Способ определения коэффициентов массопереноса и устройство для его осуществления

 

Использование изобретение относится экспериментальной физике. Сущность1 образец простой геометрической формы Измерение концентрации проводят в регулярном режиме массопереноса. Определяют темп изменения концентрации . Коэффициент диффузии и число Стентона определяют по приведенным зависимостям При этом исследуемый образец выпол( н из пористого материала Внутри него размещен датчик концентрации , который соединен с резервуаром с диффундирующим веществом

(19) RU (1Ц 2ООЗО76 С1 (5Ц 5 G 01 N 15 08

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

ОПИСАНИЕ ИЗОЬРЕтКН

K ПАТЕНТУ

4 (21) 4229922/25 (22) 13.04.87 (46) 15.11.93 Бюа М 41-42 (71) Институт теплофизики СО AH СССР (72) Бояршинов Б.Ф Терехов В.И. Волчков Э.П„

Моисеенко ВВ. (73) Институт теппофизики СО PAH (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТ08 МАССОПЕРЕНОСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к экспериментапьной физике. Сущность: выбирают образец простой геометрической формы Измерение концентрации проводят в регупярном режиме массопереноса. Определяют темп изменения концентрации. Коэффициент диффузии и число Стентона определяют по приведенным зависимостям. При этом исследуемый образец выполгэн из пористого материала Внутри него размещен датчик концентрации, который соединен с резервуаром с диффундирующим веществом.

2003076 I0 (2) Do

О= —

Изобретение Относится к экспериментальной физике, в частности к технике проведения исследований процессов переноса легцествэ, когда необходимо Определить ко

: —,ôôûöèpíTû массопереноса в обьеме тел

Ьоэффициент диффузии D), или на их поверхности (например, диффузионное число

C ген гона Sag). Изобретение может быть исгользовано при анализе работы аппаратов

-:т:- ционлрного зернистого слоя, при исслед;:n„"..Иии процессов сушки, в хроматографии, а также при изучении конвективного ,.",:,",у::;.песс„,-toã,а B случае Обтекания тел f азо"

Р: (Р ): )ПтлКОР !

4звестен способ определения коэффи: и. „.: <та г1иффузии который заключается

-пМ. ПО Па ПСНОВаНИИ ИЗМЕРЕНИЙ ВРЕМЕНИ процесса "> концентраций в разных элементах системы, составленной из двух камер, сооЬца Ощихся через капилляр, Оассчитывается ко ффициент диффузии, I-едостатком способа является неОбхо" ,;тимость в получении данных о концентраи /pe j) ра н - " - QeMpffтах системы а также и ;. бхай, имость. учета начальных значений кс и:,ентраций компонентов. Полученные в -! " 8 Aëë ди+4узии чеоез капилляр не ца:;: возможности суди ь - протекании ,,:, Оцсссов ггереноса в обьеме пористых материалов и на их поверхнОсти.

Другой способ определения коэффициента диффузии пригоден для определения

<оэффициента диффузии в пористых телах.

Он Основан на измерении пористости 8, коэффициента извилистости Т с использованием известного или измеренного значения коэффициента диффузии вне пористого материала Do, Определение коэффициента диффузии осуществляется по формуле

Недостатком этого спо"îáà является необходимость проведения предварительных измерений пОристОсти и извилистОсти, что приводит к снижению точности результатов, Способ не может быть использован для определения коэффициентов переноса на поверхности пористых тел, так как основан на учете влияния на массоперенос лишь внутренних свойств пористых материалов г и 1, что сужает диапазон применений crioсоба, Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является спОСоб определения диффузионного числа Стентона.

Он Основан на измерении потока вещества

)ст {кг/м с) и его концентрации Сст на поверг хности, обтекаемой газом или жидкостью.

Местное значение диффузионного числа

Стентона находится по формуле, связывающей оба коэффициента массопереноса Stg u

Зт9

Ро Wо(Сст Со) -p Do (— )ст дС

po Wo (Сст — Co ) где Co, po, В4 — соответственно концентрация, плотность (кг/мз), скорость (м/с) в ядре течения, Y (м) — расстояние от поверхности.

Для нахождения среднего по поверхности F (мг) значения диффузионного числа

Стеитона может быть использовано выражение

St9 - — J St9dF (3)

F F

Недостатком способа является необходимость измерения набора разнородных дС величин )ст; Сст, (— с последующим их дY осреднением. Однако полученное значение коэффициен а диффузии Do соответствует внешнему течению, а не диффузии внутри обьема обтекаемого тела, например, пористого; Это также ограничивает область его применения, Целью изобретения является расширение области его применения, т.е. измерение коэффициентов массопереноса как в объеме тел так и на их поверхности, упрощение процедуры измерений и, тем самым, повышение точности определения коэффициентов массопереноса.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициентов массопереноса веществ, заключающемся в измерении концентрации вещества, диффундирующего из образца, помещенного в жидкость или газ и вычисления на основании измерений коэффициентов массопереноса, в качестве образца выбирают тело простой формы (шар, цилиндр, слой) и приводят измерения концентрации в регулярном режиме массопереноса в одной и той же точке его объема в разные моменты времени, определяют темп изменения концентрации и. коэффициент диффузии рассчитывают по формуле

D=iK п 9 (4) в среднее для поверхности образца диффузионное число Стентона определяют по соотношениям

2003076 для слоя (6) I m9 D — 1

ЯТ9для шара

5 для цилиндра — 1

Ыв= х

1

Be $с

I m9 I3 для шара — 1

Stg= х

S99

Re Sc ctg p>

1 1 Ъ щ97Д

Re Sc г где О(— ) — коэффициент диффузии внутри с образца„

К (м ) — геометрический параметр;

mg (с ) — темп изменения концентрации

Sty — число Стентона среднее по поверхности образца;

Re — число Рейнольдса;

Sc — число Шмидта;

1о и lt — функцйя Бесселя первого рода соответственно нулевого и первого порлдK9, ! (м) — линейный масштаб образца, равный половине его минимального габаритного размера, "причем для реализации способа может быть использован образец, выполненный из пористого газопроницаемого материала, Способ заключается в распространении методов теории нестационариой теплопроводности на процессы массопереноса.

Такой подход основан на подобном описании переноса тепла и вещества.

Исходя из известных соотношений определяется коэффициент диффузионного массопереноса, усредненный по поверхности для слоя для цилиндра

Re . Sc 4(р ) 15

ЗО

55 пр/0 1 1 ЯрЛЗ 1

Re Sc fo(3 mg О )

Stg (1 -- -"- ) =

Re Sc tg p< где o(p3) и t1(p1) — функция Бесселя первого рода соответственно нулевого и первого порядка.

Работа схемы асуществляетсл следующим образом, Внутри образца простой формы (шар, цилиндр, слой), например, пористого, помещаетсл датчик концентрации, B качестве датчика мажет использаВатьсл миниатюрный катарометр, Перед проведением измерений пористый образец, длл которого известен коэффициент К, насыщают диффундиру1ощим веществом. Обдувая образец

floToKGI4 газа, проВодлт регистрацию изме ненил концентрации Ва времени, На основании г1олученных данных определяют1емп изменения концентрации, затем — коэффициент диффузии, Коэффициент канвективного массоперенаса, осредненный по поверхности, вычисляют по известной формуле. В принципе длл реализации способа достаточно г*-раведения двух замеров концентрации в регулярном режиме массапереноса.

Использование регуллрнога режима массопереноса позволяет на основании измерений в одна л и той же точке исследуемого образца по величине темпа изменения концентрации определить коэффициент диффузии как в однородной среде, так и в пористых телах, а также коэффициент конвективнога массоперенаса; осредненный по поверхности, обтекаемой газовым потоком. С его помощью можно определить некоторые внутренние характеристики пористых материалов так, например, коэффициент извилистости по формуле (1). Спо соб не требует проведения измерений в разных тачках исследуемого объема, начальнал концентрация диффундирующего вещеСтва и координата расположения датчика концентрации не учитываютсл и могут быть В616раны произвольна.

Пример, Определение коэффициентов массопереноса проводили при диффузии углекислого газа в кварцевом песке с размерами зерен 0,2 мм. В качестве образца был вь:бран сосуд диаметром б=-150 мм и

II °

2003076 высотой I-40 мм, наполненный песком до краев, Измеренная пористость составляла е-0,4. Поверхность песка обдувалась воздухом со скоростью Wo-5 м/с. Боковые стенки и дно сосуда непроницаемы для газа, поэто- 5 му можно считать, что потоки вещества и соответственно градиенты концентрации на стенках равны нулю. Это соответствует рассмотрению неограниченного слоя песка толщиной 2l-80 мм, обтекаемого с обеих 10 сторон воздушным потоком. о Измерения концентрации углекислого газа осуществлялось миниатюрным катараметром, при этом точки измерений были на глубинах h-5,10 и 15 мм, 15

Для наглядности оценим диффузионные параметры образца. Среднее по поверхности песка диффузионное число Стентона определим из наличия над его поверхностью ламинарного пограничного слоя, Тогда 20 из 4 местное число Стентона St-0,332/

Red, а среднее значение

pt = I /11 1,53

0,664

0,664 (5 — 0,15 м )/15 10

D6,83 10 " 0,007=4,78 10 (—.), с отсюда можно получить значение коэффи40 циента извилистости. Для е =0,4

Т-e — =

Do

О м2

0,4 0,155 10 с

1,3 г

4,78 10 с

Отметим, что это значение совпадает с ре50 зультатами оценок работы (2), где получено

Т-1,13-1:,41. Далее находим среднее по поверхности песка диффузионное число Стентона по формуле / п ч

1 Π— 1

St

Re Sc

ctg (1 — ) Ы . " — 4 М

0,3 0.155 10 с

1 х

1,33 "10 0 96 — 1 0,664

St - — j Sty Req =

Вед Reg

2,97 10 здесь в соответствии с теорией конвективного переноса число Рейнольдса строится по длине взаимодействия воздушного потока С поверхностью, Число Рейнольдса. рассчитанное по характерному масштабу слоя

l х

R8 — — -1,33 - 10 м

15 - 10 с число Шмидта из (4) $с=0,96. Тогда диффузионное число Био

В 5,1 е,5с 297 10 31,33 . 104 х 0,96- 37,9 < 100 оценим также время выхода системы на регулярный режим массопереноса, полагая в соответствии с(2) 0 0 3 Оо при Оо 0.155 10 м /c (е) о ,р

Tp =

О далее находим первый корень характеристического уравнения для ВЬ =37,9, например. fthm -1,53, или

Из него и определяется коэффициент диффузии

Dv mg-К що

1 (ф) mg 6,83 10 mg

1 -4 (д- У

Получена связь темпа изменения состава и коэффициента диффузии. Очевидно, что все предыдущие выкладки были бы не нужны, если заранее созданы условия Big>100, тогда можно сразу положить,и .=ж/2-1,57 и соответственно К=6.49 10 м .

Перед проведение опытов образец про. дувался углекислым газом далее подача газа прекращалась и регистрировалось изменение концентрации во времени при обдуве . поверхности песка воздухом. Время выхода кривой на линейный участок составляет

100 с, что соответствует предыдущим оценкам, и наклон всех кривых одинаков и не зависит от координаты измерений внутри образца, при этом темп измерения состава составляет величину mg=0,007 с 1. Тогда коэффициент диффузии в песке

2303076

ГВР

2,99 10 сщ (0,04 0 007 )

4,78 10

Формула изобретения

$ц= — 1-— — 1 evm +

КеЯс tg (е угйц4 .) Составитель Б.Бояршинов

Техред М.Моргентал Корректор С.Лисина

Редактор

Тираж Подписное

НПО" Поиск" Роспатента

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5

Заказ 3230

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина 101 что также совпадает с предыдущей оценкой

Здесь необходимо сделать следующее замечание. Поскольку формула (6) отражает связь Big-St Re Sc и,и то для.целей более точного определения St необходимо измерение проводить в условиях; когда зависимость Big от р1 наиболее сильная, т.е. при

Big -«О, практически Big 5. С этой точки зрения выбор размеров образца и скорости

1. Способ определения коэффициентов массопереноса веществ, заключающийся в измерении концентрации вещества, диффундирующего из образца, помещенного в жидкость или газ, и определении по полученным значениям коэффициентов массопереноса, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем определения коэффициентов массопереноса внутри образца и на его поверхности, выбирают образец в виде слоя, цилиндра, шара, а измерения концентрации проводят в регулярном режиме массопереноса, определяют скорость изменения концентрации, коэффициент 0 диффузии рассчитывают по формуле

0=1< mg, а среднее по поверхности образца число

Стентона определяют по соотношениям: для слоя — 1 evm Ъ

Stg

-Я—

ReS< ctg(е vmg g) для цилиндра .Sgg-—

— е ч rn 7î J1 е ч"т 7о )

ReSc Jo(vmg+) для шара обтекания для определения St далек от оптимал ьно го, так как В ig=37,9 >5.

Таким образом, для исследуемого образца на основании измерений темпа изме5 нения концентрации получены значения коэффициентов массопереноса внутри образца О, на его поверхности Stg, а также внутренняя характеристика пористого материала — песка — коэффициент извилисто10 сти Т; (56) Авторское свидетельство СССР

М 728052, кл. 6 01 и 13/00, 1980, Волчков Э,П. Пристенные газовые заве15 сы; Новосибирск, Наука, 1983, с.139, 141. где 0 - коэффициент диффузии внутри об20 разца,м / с;

К - коэффициент Кондратьева, м ;

mg - темп изменения концентрации, с 1;

Stg - число Стентона, среднее по поверхности;

Re - число Рейнольдса;

S< — число Шмидта;

Jo и J1 - функции Бесселя первого рода соответственно нулевого и первого пор ядка; е - линейный масштаб образца, равный половине его минимального габаритного размера, м;

2. Устройство для определения коэффициентов массопереноса, содержащее участок поверхности, контактирующей с потоком жидкости или газа, и датчик концентрации, отличающееся тем, что, с

40 целью расширения области применения при определении коэффициентов массопереноса внутри образца и на его поверхности, исследуемый Образец выполнен из пористого материала„внутри которого раз45 мещен датчик концентрации, соединный с блоком регистрации, а образец соединен с резервуаром, содержащим диффундирующее вещество.