Герман Ефремов - Макрокинетика сушки

На практике процессы часто являются совмещенными. Так при сушке удаление влаги (массообмен) происходит обычно при нагревании материала и, следовательно, процесс тепломассооменный (перенос тепла и массы).

Одним из главных законов при переносе массы является закон сохранения массы. Этот закон установлен М. В. Ломоносовым. Для элементарного объема он может быть получен следующим образом.

Рис. 1.1 К выводу закона сохранения массы.

Рассмотрим поток вещества через грани элементарного объема. Плотность ρ и скорость потока u в общем случае изменяются в пространстве и во времени:

Рассмотрим изменение массы вдоль оси х (Рис. 1.1). Если проекция скорости потока на входе в элементарный объем ux, то на выходе из него, с учетом изменения на длине dx она составит:

.

Тогда изменение массы вдоль оси х за счет изменения скорости составит:

.

Аналогично определяется изменение массы вдоль остальных осей. Суммарное изменение массы, отнесенное к единице объема, вдоль всех координат должно быть равно нулю:

Выражение в скобках в уравнении (1.2) называется дивергенцией вектора скорости и обозначается div u . С учетом его получим для (1.2):

Это выражение закона сохранения массы и оно известно в гидродинамике, как уравнение сплошности, неразрывности потока. В элементарной форме это уравнение для одномерного потока, движущегося со средней скоростью v примет вид:

где М – массовый расход потока, S – площадь его поперечного сечения.

Для несжимаемых жидкостей ( ρ = Const) уравнение (1.3) упрощается:

Для описания химического процесса в уравнении (1.2) вместо плотности подставляют массовую концентрацию компонента С. С учетом скорости образования этого компонента по химической реакции r , если она имеет место, для уравнения (1.2) получим:

С учетом, что концентрация компонента изменяется в пространстве и во времени, получим:

В частном случае для стационарных процессов первый член в левой части уравнения (1.6) равен нулю, а в случае отсутствия химической реакции правый член этого уравнения также равен нулю.

В движущемся потоке газа или жидкости действуют массовые и поверхностные силы. Они оказывают влияние на взаимодействие, соударения молекул, что обуславливает перенос количества движения. По второму закону Ньютона изменение количества движения в единицу времени (импульс) численно равно силе:

Поэтому баланс сил в движущемся потоке представляет собой закон сохранения количества движения (импульса).

Рис. 1.2 К выводу закона сохранения количества движения.

Рассмотрим равновесие сил в движущемся потоке в проекциях на ось х (Рис. 1.2). На правую и левую грани действуют силы давления. Их проекция на ось х составит –

.

Проекция массовой силы Q на ось х запишется:

.

На верхнюю и нижнюю грани действуют силы вязкостного трения. Их проекция на ось х составит .

С учетом закона Ньютона для вязкостного трения:

имеем проекцию сил вязкостного трения на ось х :

.

Здесь выражение в скобках – оператор Лапласа от проекции скорости на ось х, он обозначается Δ u xили 2 u x.

Так как сумма проекций всех сил равна проекции силы инерции:

,

относя все силы к единице объема, получим:

Последние два уравнения получены аналогично для осей у и z, а в целом система уравнений (1.10) в гидрогазодинамике называется уравнениями движения вязкой жидкости Навье-Стокса и выражает закон сохранения количества движения.

Система уравнений Навье-Стокса может быть записана более детально, если раскрыть полную производную проекции скорости. Так уравнение для оси х, например, при делении всех его членов на ρ , c учетом, что ν = μ/ρ, будет иметь вид:

.

Аналогично записываются уравнения для осей у и z.

Рассмотрим сначала закон сохранения энергии для движения идеальной жидкости. Так как в идеальной жидкости отсутствуют силы вязкостного трения, то для этого случая из системы уравнений (1.10), положив проекции силы вязкости равным нулю, получим следующую систему (система уравнений движения идеальной жидкости Эйлера):

.