Конвекция при вращении жидкости

Третий механизм массопереноса — конвекция, т. е. перенос вещества вместе с потоком движущейся жидкости. В естественных условиях конвекция возникает в результате градиента плотности раствора, который, в свою очередь, является следствием концентрационных изменений в поверхностном слое или связан с разогреванием приэлектродного пространства при прохождении электрического тока. Естественная конвекция может быть вызвана также выделением газообразных продуктов электродных реакций. Искусственную конвекцию создают перемешиванием электролита или вращением самого электрода. Конвекция не может устранить диффузию, так как по мере приближения к электроду скорость движения жидкости относительно его поверхности падает, а градиент концентрации возрастает. Поэтому чем ближе к поверхности, тем большую роль в процессе массопереноса играет диффузионный механизм. [c.172]

Фиг. 42. Схема распределения потоков жидкости при выращивании кристаллов по Чохральскому в модельном опыте с прозрачной жидкостью при тепловой конвекции в отсутствие вращения (а), при вращении кристалла б, в) и при вращении тигля (г, д) [296].

СВОБОДНАЯ КОНВЕКЦИЯ ПРИ ВРАЩЕНИИ ЖИДКОСТИ [c.456]

Вращающийся дисковый электрод широко используют при изучении кинетики электрохимических реакций, для исследования процессов электроосаждения и коррозии металлов, в аналитических целях. Так как все участки поверхности вращающегося диска одинаково доступны для диффузионных процессов, такое устройство выгодно отличается от других гидродинамических систем с принудительной конвекцией. Кроме того, существенно упрощается рассмотрение процессов массопереноса к поверхности испытуемого электрода. При быстром вращении дискового электрода вокруг оси жидкость, соприкасающаяся с центральными частями диска, отбрасывается центробежной силой к его краям. Вследствие этого около центра диска создается разрежение, и струя жидкости направляется из объема раствора к центру диска. Таким образом, точкой набегания струи жидкости становится центр диска. По мере удаления от центра диска возрастает линейная скорость движения жидкости. В соответствии с гидродинамикой при ламинарном режиме перемешивания у поверхности вращающегося диска образуется граничный слой постоянной толщины бгр с монотонным изменением скорости движения жидкости. Чем ближе к поверхности диска, тем меньше скорость потока и тем большее значение приобретает диффузия в подводе либо отводе продуктов реакции. В конечном итоге распределение концентрации реагирующих веществ у поверхности вращающегося диска обусловлено диффузией в потоке жидкости. Эта особенность становится понятной, если иметь в виду, что в случае непо- [c.74]

Вращающиеся границы раздела жидкость — твердое тело передают это вращение соседним слоям жидкости посредством сил вязкости, возникающих за счет действия в жидкой среде касательных напряжений. Вращение массы жидкости приводит к появлению центробежных, а также кориолисовых сил. При этом кориолисовы силы возникают вследствие относительных движений жидкости, т. е. течений, развивающихся именно во вращающихся системах, как, например, движение воды в океанах и перемещение воздушных масс в атмосфере Земли. Эти две силы взаимодействуют с силами гравитационной конвекции, которые в свою очередь обусловлены неоднородностями плотности жидкости. Изменение плотности может быть сконцентрированным локально, как, например, в струе, или же может формироваться в обширной среде, например в стратифицированном по плотности жидком слое. [c.456]

Вместе с тем для жидкости с Рг = 3100 вращение мало влияло на теплопередачу при А < 0,3. Соответственно при увеличении А вплоть до весьма больших значений теплопередача продолжала убывать. Затем под действием конвекции, вызываемой центробежными силами, теплопередача вновь начинала возрастать. При Рг = 7,2 увеличение Та обеспечивало стабилизацию неустойчиво стратифицированной жидкости. [c.461]

Сушествует минимум частоты вращения кристалла, при котором возникает вынужденная конвекция. Переход от свободной конвекции к принудительной вызывает изменение конвекционного потока от стенок тигля к кристаллу на обратный поток подъем расплава с более высокой температурой в центральном столбе жидкости к межфазной границе кристалл — расплав и последующее движение охлажденного расплава к стенкам тигля [42]. Повышение температуры в центральной части фронта кристаллизации ведет к подплавлению конуса кристалла с изменением фронта кристаллизации от выпуклой к плоской или вогнутой в соответствии с изменением положения изотерм. [c.210]

В 1850 г. Стокс ([13], т. 3, стр. 21) предположил, что воздействие жидкости можно вычислить с весьма большой степенью точности, если рассматривать каждый элемент поверхности твердого тела как элемент некоторой бесконечной плоскости, колеблющейся с той же линейной скоростью . Хотя Стокс предложил это только для крутильных колебаний твердого тела вращения вокруг его оси, то же самое приближение было предложено и для малых поступательных колебаний ). Поскольку эта идея вытекает из теории пограничного слоя Прандтля ( 27), если пренебречь конвекцией, то вычисленную выше силу мы будем называть силой пограничного слоя. [c.229]

II. Конвективное движение жидкости в значительной степени увеличивает транспорт электрохимически активных частиц по сравнению с тем, что обсуждалось в связи с уравнениями (1.25) — (1.27) для условий естественной конвекции [44]. Наиболее эффективными методами перемешивания растворов, дающими воспроизводимые результаты, являются вращение или вибрация са-, мого изучаемого электрода. Для электрода в виде вращающегося диска по всей рабочей поверхности толщина диффузионного слоя б постоянна и может быть рассчитана по формуле ]33, 44] [c.27]

Обилие публикаций по конвекции вынудило меня тщательно отбирать материал, включая в книгу только результаты, выявляющие характер процессов формирования структур конвективных течений, главным образом — в простейшем случае слабонеоднородного слоя. Поскольку любое усложнение постановки задачи сильно расширяет множество возможных режимов и структур, многие интересные и важные вопросы остались за рамками монографии или затрагиваются лишь бегло. Среди них — влияние вращения, магнитного поля, двойной диффузии и вибрации слоя как целого, конвекция в пористых средах, конвекция в слое, состоящем из расположенных друг над другом подслоев разных несмешивающихся жидкостей, и т.д. Не рассматриваются в книге и важные проблемы, относящиеся к динамическому хаосу — сложному детерминированному поведению нелинейных систем, которое активно изучается гидромеханиками и описывается в ряде монографий. [c.8]

Значительное повышение чувствительности дает интенсивное перемешивание раствора. В этом случае предельный ток зависит не от коэффициента диффузии, а от скорости подведения деполяризатора (управляемой интенсивностью -конвекции) к поверхности электрода. Лучшие результаты были получены Кольтгофом, Иорданом и Прагером . Их индикаторный электрод состоял из кюветы, сделанной из капиллярной трубки, высотой 1 см с отверстием 1,5—2 мм в диаметре, наполненной ртутью или амальгамой и смонтированной на оси а центре полярографической ячейки. iB такой кювете ртуть как бы прилипает к стенкам капилляра и не колеблется, даже подвергаясь быстрому вращению. Если диаметр капилляра больше 2 мм, то токи будут неправильными и невоспроизводимыми, так ак в этом случае поверхность ртути колеблется. Предварительно кювету покрывали силиконовой жидкостью. Объем исследуемого раствора составлял 150 мл. Электрод вращался со скоростью 900 об/мин. Авторы исследовали ионы ртути (И), таллия (I) и кадмия при концентрации их до 5-10 М и нашли, что величина анодного тока убывает обратно пропорционально корню квадратному от времени. Высота волн воспроизводилась с точностью около 5%. [c.193]

Изучены многие другие аспекты массоотдачи к сферическим частицам. При низких скоростях движения среды очень большим может быть влияние свободной конвекции скорость растворения твердой сферической частицы в почти неподвижной жидкости во много раз отличается от того, что следует из уравнения (6.16) [65, 66, 185]. Воздействие отклонения формы частицы от идеальной сферы (роль сферичности ) исследовано в работах [191, 101 ]. Скорость испарения капель при довольно высоких температурах была предметом обсуждения в нескольких статьях [155, 40, 167, 129]. Опубликованы данные по увеличению коэффициента к при колебании или вращении сферической частицы [159, 160]. Привлекает внимание массоотдача к единичной частице, находящейся в окружении множества частиц, поскольку этот случай важен при эксплуатации насадочных абсорберов и каталитических реакторов [59, 74, 113, 182]. Измерена скорость растворения сферических частиц урана в расплавленном кадмии при 500 — 600 °С [205]. Показано [17, 18, 60], что рост интенсивности турбулентности (см. раздел 4.2) движущейся среды оказывает значительное, если не огромное, влияние на коэффициент к некоторый разброс данных, имеющийся на рис. 6.9, может быть обусловлен различиями в уровнях турбулизации потоков, наблюдавшихся разными исследователями. [c.249]

Для отделения веществ с молекулярным весом менее 100 000 необходима скорость около 50 000 об/мин, вызывающая центробежную силу в 200 000 д. Конвекция снижается до минимума путем вращения ротора в высоком вакууме и путем создания таких условий, когда плотность жидкости увеличивается в направлении от мениска к дну пробирки. [c.509]

Для того чтобы зоны были узкими, необходимо противодействовать конвекции жидкости, в которой движутся частицы. Эффективный способ подавления конвекции — увеличение плотности этой жидкости вдоль радиуса вращения в направлении от центра к периферии. Для этого создают так называемый градиент плотности среды . Например, можно заполнить пробирку бакет-ротора водным раствором сахарозы, концентрация которого нарастает в направлении от мениска жидкости ко дну пробирки, а затем уже на этот градиент сахарозы (как его для краткости называют) наслаивать препарат — смесь подлежащих разделению частиц. [c.202]

В настоящее время существует несколько модификаций метода градиентного центрифугирования, основанного на разделении частиц по скорости седиментации или плотности в среде, где отсутствует конвекция жидкости. Они отличаются в основном в следующем в материале, применяемом для образования градиента, в способах формирования самого градиента и в скорости вращения ротора и продолжительности центрифугирования. [c.59]

Свободная конвекция в условиях выращивания монокристаллов иолупроводпиков ио способу Чохральского исслсдована мало. В основном имеются лишь качественные описания движения расплава в этом режиме. При отсутствии вращения кристалла и тигля течение расплава благодаря действию сил гравитации подобно движению жидкости между двумя горизонтальными стенками, имеющими различную температуру. [c.65]

Иллюстрацией к сказанному могут служить данные, приведенные в работе Каррудерса [15], которая, в частности, посвящена исследованию течения жидкости, моделирующей расплав, вызванному свободной конвекцией при отсутствии вращения тигля и кристалла. На рис. 22, а представлена схема такого потока. [c.65]

Математический аппарат, на основе которого выведены представленные в данном разделе уравнения, справедлиа только в случае ламинарного потока жидкости При очень высоких скоростях вращения электрода поток становится турбулентным, а при очень низких скоростях вращения нежелательную роль начинает играть естественная конвекция. Требования соблюдения ламинарности и отсутствия естественной коивекцни можно сформулировать с помощью числа Рейнольдса J e, определяемого для вращающегося дискового электрода уравнением (3 59) [c.125]

В условиях больших вертикальных температурных градиентов или больших частот вращения кристалла ламинарный характер конвекции может смениться турбулентным. Турбулентность проявляется прежде всего в виде вихревых токов, наложенных на обычную конвекцию и не искажающих общего поля последней. Режим течения жидкости характеризуется числом Рейнольдса Яе = 1 о/, где /, V — характерные длина потока и скорость движения среды в рассматриваемом течении у — кинетический коэффициент вязкости. Если Не меньше некоторого критического числа, режим течения жидкости ламинарный, если Не>Некр — режим течения может стать турбулентным. Турбулентный характер конвекции характеризуется низкими значениями чисел Рэлея и Прандля, [c.211]

Режим вынужденной конвекции (динамический режим). Он создается при относительном движении раствора и кристалла. В этом режиме скорость движения раствора в гидродинамическом слое увеличивается от нуля на поверхности кристалла до максимального значения на границе слоя. Скоростью движения раствора управляют, добиваясь значительного ее увеличения по сравнению со скоростью движения в режиме свободной конвекции. Таким путем можно увеличивать скорость роста граней, однако не беспредельно. Уже при скоростях движения 5—20 см/с (в зависимости от конкретного вещества) скорость роста монокристаллов достигает предельного значения, различного для разных температур и пересыщений, т. е. рост кристалла из области смешанной кинетики переходит в кинетически-лимитируе-мую. Следует заметить, что при вращении крупного кристалла в сравнительно небольшом объеме раствора жидкость вовлекается в круговое движение. В этом случае увеличение частоты вращения кристалла начиная с некоторого ее значения уже не приводит к увеличению скорости роста, хотя кинетически-лимитируемая область процесса и не достигнута. Второй причиной прекращения возрастания скорости роста (а затем даже ее снижения) является растущее выделение джоулевой теплоты при трении, сопровождающем вращение. Уменьшение скорости роста при 250—600 об/мин в зависимости от типа вещества наблюдали К- Н. Шабалин и Г. В. Инюшкин [1965]. [c.42]

Разработанный в дальнейшем способ интенсификации процесса заключается в том, что отжатая вращением барабана жидкость отбирается из корпуса ацетилятора и с помощью центробежного насоса вновь подается в него через полый вал. Таким образом обеспечивается более равномерное смачивание целлюлозы, загруженной в аппарат. Были осуществлены и мероприятия но стабилизации температурного режима процесса ацетилирования, которые предусматривают ступенчатое введение катализатора в реакционную среду. При этом уменьшается количество выделяющегося тепла, которое удаляется при помощи конвекци- [c.233]

Конвекция заключается в перемещении макроколичеств жидкости друг относительно друга. Конвективное движешьз жидкости возникает при ее перемешивании, например мешалкой, или при вращении электрода. При отсутствии искусственного перемешивания имеет место естественная конвекция, обусловленная различной плотностью раствора в приэлектродном слое и в его толще. Она может вызываться выделяющимся на электроде газом, вибрациями ячейки. Конвекция, как и молекулярная диффузия, способствует выравниванию концентрацпй участников реакции в приэлектродном слое и в толще раствора. [c.101]

Метод лазерного электрофоретического светорассеяния был введен в 1971 г. Варом и Фляйгером [82]. Этот метод, в котором объединены измерение скорости на основе эффекта Доплера и электрофорез в свободном растворе, позволяет определить подвижность относительно чистых белков всего за несколько секунд (рис. 3.1). Йертен [83] сконструировал прибор, позволяющий устранить конвекцию зоны белка в свободном растворе путем вращения горизонтальной кварцевой трубки, в которой проводят электрофорез вокруг ее продольной оси (рис. 3.2). Разделяемые зоны наблюдают путем оптического сканирования этой трубки. Кацимпулас [79] при изучении кинетики электрофореза применил градиенты плотности в вертикальных кварцевых колонках с последующим многократным сканированием (рис. 3.3). В сконструированном Хэннигом и др. [84] приборе для аналитического электрофореза в свободном потоке стабилизация достигается при помощи капиллярного зазора между пластинами, которые находятся в высоковольтном электрическом поле, перпендикулярном ламинарному потоку буфера (рис. 3.4). Колин [85] применил остроумный метод стабилизации зон в электрофорезе с бесконечной лентой жидкости под действием электромагнитных сил жидкость вращается в кольцевой ячейке, в то время как заряженные частицы движутся в электрическом поле по спирали (рис. 3.5). [c.115]

Необходимым условием для электрофоретического разделения компонентов на отдельные зоны является предотвращение конвекции. йертен [565, 567] для стабилизации разделенных зон в растворе применил вращение электрофоретической трубки. Его метод получил название зонального электрофореза в свободной среде. В процессе электрофореза горизонтальная трубка с внутренним диаметром 3 мм вращается вокруг своей продольной оси со скоростью 40 об/мин. Такое вращение предотвращает конвекционные возмущения, что можно объяснить следующим образом. Рассмотрим некоторую часть образца, помещенную во вращающуюся трубку в положении I, как показано на рис. 6. Если эта часть, представляющая собой жидкость, имеет более высокую плотность, чем окружающая среда, то она будет перемещаться вниз, а не по направлению к стенке. При вращении трубки образец станет синхронно колебаться относительно ее поперечного сечения, и в результате будет достигнута стабилизация. [c.22]

Важно отметить принципиальное отличие реологических свойств вещества в литосфере и астеносфере. Учитывая хорошее приближение (с точностью до 1,5-10 ) формы Земли к равновесной фигуре эллипсоида вращения, в первом приближении можно считать, что подлитосферная мантия характеризуется свойствами вязкой ньютоновой жидкости. При этом часть существующих ундуля-ций геоида естественным образом объясняется динамическими эффектами конвекции очень вязкой жидкости в мантии Земли [121], а другая часть -динамическими взаимодействиями литосферных плит в зонах субдукции [131] или краевыми эффектами на границах континентов и океанов [29]. С учетом отмеченных динамических эффектов можно и во втором приближении считать вещество подли-тосферной мантии идеальной вязкой ньютоновой жидкостью. Однако в связи с частичным расплавлением мантийного вещества в классической астеносфере, под океаническими плитами, сдвиговая вязкость в ней оказывается намного меньшей, чем под континентами под океанами т ° Ю -10 П [133] и Т) 10 -10 П под континентами [395, 133]. Именно по этой причине под континентами [c.21]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология