Введение к работе
Актуальность темы .
При описании процессов совместного тепломассопереноса в пористых средах даже для простейшего случая -. недэформируеыой пористой среды при неполном насыщении ее однокомпонентной жидкостью - не существует единого феноменологического подхода, причем расхождения в физической и математической постановке подобных задач в теориях сушки, сорбции и двухфазной фильтрации при неполном насыщении носят принципиальный характер, хотя все указанные теории по своему физическому содержанию должны отражать взаимосвязанный тепломассоперенос при фазовых превращениях в капиллярнопористых средах.
Отметим, что существующие подходы практически не используют достижения в области физики поверхностных явлений.
Кроме того, рассматривая диффузию солей, в пористых средах и мембранах, необходимо учитывать, являются, ли они электролитами или же неэлектролитами. Диффузия в растворах электролитов в некотором отношении аналогична прохождению тока, т.к. градиент концентрации вызывает разность электрических потенциалов. Электрические силы, возникающие при этом, в свою очередь, влияют на перенос массы. Прикладывая постоянное внешнее электрическое поле к влажной пористой среде или мембране, в некоторых случаях можно наблюдать интенсивное перемещение влаги к одному из электродов С явление электроосмоса). Понятно, что для теоретического описания указанных явлений в электролите, который заполняет пористую среду, необходимо знание электрохимии. В то же время, анализируя предыдущие исследования и современное состояние тесоии прохождения тока через растворы электролитов, нетрудно убедиться, что традиционный подход на . основе использования уравнений Нернста-Планка для. описания диффузии и миграции ионов в электрическом поле, которые получены с помощью гидродинамической модели диффузии нейтральной примеси, не позволяют учесть перенос заряда вследствие переноса массы диссоциированными молекулами.
Для макроскопического описания процессов переноса в электролите в данной работе обосновывается небходимость использования
4 уравнений термодинамики необратимых процессов. При данном подходе нет необходимости введения и ' определения коэффициентов молекулярной диффузии катионов и анионов..
Таким образам, корректная формулировка принципов моделирования тепло-,вяаго-, солепереноса в пористых средах и мембранах предполагает использование, наряду с. классической теорией тепломассопереноса, достижений в области термодинамики необратимых процессов и физики поверхностных явлений , а также электрохимии.
Оптимизация данных процессов и управление ими важны при создании эффективных тепломассообменных аппаратов, управлении работой различных электрохимических систем, а также в агрофизике.
Цель работы :
- разработать физическую модель нестационарных процессов
взаимосвязанного тепломассопереноса в капиллярнопористых средах с
учетом термодинамики, и физики поверхностных явлений, а также
электрохимии;
на основе предлагаемой физической модели сформулировать систему дифференциальных уравнений и краевых условий для описания нестационарного тешгаклссопереноса в капиллярнопористых средах;
сформулировать систему дифференциальных уравнений и краевых условий для описания электро-, тепло-,, влагопереноса в пористой среде, частично насыщенной электролитом, при прохождений электрического тока;
- разработать методику численного решения системы уравнений
тепловлагопереноса в пористых средах и получить решения некоторых
прикладных задач.
Научная новизна работы :
предложена физическая модель нестационарных процессов взаимосвязанного тепломассопереноса с учетом условий механического и динамического равновесия тонких слоев жидкостей на искривленных поверхностях раздела фаз ;
- на оснозе предложенной физической модели сформулирована система
дифференциальных уравнений и краевых условий для описания
нестационарного тепломассопереноса с учетом капиллярных сил,
основных положений классической теории двухфазной фильтрации,
5 формул Кельвина, Клапейрона - Клаузиуса, семейства изотерм сорбции, что позволяет с единых позиций описывать процессы сушки, сорбции и фильтрации при неполном насыщении ;
- обобщены формулы Кельвина, Клапейрона - Клаузиуса для
многокомпонентной жидкости в пористой среде в функции давления
паров летучих компонентов и температуры ;
предложена система дифференциальных уравнений тепломассопереноса в деформируемых упругих капилляркопористых средах ;
для макроскопического описания процессов переноса в электролите предлагается использовать уравнения термодинамики необратимых процессов. При данном подходе нет необходимости введения и определения коэффициентов молекулярной диффузии катионов и анионов. Количество необходимых для расчета характеристик переноса значительно уменьшается, что особенно важно для описания электродиффузии в частично диссоциированном электролите.
- предложены физическая и математическая модели нестационарных
процессов тепломассопереноса в электролите в пористой среде при
прохождении электрического тока.
Автор защищает':
- систему уравнений тепломассопереноса в капиллярнопористых
средах при фазовых превращениях с учетом термодинамики и физики
поверхностных явлений для одно- и многокомпонентной жидкости, в
пористых средах;
формулы Кельвина,' Клапейрона - Клаузиуса для многокомпонентной жидкости в пористой среде в функции давления летучих компонентов и температуры;
методику учета скорости фильтрации от концентрации соли;
методику описания диффузионно-электрических явлений в электролите с использованием уравнений термодинамики необратимых процессов без введения и определения коэффициентов молекулярной диффузии катионов и анионов;
- физическую модель нестационарных процессов тепломассопереноса
электролита в пористей среде и систему дифференциальных уравнений
и краевых условий для описания электротепловлагопереноса в
перистой среде, частично насыщенной электролитом,- при прохождении
электрического тока;
- математические модели : нестационарного тепяомассопереноса, при сушке в вакууме электроизоляционной бумаги, сушке термолабильных материалов при периодическом во времени теплоподводе, увлажнении пористой гранулы паром, прохождения электрического тока через частично диссоциированный электролит .
Научная и практическая ценность работы :
1. С помощью предложенной системы уравнений с единых позиций
описываются процессы сорбции, сушки и фильтрации при неполном
насыщении. Оптимизация данных процессов и управление ими важны при
рассмотрении агрофизических задач, в промышленных тепло- и
массообменных аппаратах.
2. Уравнения тепломассопереноса в деформируемых капиллярно-
перистых средах могут быть использованы для исследования полей
напряжения гигроскопического происхождения.
3. Система уравнений и краевых условий для описания
электромассопереноса в пористых' средах, заполненных электролитом,
представляет интерее при исследовании и оптимизации работы
различных электрохимических систем, а также мембранного разделения
электролитов.
Апробация работы : Основные результаты обсуждались на семинаре лаборатории тонких слоев жидкостей в Институте физической химии РАН 1982г., на Всесоюзном семинаре по динамике сорбции и газовой хроматографии, на химфаке МГУ в 1983 г., на Всесоюзной школе по численным методам С г. Минск, 1984г.), на Годичных научных сессиях АНК ИГМО 1982-1992гг. , на Минском городском семинаре по теплофизике С 1984г.), на семинаре кафедры технологии электрохимических производств Киевского политехнического института 1992г., на семинаре теоретического отдела Института электрохимии им. Фрумкина РАН 1987,1990гг. , на Всесоюзном семинаре "Свойства воды в малых объемах" в Киевском институте теоретической физики,"на Всесоюзном семинаре "Математическое моделирование гидрогеологических процессов" (процессы геофильтрации, тепло-, влаго-, солепереноса в почвогрунтах) 1988г., Душанбе, на Всесоюзной конференции по коллоидной химии природных дисперсных систем 1987г. г. Канев, на
., 7
Всесоюзных конференциях по тепло-; и массообмену СКинск, 1972» 1976, 1980, 1984), Минском международном форуме по теплообмену І988, 1992гг.), 8-ой Национальной конференции по тепло- й массообмену 1985г., г. Калькутта, Индия, на 29-сй Польской конференции по механике твердого тела в г. Ритро, 1992г..
Публикации :
По материалам диссертации опубликовано 32 работы, в том числе одна монография и получено S авторских свидетельств на изобретение.
Структура диссертации :
Диссертация состоит из введения, девяти глав, перечня основных результатов, списка цитированной литературы С202 наименования), акта об использовании результатов диссертации. Она содержит 259 страниц, в том числе 41 рисунок.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ' РАБОТЫ.