Fysische transportverschijnselen

Voorwoord v

1 Balansen 1
1.1 De balans: recept en vorm 1
1.2 De massabalans 6
1.2.1 De totale-massabalans en de componentbalans 6
1.2.2 Chemische reactoren 13
1.2.3 Verblijftijdspreiding 18
1.2.4 Meer tanks in serie 28
1.3 De energiebalans 32
1.3.1 Inleiding 32
1.3.2 De totale-energiebalans 36
1.3.3 De thermische-energiebalans 48
1.3.4 De mechanische-energiebalans en de Bernoulli-vergelijking 50
1.4 De impulsbalans 57
1.5 Voorbeelden van gecombineerd gebruik van massa-, energie- en impulsbalansen 63
Appendix 1A 70
Appendix 1B 72

2 Mechanismen, kentallen, krachten 75
2.1 Moleculair transport 75
2.1.1 Bewegende moleculen 75
2.1.2 Fick, Fourier, Newton 79
2.1.3 Transportcoëfficiënten 86
2.1.4 Schuifspanning: een alternatieve beschrijving van moleculair impulstransport 89
2.2 Dimensie-analyse 92
2.2.1 Dimensieloze kentallen 92
2.2.2 Het Reynolds-getal en de overgang van laminaire naar turbulente stroming 96
2.2.3 Dimensie-analyse: het concept 99
2.2.4 Dimensie-analyse: techniek en Buckingham- theorema 102
2.2.5 Voorbeelden van dimensie-analyse 105
2.3 Krachten op omstroomde lichamen 113
2.3.1 Omstroming en stromingsweerstand 113
2.3.2 Meesleepkracht en weerstandscoëfficiënt 117
2.3.3 Krachtenbalans en eenparige snelheid 121

3 Warmtetransport 125
3.1 Stationaire warmtegeleiding 125
3.1.1 Warmtegeleiding in cartesische coördinaten 125
3.1.2 Analogie met de Wet van Ohm 129
3.1.3 Warmtegeleiding in cilindrische coördinaten 131
3.1.4 Warmtegeleiding in bolcoördinaten 134
3.1.5 Een numerieke behandeling voor 2-D cartesisch 136
3.2 Warmteoverdrachtscoëfficiënt en Nusselt getal 141
3.2.1 Newton’s afkoelingswet 141
3.2.2 Het Nusselt getal 142
3.2.3 Overall warmteoverdrachtscoëfficiënt 143
3.3 Instationaire warmtegeleiding 146
3.3.1 Penetratietheorie: conceptueel 146
3.3.3 Penetratietheorie: toepassing 150
3.3.5 Doorverwarming 156
3.3.6 Het totale opwarmproces van een voorwerp 160
3.3.7 Intern en extern warmtetransport 166
3.3.8 Numerieke aanpak 168
3.4 De algemene microbalans voor warmtetransport 171
3.5 Warmteoverdrachtscoëfficiënten bij convectie 176
3.5.1 Algemene beschouwingen 176
3.5.2 Warmteoverdracht bij gedwongen convectie 180
3.5.3 Warmteoverdracht bij vrije convectie 187
3.5.4 De numeriek aanpak van convectief warmtetransport 192
3.6 Warmtewisselaars 195
3.6.1 Inleiding 195
3.6.2 Warmteoverdracht zonder fase-overgang 196
3.6.3 Warmteoverdracht met fase-overgang 200
3.7 Warmtetransport door straling 203
3.7.1 Emissie 204
3.7.2 Reflectie, transmissie, absorptie 206
3.7.3 Warmteoverdracht door straling 209
3.7.4 Warmteoverdrachtscoëfficiënt bij straling 212

4 Massatransport 217
4.1 Analogie tussen massatransport en warmtetransport 217
4.2 Wederzijdse diffusie naar analogie van warmtetransport 220
4.2.1 Stationaire diffusie in cartesische coördinaten 220
4.2.2 Stationaire diffusie in cilindrische coördinaten 221
4.2.3 Stationaire diffusie in bolcoördinaten 223
4.2.4 Stofoverdrachtscoëfficiënt en Sherwood getal 226
4.2.5 Instationaire diffusie: penetratietheorie 228
4.2.6 Instationaire lange-termijn diffusie 231
4.3 Diffusie en driftflux 233
4.4 De algemene microbalans voor stoftransport 239
4.5 Stofoverdrachtscoëfficiënten bij convectie 241
4.5.1 Algemene beschouwingen 241
4.5.2 Stofoverdracht bij gedwongen convectie 242
4.5.3 Stofoverdracht bij vrije convectie 247
4.6 Stofoverdracht over een fasegrensvlak 248
4.6.1 Inleiding over hoe om te gaan met twee fasen 248
4.6.2 De verdelingscoëfficiënt 251
4.6.3 Stofoverdracht over een fasegrensvlak 253
4.6.4 Penetratietheorie bij een fasegrensvlak 256
4.7 Gelijktijdig transport van warmte en massa: de natteboltemperatuur 259

5 Stromingsleer 263
5.1 Inleiding 263
5.2 Stroommeters 266
5.2.1 Overloop 266
5.2.2 Meetschijf 270
5.2.3 Rotameter 271
5.3 Drukval over een rechte leiding 273
5.3.1 Het concept van de frictiefactor 273
5.3.2 Het gebruik van de frictiefactor 277
5.3.3 De analogie met warmte- en stofoverdracht 282
5.4 Drukval in pijpleidingsystemen 283
5.5 Drukval over een gepakt bed 289
5.6 Laminaire stroming van Newtonse vloeistoffen 293
5.6.1 Laminaire stroming in cartesische coördinaten – onder invloed van een bewegende wand 294
5.6.2 Laminaire stroming in cartesische coördinaten – onder invloed van een drukgradiënt 297
5.6.3 Laminaire stroming in cartesische coördinaten – onder invloed van de zwaartekracht 302
5.6.4 Laminaire stroming in cilindercoördinaten – onder invloed van een drukgradiënt 306
5.7 Laminaire stroming van niet-Newtonse vloeistoffen 309
5.7.1 Power law vloeistoffen 310
5.7.2 Bingham-vloeistoffen 313
5.7.3 Casson-vloeistoffen 316
5.7.4 Visco-elastische vloeistoffen 316
5.8 De algemene bewegingsvergelijkingen 318
5.8.1 Stromingsleer en fysische transportverschijnselen 318
5.8.2 De continuïteitsvergelijking 320
5.8.3 De Navier-Stokes-vergelijkingen 321
5.8.4 Computational Fluid Dynamics 329

6. Uitgewerkte tentamenopgaven 333
Adviezen 333
6.1 Opgaven 333
6.2 Oplossingen 342

Symbolenlijst 362
Voorbeeldenlijst 367
Trefwoordenlijst 369