii

•składnik (składniki)

Przenoszenie związane z przepływem

turbulentnym (burzliwym) substancji układu.

Przenoszenie to występuje tylko w obecności

niejednorodnego pola parametru intensywnego tj.:

•pola prędkości -przenoszenie pędu

•pola temperatur -przenoszenie energii

•pola stężeń-przenoszenie składnika

Przenoszenie energii drogąpromieniowania termicznego -występuje tylko w fazie gazowej i próżni

Procesy dyfuzyjne (dyfuzja ustalona)

Szybkośćmolekularnego przenoszenia masy (doskonały roztwór 2-składnikowy) opisuje I prawo Ficka:

JAz = -DAB(dcA/dz)

JAz-strumieńmolowy składnika A w kierunku osi z [kmol/(m2/s)]

DAB-współczynnik dyfuzji (dyfuzyjność) skł. A wzgl. B [m2/s]

cA-koncentracja molowa skł. A [kmol/m3]

Współczynnik dyfuzji (dyfuzyjność)-dla gazów A i B można obliczyć(np. wzór Gillianda lub Othmer)-w pozostałych przypadkach -dobraćz tablicZależnośćod temperatury i ciśnienia:DT1/ DT2= (T1/ T2)1,5DP1/ DP2= (P2/ P1)Dyfuzja jednego gazu przez mieszaninęgazów (wzór Wilke'go):DA(B,C,..,N)= (1 -yi) / Σ(yi/DAi)

Równanie podstawowe dyfuzjiGęstośćstrumienia składnika względem miejscowego układu współrzędnych (dla układu 2-składnikowego):NAz = -CDAB(dyA/dz) + yA(NAz+NBz)

Analogiczny związek można zapisaćdla składnika B

NBz = -CDBA(dyB/dz) + yB(NAz+NBz)

Porównując oba związki dla warunku C=const oraz uwzględniając, że yA+ yB= 1, to:

-DAB(dyA/dz) = DBA(dyB/dz)

czyliJAz= -Jbz

a następnie

-DAB(dyA/dz) = -DBA(dyA/dz)

skąd wynika istotny związek dla układu 2-składnikowego

DAB= DBA

Częsty przypadek: NAz= -NBz

Tak więc równanie podstawowe dyfuzji upraszcza siędo postaci:

NAz= -CDAB(dyA/dz)

Np. dyfuzja gazu przez warstwęośrodka ograniczonego równoległymi płaszczyznami z1i z2warunki brzegowe:dla z = z1yA= yA1dla z = z2yA= yA2

Całkując r-nie dla: NAz= const -proces ustalonyDABi C = const -ośrodek izotermiczny i nieściśliwyNAz∫dz = -CDAB∫dyAostatecznie:NAz= [CDAB/(z2-z1)] (yA1-yA2)

Gęstośćstrumienia dla innych rodzajów stężeń:

NAz= [DAB/(z2-z1)] (cA1-cA2)

NAz= {DAB/[RT(z2-z1)]}(pA1-pA2)

NAz= [(ρ/M)DAB/(z2-z1)] (xA1-xA2)

Ten przypadek np. pochłanianie (absorpcja) NH3lub CO2z gazu obojętnego (powietrze), odparowanie cieczy do gazu nieruchomego itp.

Dla tego przypadku: NBz = 0

Tak więc równanie podstawowe dyfuzji upraszcza siędo postaci:

NAz= -CDAB(dyA/dz)+ yANAz

ostatecznie:NAz= [-CDAB/(1 -yA)] / (dyA/dz)

Np. dyfuzja gazu przez warstwęośrodka ograniczonego równoległymi płaszczyznami z1i z2warunki brzegowe:dla z = z1yA= yA1dla z = z2yA= yA2

Całkując r-nie dla: NAz= const -proces ustalonyDABi C = const -ośrodek izotermiczny i nieściśliwyNAz∫dz = CDAB∫[-dyA/(1-yA)] tak więc:NAz= [CDAB/(z2-z1)] ln[(1-yA2)/(1-yA1)]

Ryszard Zwierzchowski

Wprowadzając średniąlogarytmicznąróżnicęstężeńjako:

yBm= (yB2-yB1) / ln(yB2/ yB1)

to uwzględniając, że: yB= 1 -yA

Otrzymujemy:

NAz= [CDAB/(z2-z1)] (yA1 -yA2)/ yBm

Gęstośćstrumienia dla innych rodzajów stężeń:

NAz= [DAB/(z2-z1)] (cA1 -cA2)/ cBm

NAz= {DABP/[RT(z2-z1)]}(pA1 -pA2)/ pBm

NAz= [(ρ/M)DAB/(z2-z1)] (xA1 -xA2)/ xBm

Współczynnik przejmowania (wnikania) masyWyznaczenie strumienia masy wymaga określenia powierzchni, stąd teżstrumieńNAodnosimy do pow. międzyfazowej (NA)z=0= NAi= kc(cAi-cAo)

Przykładowo, gęstośćstrumienia masy dla dyfuzji równomolowej można zapisaćw postaci:

NAi= -DAB (∂cA/∂z)z=0

stąd

kc= -[DAB/(cAi-cAo)](∂cA/∂z)z=0

Ostatnia zależnośćwskazuje, że „kc „może byćobliczony na podstawie znajomości rozkładu stężeńw pobliżu powierzchni międzyfazowej

Metody określania współczynnik przejmowania masy można sklasyfikowaćnastępująco:

1.Rozwiązanie ścisłe lub uproszczone oparte na teoretycznych modelach wnikania lub teorii warstwy przyściennej

2.Metody oparte na wykorzystaniu analogii pomiędzy przenoszeniem pędu, ciepła i masy

3.Metody oparte na wykorzystaniu danych doświadczalnych uogólnionych wg zasad teorii podobieństwa

Modele przejmowania masy

Istnieje wiele modeli, znaczenie praktyczne mają:

•Model warstewkowy

•Modele penetracyjne

Model warstewkowy

Założenia:

•koncepcja laminarnej warstwy zastępczej o grubości „δ”(w zasadzie nieruchomej) przy powierzchni międzyfazowej

•przenoszenie masy w tej warstwie odbywa siętylko w wyniku ustalonej 1-wymiarowej dyfuzji molekularnej

•elementy płynu położone poza warstwąsądoskonale wymieszane na skutek ruchów konwekcyjnych

To oznacza, że dyfuzyjny opór warstwy zastępczej o grubości δjest równoważny oporowi rzeczywistego wnikania masy przez dyfuzję, konwekcjęi przenoszenie turbulentne

Modele penetracyjneZałożenia:•Wewnątrz płynu wiry nie sątłumioneprzy powierzchni międzyfazowej lecz dochodządo tej powierzchni, powodując jej ciągłe odnawianie •Powierzchnia płynu stanowi mozaikęelementów o różnym „wieku”Stąd średnia wartośćgęstości strumienia masy wyniesie:N = ∫Φ(t) Nt(t) dt gdzie:Φ(t) -funkcja rozkładu wieku elementów powierzchni Nt(t) -chwilowy strumieńmasy w odniesieniu do elementu o wieku t∞

Zakładamy, że wnikanie masy do poszczególnych elementów płynu wyniesionych na powierzchnięprzebiega tak samo, jak wnikanie do środowiska nieruchomego o nieskończonej głębokości, co wynika z dużych rozmiarów elementu w stosunku do zasięgu penetracji składnika



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
projekt - instalacje gazowe, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Instalacje i urządzenia ga
SPRAWKO 2, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Budownictwo i konstrukcje inżynierskie (BudI
gaz projekt, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Instalacje i urządzenia gazownicze (InIUrG
sprawko BiK, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Budownictwo i konstrukcje inżynierskie (Bu
SPRAWKO 2, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Budownictwo i konstrukcje inżynierskie (BudI
Budownictwo projekt Pająk, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Budownictwo i konstrukcje in
PZ obliczenia, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Instalacje i urządzenia gazownicze (InIU
Budownictwo - projekt - OWCZAR, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Budownictwo i konstrukc
Pytania na obronę BiKI, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Budownictwo i konstrukcje inżyn
Opis gazownictwo Bartekm, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Instalacje i urządzenia gazow
projekt - instalacje gazowe, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr COWiG, Instalacje i urządzenia ga
Politechnika Warszawska moje woiągi, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr ISiW, Inne
Wyklad IV fluid, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, VI semestr COWiG, Źródła ciepła, Wykłady, zródła wykłady
spr - sorpcja, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr ISiW, TUW, LAB
bud3spr, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr ISiW, Budownictwo, laborki
Spr - Zelazo i Mangan, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr ISiW, TUW, LAB
TW projekt Woiagi, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr ISiW, Woiągi, Woiągi projekty, projekty
sieci dobra studnia, IŚ Tokarzewski 27.06.2016, IV semestr ISiW, Woiągi, Woiągi projekty, projekty

więcej podobnych podstron