.

Тепло- и массообмен

 

Тепломассообмен – раздел физики, в котором рассматриваются процессы переноса теплоты (энергии) и массы (вещества) Явления теплообмена связаны с не обратимым переносом энергии из одной части пространства в другую и вызваны разностью температур, а явление массообмена – с перемещением вещества из одной части пространства в другую и вызваны разностью концентраций.

Тепломассообмен в технике  На практике, тепломассообмен происходит во многих технических системах, использующих в своей работе жидкие или газообразные среды. Это — котельные установки, тепловые сети, литейное производство, различное теплообменное оборудование, например, электростанций, конструкции зданий и сооружений и т. д. Сама рабочая среда, при этом, чистое вещество или различные смеси и растворы, может оставаться постоянной или, меняя агрегатное состояние, осуществлять фазовые переходы, такие как, испарение в паровоздушную среду, конденсация пара из смеси «пар — воздух», остывание расплавов и т. п.
К технологиям, в основе которых лежат тепломассообменные процессы, относят следующие:

  •     Зональная плавка
  •     Кристаллизация
  •     Сушка
  •     Сублимация (возгонка)
  •     Дистилляция
  •     Растворение
  •     Увлажнение
  •     Набухание

Процесс тепломассообмена не может быть сведёт к простой сумме теплопередачи и перемещения массы. Причина в том, что, в технике, обычно, течение жидкостей или газов сопровождается неравномерным распределением температуры, а иногда, как следствие, давления. При этом механические свойства среды — плотность, вязкость, теплопроводность, могут сами зна́чимо зависеть от этих параметров. То есть, вопросы распространения тепла в среде и движение среды становятся связанными. Дополнительной сложностью может стать неустойчивость текущего состояния таких сред.  Итак, в зависимости от конкретных условий, процессы тепломассообмена протекают по-разному. Они имеют различные закономерности развития и описываются различными математическими уравнениями. Исследование подобных особенностей и является предметом изучения тепломассообмена.
Тепломассообмен, в отличие от термодинамики, рассматривает развитие процессов в пространстве и времени. Расчёт процессов тепломассообмена позволяет определить распределения температур, концентраций компонентов смеси, а также потоков теплоты и массы среды как функции координат и времени.Существенный вклад в развитие теории тепломассообмена среди отечественных учёных, внесли: А. И. Вейник[3], М. В. Кирпичёв, С. С. Кутателадзе, А. В. Лыков, Б. С. Петухов, В. И. Субботин.

 Перенос энергии в виде теплоты

  • - теплопроводность
  • - конвекция
  • - тепловое излучение

 Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, вызванный разностью температур.

 Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении макроскопических объёмов жидкости или газа из областей с одной температурой в область с другой, при этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом вещества.

 Процессы конвекции сопровождаются теплопроводностью, этот совместный процесс называется конвективный теплообмен.

 Тепловое излучение – процесс переноса теплоты, обусловленный превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом её в вид электромагнитных волн и поглощением веществом.

Перенос вещества происходит с помощью диффузии и конвективного массообмена.

 Диффузия – молекулярный перенос вещества в среде, вызванный разностью концентраций (концентрационная диффузия), температур (термодиффузия) или давлений (бародиффузия).

 Конвективный массообмен – перенос вещества, вызванный совместным действием конвективного переноса вещества и молекулярной диффузии.