Глава 04. Конвективный теплообмен, осложненный массообменым

Перенос массы вещества в направлении, перпендикулярном потоку жидкости (вынужденное движение), влияет на состояние пограничного слоя, а это обусловливает изменение коэффициентов теплообмена при возникновении массообмена в подобных гидро­динамических условиях. В пограничном слое происходит диффу­зионный (молекулярный) и конвективный перенос массы вещества, причем при конвективном подводе тепла потоки тепла и массы на­правлены навстречу друг другу. Конвективный перенос связан с взаимной диффузией двух компонентов газовой смеси. При испа­рении жидкости со свободной поверхности в воздух величина кон­вективного переноса определяется скоростью потока Стефана, обра­зующегося из-за непроницаемости жидкости для встречного диф­фузионного потока воздуха. Количество вещества, переносимого потоком Стефана, значительно меньше количества вещества, пере­носимого диффузионным путем. Если диффузионный перенос при­нять за единицу , то доля потока Стефана будет равна р„/( 1 — рп) (где рп— парциальное давление пара). Тогда поправочный коэф­фициент для диффузионного потока составит 1/(1 — рп).

Однако в пограничном слое (на поверхности) и в ядре потока парциальные давления паров неодинаковы.Поэтому поправочный коэффициент kc запишется так:

—среднелогарифмическое давление паров в пограничном слое). Тогда по О. Кришеру [29] расчет массообмена можно свести к расчету теплообменного процесса, используя соотношение:

Для случая совпадения в пограничном слое полей относитель­ных парциальных давлений и температур Э. Эккерт и Дж. Гарнет решили систему дифференциальных уравнений тепло- и массооб­мена при испарении воды со свободной поверхности. Из решения следует, что конвективный перенос вещества с поверхности тела в поток газов (поток Стефана) уменьшает интенсивность тепло- и массообмена. Однако опытные данные (Нестеренко А. А., Лебе­дев П. Д. и др.) показывают, что в одинаковых температурных и гидродинамических условиях при конвективном подводе тепла и испарении жидкости со свободной поверхности (или из пористых тел) коэффициент теплообмена больше, чем в отсутствие испарения (чистый теплообмен). По мнению А. В. Лыкова [41, 42], это явле­ние можно объяснить попаданием вместе с паром в пограничный слой мельчайших субмикроскопических частиц жидкости, которые в нем испаряются. Таким образом, при обтекании влажной плас­тины нагретым воздухом испарение жидкости происходит не только внутри пластины, но и в объеме пограничного слоя (объемное ис­парение).

А. В. Лыков и А. А. Нестеренко ввели в критериальные соотно­шения теплообмена критерий Гухмана: