Экспериментальные исследования процесса тепломассообмена и химических реакций углерода с газами (стр. 4 из 6)
, (7)где Q1, Q2 – тепловые эффекты химических реакций (I) и (II), рассчитанные на единицу массы кислорода, Дж/кг; Q3 – тепловой эффект реакции (III), рассчитанный на единицу массы углекислого газа, Дж/кг;
- суммарная плотность химического тепловыделения, на поверхности и внутри частицы, соответственно, Вт/м2.2.2. Взаимовлияние кинетики химических реакций и массообмена пористых углеродных частиц с газами.
Влияние относительной скорости движения частицы на кинетику химических реакций и тепломассообмен учитывается радиусом приведенной пленки
, на поверхности которой задаются параметры невозмущенного потока [1, 2]. Для случая отсутствия вынужденной и естественной конвекций (частица неподвижна относительно газа, Nu=2) радиус приведенной пленки равен бесконечности. Радиус приведенной пленки уменьшается с увеличением интенсивности естественной и вынужденной конвекций, приближаясь к радиусу частицы 
. Зависимость 
от критерия Нуссельта имеет вид: 
(8) 
, (9) 
, [5, 10] 
, 
, 
, 
, 
, 
,где
– критерии Рейнольдса, определяющие суммарную, вынужденную и естественную конвекции; Gr, Pr – критерии Грасгофа и Прандтля; V - относительная скорость частицы, м/с; 
g – кинематическая вязкость газа, м2/с; g – ускорение свободного падения, м/с2; аg – температуропроводность газовой смеси, м2/с; 
- коэффициент теплопроводности газовой смеси, Вт/(м К); 
- коэффициент теплопроводности газовой смеси при 
, Вт/(м К); 
- коэффициент массообмена, м/с; 
- удельная теплоемкость газовой смеси, Дж/(кг К); 
- температура газовой смеси на бесконечном удалении от поверхности частицы, К; 
- коэффициент диффузии кислорода в газовой смеси, м2/с; 
- коэффициент теплообмена, Вт/м2 К.Зависимости относительных массовых концентраций кислорода (
), диоксида углерода ( 
), оксида углерода ( 
) и азота ( 
), а так же скорость стефановского течения ( 
), для 
, находятся из решений уравнений, в которых левые части представляют потоки масс газообразных компонент через произвольную поверхность радиуса r, а правые – скорости образования или исчезновения масс этих компонент в результате химических реакций 
(10)
, 
,где
– молярная масса угарного газа, кг/моль; 
- текущая скорость стефановского течения, м/с.Предполагая, что коэффициенты диффузии компонент газовой смеси равны
и, применяя условие, 
, из (10) получим уравнение неразрывности 
, (11)где Wc определяется формулой (6),
- скорость стефановского течения на поверхности частицы, м/с.Для решения (10) зададим граничные условия
и введем безразмерные координаты
, 
. (12)Учитывая (8) и (9), получим, что безразмерная скорость стефановского течения на поверхности частицы
,где
- относительные массовые концентрации; j-1 для О2, 2 - СО2, 3 - СО, 4 - N2; 
― относительные массовые концентрации компонент газовой смеси на поверхности частицы и приведенной пленки.Решение (10) и (11) представим в виде
или 
(13)Скорость химического превращения углерода в газообразные компоненты может оказывать влияние на интенсивность теплообмена поверхности частицы с газом. Для определения плотности теплового потока, характеризующего теплообмен частицы с газом, воспользуемся предположением о квазистационарности поля температуры газовой фазы и частицы. В этом случае (
) тепловой поток через произвольную поверхность радиуса 
является постоянным и равен произведению плотности теплового потока на поверхность частицы. 
.С учетом уравнения неразрывности (11) представим в виде
.Задавая граничные условия
, 
и безразмерные координаты в виде (12), решение представим в аналогичном (13) виде 
, 
.При
выражение для 
получим в виде 
.Так как
, то, представляя 
, из последнего выражения получим возможность выразить в виде суммы плотностей тепловых потоков за счет теплообмена и стефановского течения 
или
.Получено, что плотность теплового потока
в основном определяется теплообменом, а стефановкое течение оказывает не значительное влияние, таким образом, плотностью теплового потока за счет стефановского течения можно пренебречь.