В зависимости от сочетания тех или иных условий протекания реакций методика расчета результирующего теплового потока между газовой смесью и поверхностью раздела фаз может несколько изменяться. Расчет теплообмена во многом зависит от места прохождения химических реакций. Гомогенные реакции могут проходить в газовой смеси без наличия в ней компонентов стенки; материал стенки остается при этом химически нейтральным и является только проводником теплоты. В других случаях в гомогенных реакциях может участвовать испарившийся материал стенки, причем испарение может идти как из твердой фазы (сублимация), так и из предварительно расплавленного твердого материала. В химических реакциях может участвовать теплоноситель, вдуваемый в газ через пористую стенку. Реакция между газовой смесью и твердой фазой может идти и на поверхности последней (гетерогенная реакция). Зачастую идут одновременно несколько перечисленных ранее процессов химического и фазового превращений. Независимо от названных условий протекания реакций при расчете задач тепло- и массообмена сохраняются некоторые общие приемы, заключающиеся в учете определенных факторов, влияющих на результирующий тепловой поток к стенке. Приведенный ниже пример поможет выяснить эти факторы. При рассмотрении задач теплообмена с химическими превращениями, как было показано, нужно в общем случае учитывать и процессы массообмена. Поэтому, в частности, нами будут использоваться многие положения гл. 14. Рассмотрим теплообмен между реагирующим пограничным слоем и испаряющейся (сублимирующейся) поверхностью твердого тела. За пределами пограничного слоя параметры газа — плотность смеси ρ0, ее тангенциальная скорость ωx=ω0, концентрации компонентов смеси  — постоянны. Будем полагать для простоты, что число Прандтля газового потока равно единице и соответственно равен единице коэффициент восстановления. Пренебрежем тепловым излучением. Примем, что молекулярный массообмен осуществляется только концентрационной диффузией. Рассматриваемый процесс стационарен. Запишем уравнение теплового баланса для поверхности раздела газ-стенка (рис. 15.2):
где qс(т) — плотность теплового потока на границе раздела газ — стенка в твердом теле; qс(г) — то же, но в газе; (ρωу)с плотность потока массы смеси на границе раздела фаз; hc - энтальпия газовой смеси на границе раздела; hEт(с) - то же для материала поверхности, находящегося в твердой фазе.
 Рис. 15.2. Теплообмен между реагирующим газовым слоем и телом с испарением на поверхности
С учётом испарения (E(т) стремиться к E(г))
где rи — удельная теплота испарения материала поверхности с химическим символом Е.
|
Учитывая последние соотношения, уравнение (15.13) можно записать в следующем виде:
Уравнение (15.14) может быть записано и в другом виде, если учесть, что
Полагаем, что компонент E присутствует только в пограничном слое. Тогда подстановка (15.15) в (15.14) дает
Таким образом, расчет теплового потока, уходящего в стенку, сводится к вычислению параметров газовой смеси на границе раздела фаз и вдали от неё. Для определения qс(т) иногда используется уравнение
Значение hэф должно подбираться так, чтобы, например, в рассматриваемом примере удовлетворять значениям qс(т), полученным из уравнения (15.16). Практически hэф определяется экспериментально. Величина эффективной полной энтальпии может существенно изменяться в зависимости от условий протекания процессов тепло- и массообмена. Вычисление qс(т) только по уравнению (15.10) в общем случае привело бы к ошибкам: необходимо учитывать полноту переноса к стенке теплоты химической реакции или степень преобразования химической энергии в тепловую. Нами не рассматриваются задачи определения коэффициентов теплоотдачи при наличии химических реакций. Как отмечалось в § 15.2, в первом приближении могут быть использованы коэффициенты теплоотдачи, полученные для случая отсутствия химических превращений. С приемами определения коэффициентов теплоотдачи при наличии химических реакций можно ознакомиться в специальной литературе. Эффекты выделения теплоты при фазовых переходах рассматривались при изучении процессов конденсации и кипения чистых веществ. Процессы усложнялись при фазовых переходах в двухкомпонентных гетерогенных системах, однако то обстоятельство, что в последних случаях рассматривались фазовые превращения, идущие только на границах фаз, несколько упрощало задачу. Тепло- и массообмен при химических и фазовых превращениях можно считать более общим случаем по сравнению с ранее рассмотренными, однако и эта задача, несмотря на свою сложность и общность, не исчерпывает многообразия процессов тепло- и массообмена. В частности, изучаемые процессы могут усложняться при наложении электромагнитных полей, что имеет место в практике современной техники. Процессы переноса теплоты теплопроводностью, конвекцией и молекулярной диффузией часто (особенно при высоких температурах) сопровождаются процессами теплового излучения.
|
