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