Esitä graafisesti tehollinen Knudsen diffuusiokerroin, tavallinen
Transcription
Esitä graafisesti tehollinen Knudsen diffuusiokerroin, tavallinen
Ene-39.4027 Mass Transfer, syksy 2015 Harjoitus 4 (5.11. – 12.11.) Tehtävä 1 on kotitehtävä. Deadline 12.11.2015 klo 12:00 mennessä. Tarkemmat ohjeet, katso MyCourse:ssa oleva Course info. 1.* a) Osoita että partikkelien keskimääräinen vapaamatka m esittää ideaalikaasulle muodossa m kaasun tiheys. (0.5 pistettä) mp 2 ii2 k BT 2 ii2 p voidaan missä mp = partikkelin massa ja b) Esitä graafisesti tehollinen Knudsen diffuusiokerroin (DAK,eff), tavallinen tehollinen diffuusiokerroin (Deff) ja pölyisen kaasun mukainen kokonaisdiffuusiokerroin (DA) materiaalin huokoskooon funktiona tilanteelle, jossa vedestä märkää huokoista materiaalia kuivataan lämpötilassa 300 K ja paineessa 0.1 bar. Määritä kuvan perusteella milloin Knudsen diffuusiota ei tarvitse huomioida (Knudsen diffuusion huomioimatta jättäminen aiheuttaa <5% virheen kokonaisdiffuusioon) ja milloin taasen tavallista diffuusiota ei tarvitse huomioida (tavallisen diffuusion huomioimatta jättäminen aiheuttaa <5% virheen kokonaisdiffuusioon). Materiaalille tunnetaan: - paksuus 2.5 cm - materiaalin tilavuus 0.1 m3 - materiaalin paino kuivattuna 90 kg - kiinteän aineen tiheys 1560 kg/m3 (kiinteän aineen massa/kiinteän aineen tilavuus) - materiaalin kosteus wr = 0.1 Elektronimikroskooppikuvista pääteltiin, että materiaalin geometriaa voidaan mallintaa ja mutkittelevuus määrittää alla olevan kuvan avulla. Kuvan suorakaiteet ovat vesihöyrylle läpäisemättömiä, joten höyry joutuu puikkelehtimaan niiden väleissä. Tarkastelua yksinkertaistetaan siten, että rakenne pysyy huokoskoosta riippumattomana. (1.5 pistettä) i = 4.0 kg/s) jäähdytetään tilasta (25 oC, 70%) tilaan (10 oC, 90%). 2. Ilmavirtaa ( m Patterin otsapinta-alaksi valitaan 0.9 m2, jolloin ulkopuolinen lämmönsiirtokerroin on 45 W/m2K. Jäähdytyspatterin ulko- ja sisäpinta-alojen suhde on Au/As = 27, sisäpuolinen lämmönsiirtokerroin freonille 1000 W/m2K ja höyrystymislämpötila -5 oC. Yhden putkirivin ulkopuolinen lämmönsiirtopinta-ala on 24 m2 laskettuna otsapintaneliömetriä kohti. Laske tarvittava putkirivien lukumäärä z patterin syvyyssuunnassa. 3. Kaksi pientä säiliötä (molempien tilavuus 3 cm3) on yhdistetty toisiinsa putkella, jonka pituus on 1 cm ja poikkipinta-ala 0.01 cm2. Aluksi säiliöt ovat samassa lämpötilassa ja ne ovat täytetty kahden komponentin seoksella (binääriseoksella), jossa molempia komponentteja on yhtä paljon. Toista säiliötä aletaan lämmittää siten että sen lämpötila on 50 oC ja toisen lämpötila on 0 oC. Laske millaiseen ns. erotukseen (eli säiliöiden mooliosuuksien eroon) ajan myötä lopulta päädytään, kun seos on a) vety - metaani b) etanoli - vesi 4. Lieriömäisessä muoviastiassa (H = 1 m, d = 0.2 m) on vetykaasua paineessa 150 kPa ja lämpötilassa 300 K. Mikä on moolivirta astian läpi alussa? Arvioi kauanko kestää, kunnes paine astiassa on laskenut 10%. Vetykaasusta koostuvan ympäristön paine on 100 kPa ja lämpötila 300 K. Astian seinämän paksuus on 5 mm ja astian tilavuuden voidaan olettaa pysyvän vakiona. Astialle on tehty aiemmin läpäisevyyskokeita ilmalle, jolloin permeabiliteetiksi on saatu 2.66 * 10-21 m2. Tällöin ilman kinemaattisena viskositeettina käytettiin arvoa 16 * 10-6 m2/s. Vedyn kinemaattinen viskositeetti on 111 * 10-6 m2/s. 5. Säiliössä on 12%:sta NaCl-vesi-liuosta (sekoitettu suhteessa 120 g kiteitä/1 kg vettä). Säiliön yksi seinä muodostuu kalvosta (A = 1 m2). Säiliön ulkopuolella on puhdasta vettä (1 bar). a) Laske kuinka suuri paine voi säiliöön enintään syntyä säiliöön, kun kalvo päästää ainoastaan vettä läpi (ideaalinen kalvo, alla olevassa kuvassa oleva mäntä pidetään paikoillaan). Laske syntyvä paine molemmissa tapauksissa: liuosta tarkastellaan ideaalisena ja liuosta tarkastellaan reaalisena. Veden aktiivisuuskerroin ko. liuoksessa on 0.998. b) Kuinka paljon työtä on teoreettisesti mahdollista laitteesta saada, kun säiliön toisessa päässä oleva kitkaton mäntä vapautetaan tilanteessa, jossa säiliöön on kehittynyt a- kohdan mukainen maksimipaine? Liuoksen kompressibiliteettinä voidaan käyttää veden isotermistä kompressibiliteettiä T= 4.6·10-10 1/Pa. Lämpötila oli 298 K ja ympäristön paine 1 bar. ideaalinen osmoosikalvo pudas vesi liuos