Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer - James R. Welty et al. 5th Edition

Trường đại học

Oregon State University

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sách giáo khoa

2008

730
0
0

Phí lưu trữ

135 Point

Tóm tắt

I. Tổng quan về sách Fundamentals of Momentum Heat and Mass Transfer 5th

Cuốn sách Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer ấn bản thứ 5 là giáo trình kỹ thuật kinh điển do Welty, Wicks, Wilson và Rorrer biên soạn. Được xuất bản bởi John Wiley & Sons vào năm 2008. Cuốn sách trình bày ba chủ đề cốt lõi trong kỹ thuật: truyền động lượng (cơ học chất lỏng), truyền nhiệt và truyền khối lượng. Ấn bản đầu tiên ra mắt năm 1969, nằm trong chương trình giảng dạy kỹ thuật cốt lõi được ABET công nhận. Qua nhiều thập kỷ, cuốn sách liên tục được cập nhật để phản ánh những tiến bộ trong công nghệ tính toán. Ấn bản thứ năm tích hợp các kỹ thuật giải pháp số hiện đại. Nội dung sách được xây dựng trên nền tảng vật lý vững chắc. Phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng là trung tâm của toàn bộ nội dung. Cuốn sách phục vụ sinh viên kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật hóa học và các ngành liên quan. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho người học muốn hiểu sâu về các hiện tượng truyền trong kỹ thuật.

1.1. Lịch sử phát triển và vị trí trong chương trình đào tạo

Cuốn sách lần đầu xuất bản năm 1969 với mục tiêu trở thành phần cốt lõi trong chương trình giảng dạy kỹ thuật. ABET yêu cầu một phần đáng kể chương trình phải dành cho các môn cơ bản. Truyền động lượng, nhiệt và khối lượng luôn là thành phần quan trọng trong mọi chương trình kỹ thuật. Các ấn bản sau đó tích hợp ngày càng nhiều kỹ thuật giải pháp số khi công nghệ tiến bộ. Ấn bản thứ năm đánh dấu hơn 30 năm phát triển liên tục của bộ giáo trình này.

1.2. Cấu trúc nội dung và đối tượng độc giả

Nội dung sách được tổ chức theo ba phần chính: truyền động lượng, truyền nhiệt và truyền khối lượng. Mỗi phần bắt đầu từ nguyên lý cơ bản rồi tiến đến các ứng dụng phức tạp hơn. Sách sử dụng ngôn ngữ rõ ràng và nhiều hình minh họa trực quan. Đối tượng chính là sinh viên đại học các ngành kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật hóa học. Ngoài ra, sách cũng hữu ích cho kỹ sư hành nghề cần tra cứu kiến thức nền tảng.

II. Phân tích các nguyên lý cơ bản trong truyền động lượng

Truyền động lượng là nền tảng của cơ học chất lỏng, nghiên cứu sự vận động của chất lỏng và khí. Sách trình bày khái niệm đường dòng (streamline) là đường tiếp tuyến với vectơ vận tốc tại mọi điểm trong trường dòng chảy. Trong dòng chảy ổn định, quỹ đạo của phần tử chất lỏng đi theo đường dòng. Trong dòng chảy không ổn định, mẫu đường dòng thay đổi theo thời gian. Khái niệm đường quỹ đạo (path line) khác biệt với đường dòng trong dòng chảy không ổn định. Sách cũng giới thiệu phép biến đổi tọa độ để đơn giản hóa bài toán. Khi vật thể chuyển động đều qua chất lỏng, dòng chảy có thể biến đổi từ không ổn định sang ổn định bằng cách chọn hệ tọa độ cố định trên vật thể. Nguyên lý này được áp dụng rộng rãi trong thử nghiệm đường hầm gió. Phân tích lực cân bằng trên các bề mặt cong cũng là nội dung quan trọng.

2.1. Khái niệm đường dòng và đường quỹ đạo

Đường dòng là đường vẽ tiếp tuyến với vectơ vận tốc tại mỗi điểm trong trường dòng chảy. Trong dòng chảy ổn định, tất cả vectơ vận tốc không đổi theo thời gian. Do đó quỹ đạo của phần tử chất lỏng trùng với đường dòng. Trong dòng chảy không ổn định, mẫu đường dòng thay đổi liên tục. Quỹ đạo thực tế của phần tử chất lỏng gọi là đường quỹ đạo, khác biệt với đường dòng tại mọi thời điểm cụ thể.

2.2. Phân tích lực bề mặt và sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài giọt chất lỏng. Phương trình cân bằng lực cho hình bán cầu chỉ ra rằng chênh lệch áp suất tỷ lệ nghịch với bán kính. Đối với bong bóng xà phòng có hai bề mặt tiếp xúc, chênh lệch áp suất gấp đôi. Hiện tượng mao dẫn là hệ quả trực tiếp của sức căng bề mặt. Giá trị sức căng phụ thuộc vào loại chất lỏng và nhiệt độ.

III. Giải pháp và phương pháp giải quyết vấn đề truyền khối lượng

Truyền khối lượng là quá trình vận chuyển các thành phần hóa học từ vùng này sang vùng khác. Sách trình bày các phương pháp giải dựa trên cân bằng khối lượng và phương trình khuếch tán. Phương trình Fick mô tả dòng khuếch tán tỷ lệ với gradient nồng độ. Kỹ thuật biến đổi tọa độ giúp đơn giản hóa bài toán phức tạp. Khi vật thể di chuyển đều qua chất lỏng tĩnh, hệ tọa độ cố định trên vật thể biến đổi bài toán thành dòng chảy ổn định. Dữ liệu thu được từ mô hình tĩnh trong dòng chảy chuyển động sẽ giống với dữ liệu từ mô hình chuyển động qua dòng tĩnh. Kỹ thuật số hiện đại cho phép giải các phương trình vi phân phức tạp. Phương pháp giải tích kết hợp với mô phỏng số tạo ra kết quả chính xác cao. Áp dụng lý thuyết vào thiết bị công nghiệp là mục tiêu cuối cùng của việc học truyền khối lượng.

3.1. Phương trình khuếch tán Fick và ứng dụng

Phương trình Fick là công cụ cơ bản để mô tả quá trình khuếch tán khối lượng. Dòng khuếch tán tỷ lệ thuận với gradient nồng độ và hệ số khuếch tán. Hệ số khuếch tán phụ thuộc vào loại chất, nhiệt độ và áp suất. Phương trình này được áp dụng rộng rãi trong các quá trình hấp thụ, chưng cất và sấy. Việc xác định đúng hệ số khuếch tán là yếu tố then chốt để dự đoán chính xác tốc độ truyền khối lượng.

3.2. Kỹ thuật mô phỏng số và tính toán hiện đại

Sự phát triển của công nghệ tính toán đã thay đổi cách giải quyết bài toán truyền khối lượng. Ấn bản thứ năm tích hợp các kỹ thuật giải pháp số tiên tiến. Mô phỏng CFD cho phép phân tích trường dòng chảy phức tạp trong thiết bị công nghiệp. Phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp sai phân hữu hạn được sử dụng rộng rãi. Kết hợp lý thuyết với công cụ tính toán giúp rút ngắn thời gian thiết kế và tăng độ chính xác.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của kiến thức truyền nhiệt khối lượng

Kiến thức về truyền động lượng, nhiệt và khối lượng có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong kỹ thuật hóa học, các nguyên lý này giúp thiết kế thiết bị phản ứng, trao đổi nhiệt và hệ thống tách. Trong kỹ thuật cơ khí, hiểu biết về cơ học chất lỏng giúp tối ưu hóa hệ thống làm mát và bôi trơn. Quá trình sấy, hấp thụ, chưng cất và chiết xuất đều dựa trên nguyên lý truyền khối lượng. Thiết kế hệ thống HVAC áp dụng đồng thời cả ba cơ chế truyền. Ngành năng lượng tái tạo sử dụng nguyên lý truyền nhiệt để cải thiện hiệu suất tấm pin mặt trời. Công nghệ y sinh áp dụng truyền khối lượng trong hệ thống cung cấp thuốc. Cuốn sách cung cấp nền tảng vững chắc để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tiễn. Sự kết hợp giữa lý thuyết và ứng dụng là giá trị cốt lõi của giáo trình này. Nắm vững các nguyên lý cơ bản giúp kỹ sư thích ứng với công nghệ mới một cách nhanh chóng.

4.1. Ứng dụng trong kỹ thuật hóa học và chế biến

4.2. Xu hướng phát triển và tương lai của ngành

21/04/2026

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer 5th Edition www.net Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer 5th Edition James R.net Department of Mechanical Engineering Charles E. Wicks Department of Chemical Engineering Robert E. Wilson Department of Mechanical Engineering Gregory L. Rorrer Department of Chemical Engineering Oregon State University John Wiley & Sons, Inc.net ASSOCIATE PUBLISHER Daniel Sayre ACQUISITIONS EDITOR Jennifer Welter MARKETING MANAGER Christopher Ruel CREATIVE DIRECTOR Harry Nolan DESIGNER Michael St. Martine SENIOR MEDIA EDITOR Lauren Sapira SENIOR PRODUCTION EDITOR Patricia McFadden PRODUCTION MANAGEMENT SERVICES Thomson Digital www.net This book was set in by Thomson Digital and printed and bound by Hamilton Printing. The cover was printed by Lehigh Press, Inc. This book is printed on acid free paper.  1 Copyright # 2008 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning or otherwise, except as permitted under Sections 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, Inc. 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, website www. Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030-5774, (201)748-6011, fax (201)748- 6008, website http://www.com/go/permissions. To order books or for customer service please, call 1-800-CALL WILEY (225-5945). ISBN-13 978-0470128688 Printed in the United States of America 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 www.net Preface to the 5th Edition The first edition of Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer, published in 1969, was written to become a part of what was then known as the ‘‘engineering science core’’ of most engineering curricula. Indeed, requirements for ABET accreditation have stipulated that a significant part of all curricula must be devoted to fundamental subjects. The emphasis on engineering science has continued over the intervening years, but the degree of emphasis has diminished as new subjects and technologies have entered the world of engineering education. Nonetheless, the subjects of momentum transfer (fluid mechanics), heat transfer, and mass transfer remain, at least in part, important components www.net of all engineering curricula. It is in this context that we now present the fifth edition. Advances in computing capability have been astonishing since 1969. At that time, the pocket calculator was quite new and not generally in the hands of engineering students. Subsequent editions of this book included increasingly sophisticated solution techniques as technology advanced. Now, more than 30 years since the first edition, computer competency among students is a fait accompli and many homework assignments are completed using computer software that takes care of most mathematical complexity, and a good deal of physical insight. We do not judge the appropriateness of such approaches, but they surely occur and will do so more frequently as software becomes more readily available, more sophisticated, and easier to use. In this edition, we still include some examples and problems that are posed in English units, but a large portion of the quantitative work presented is now in SI units. This is consistent with most of the current generation of engineering textbooks. There are still some subdisciplines in the thermal/fluid sciences that use English units conventionally, so it remains necessary for students to have some familiarity with pounds, mass, slugs, feet, psi, and so forth. Perhaps a fifth edition, if it materializes, will finally be entirely SI. We, the original three authors (W3), welcome Dr. Greg Rorrer to our team. Greg is a member of the faculty of the Chemical Engineering Department at Oregon State University with expertise in biochemical engineering. He has had a significant influence on this edition’s sections on mass transfer, both in the text and in the problem sets at the end of Chapters 24 through 31. This edition is unquestionably strengthened by his contributions, and we anticipate his continued presence on our writing team. We are gratified that the use of this book has continued at a significant level since the first edition appeared some 30 years ago. It is our continuing belief that the transport phenomena remain essential parts of the foundation of engineering education and practice. With the modifications and modernization of this fourth edition, it is our hope that Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer will continue to be an essential part of students’ educational experiences.net This page intentionally left blank www. Introduction to Momentum Transfer 1 1.1 Fluids and the Continuum 1 1.2 Properties at a Point 2 1.3 Point-to-Point Variation of Properties in a Fluid 5 1.6 Surface Tension 11 www.1 Pressure Variation in a Static Fluid 16 2.2 Uniform Rectilinear Acceleration 19 2.3 Forces on Submerged Surfaces 20 2. Description of a Fluid in Motion 29 3.1 Fundamental Physical Laws 29 3.2 Fluid-Flow Fields: Lagrangian and Eulerian Representations 29 3.3 Steady and Unsteady Flows 30 3.5 Systems and Control Volumes 32 4. Conservation of Mass: Control-Volume Approach 34 4.2 Specific Forms of the Integral Expression 35 4. Newton’s Second Law of Motion: Control-Volume Approach 43 5.1 Integral Relation for Linear Momentum 43 5.2 Applications of the Integral Expression for Linear Momentum 46 5.3 Integral Relation for Moment of Momentum 52 5.4 Applications to Pumps and Turbines 53 5. Conservation of Energy: Control-Volume Approach 63 6.1 Integral Relation for the Conservation of Energy 63 6.2 Applications of the Integral Expression 69 vii www.net viii Contents 6.3 The Bernoulli Equation 72 6. Shear Stress in Laminar Flow 81 7.1 Newton’s Viscosity Relation 81 7.2 Non-Newtonian Fluids 82 7.4 Shear Stress in Multidimensional Laminar Flows of a Newtonian Fluid 88 7. Analysis of a Differential Fluid Element in Laminar Flow 92 8.1 Fully Developed Laminar Flow in a Circular Conduit of Constant Cross Section 92 8.2 Laminar Flow of a Newtonian Fluid Down an Inclined-Plane Surface 95 8. Differential Equations of Fluid Flow 99 9.1 The Differential Continuity Equation 99 9.2 Navier-Stokes Equations 101 9. Inviscid Fluid Flow 113 10.1 Fluid Rotation at a Point 113 10.2 The Stream Function 114 10.3 Inviscid, Irrotational Flow about an Infinite Cylinder 116 10.4 Irrotational Flow, the Velocity Potential 117 10.5 Total Head in Irrotational Flow 119 10.6 Utilization of Potential Flow 119 10.7 Potential Flow Analysis—Simple Plane Flow Cases 120 10.8 Potential Flow Analysis—Superposition 121 10. Dimensional Analysis and Similitude 125 11.2 Dimensional Analysis of Governing Differential Equations 126 11.3 The Buckingham Method 128 11.4 Geometric, Kinematic, and Dynamic Similarity 131 11.net Contents ix 12.3 The Boundary-Layer Concept 144 12.4 The Boundary-Layer Equations 145 12.5 Blasius’s Solution for the Laminar Boundary Layer on a Flat Plate 146 12.6 Flow with a Pressure Gradient 150 12.7 von Kármán Momentum Integral Analysis 152 12.8 Description of Turbulence 155 12.9 Turbulent Shearing Stresses 157 12.10 The Mixing-Length Hypothesis 158 12.11 Velocity Distribution from the Mixing-Length Theory 160 12.12 The Universal Velocity Distribution 161 12.13 Further Empirical Relations for Turbulent Flow 162 12.14 The Turbulent Boundary Layer on a Flat Plate 163 12.15 Factors Affecting the Transition From Laminar to Turbulent Flow 165 12. Flow in Closed Conduits 168 13.1 Dimensional Analysis of Conduit Flow 168 www.2 Friction Factors for Fully Developed Laminar, Turbulent, and Transition Flow in Circular Conduits 170 13.3 Friction Factor and Head-Loss Determination for Pipe Flow 173 13.4 Pipe-Flow Analysis 176 13.5 Friction Factors for Flow in the Entrance to a Circular Conduit 179 13.2 Scaling Laws for Pumps and Fans 194 14.3 Axial and Mixed Flow Pump Configurations 197 14. Fundamentals of Heat Transfer 201 15.5 Combined Mechanisms of Heat Transfer 209 15. Differential Equations of Heat Transfer 217 16.1 The General Differential Equation for Energy Transfer 217 16.2 Special Forms of the Differential Energy Equation 220 16.3 Commonly Encountered Boundary Conditions 221 16. Steady-State Conduction 224 17.1 One-Dimensional Conduction 224 17.2 One-Dimensional Conduction with Internal Generation of Energy 230 17.3 Heat Transfer from Extended Surfaces 233 17.4 Two- and Three-Dimensional Systems 240 17. Unsteady-State Conduction 252 18.2 Temperature-Time Charts for Simple Geometric Shapes 261 18.3 Numerical Methods for Transient Conduction Analysis 263 18.4 An Integral Method for One-Dimensional Unsteady Conduction 266 18. Convective Heat Transfer 274 19.1 Fundamental Considerations in Convective Heat Transfer 274 www.2 Significant Parameters in Convective Heat Transfer 275 19.3 Dimensional Analysis of Convective Energy Transfer 276 19.4 Exact Analysis of the Laminar Boundary Layer 279 19.5 Approximate Integral Analysis of the Thermal Boundary Layer 283 19.6 Energy- and Momentum-Transfer Analogies 285 19.7 Turbulent Flow Considerations 287 19. Convective Heat-Transfer Correlations 297 20.2 Forced Convection for Internal Flow 305 20.3 Forced Convection for External Flow 311 20. Boiling and Condensation 323 21. Heat-Transfer Equipment 336 22.1 Types of Heat Exchangers 336 22.2 Single-Pass Heat-Exchanger Analysis: The Log-Mean Temperature Difference 339 22.3 Crossflow and Shell-and-Tube Heat-Exchanger Analysis 343 22.4 The Number-of-Transfer-Units (NTU) Method of Heat-Exchanger Analysis and Design 347 22.5 Additional Considerations in Heat-Exchanger Design 354 22.net Contents xi 23. Radiation Heat Transfer 359 23.1 Nature of Radiation 359 23.3 The Intensity of Radiation 361 23.4 Planck’s Law of Radiation 363 23.5 Stefan-Boltzmann Law 365 23.6 Emissivity and Absorptivity of Solid Surfaces 367 23.7 Radiant Heat Transfer Between Black Bodies 370 23.8 Radiant Exchange in Black Enclosures 379 23.9 Radiant Exchange in Reradiating Surfaces Present 380 23.10 Radiant Heat Transfer Between Gray Surfaces 381 23.11 Radiation from Gases 388 23.12 The Radiation Heat-Transfer Coefficient 392 23. Fundamentals of Mass Transfer 398 www.1 Molecular Mass Transfer 399 24.2 The Diffusion Coefficient 407 24.3 Convective Mass Transfer 428 24. Differential Equations of Mass Transfer 433 25.1 The Differential Equation for Mass Transfer 433 25.2 Special Forms of the Differential Mass-Transfer Equation 436 25.3 Commonly Encountered Boundary Conditions 438 25.4 Steps for Modeling Processes Involving Molecular Diffusion 441 25. Steady-State Molecular Diffusion 452 26.1 One-Dimensional Mass Transfer Independent of Chemical Reaction 452 26.2 One-Dimensional Systems Associated with Chemical Reaction 463 26.3 Two- and Three-Dimensional Systems 474 26.4 Simultaneous Momentum, Heat, and Mass Transfer 479 26. Unsteady-State Molecular Diffusion 496 27.1 Unsteady-State Diffusion and Fick’s Second Law 496 27.2 Transient Diffusion in a Semi-Infinite Medium 497 27.3 Transient Diffusion in a Finite-Dimensional Medium Under Conditions of Negligible Surface Resistance 500 27.4 Concentration-Time Charts for Simple Geometric Shapes 509 27.net xii Contents 28. Convective Mass Transfer 517 28.1 Fundamental Considerations in Convective Mass Transfer 517 28.2 Significant Parameters in Convective Mass Transfer 519 28.3 Dimensional Analysis of Convective Mass Transfer 521 28.4 Exact Analysis of the Laminar Concentration Boundary Layer 524 28.5 Approximate Analysis of the Concentration Boundary Layer 531 28.6 Mass, Energy, and Momentum-Transfer Analogies 533 28.7 Models for Convective Mass-Transfer Coefficients 542 28. Convective Mass Transfer Between Phases 551 29.2 Two-Resistance Theory 554 29. Convective Mass-Transfer Correlations 569 www.1 Mass Transfer to Plates, Spheres, and Cylinders 569 30.2 Mass Transfer Involving Flow Through Pipes 580 30.3 Mass Transfer in Wetted-Wall Columns 581 30.4 Mass Transfer in Packed and Fluidized Beds 584 30.5 Gas-Liquid Mass Transfer in Stirred Tanks 585 30.6 Capacity Coefficients for Packed Towers 587 30.7 Steps for Modeling Mass-Transfer Processes Involving Convection 588 30. Mass-Transfer Equipment 603 31.1 Types of Mass-Transfer Equipment 603 31.2 Gas-Liquid Mass-Transfer Operations in Well-Mixed Tanks 605 31.3 Mass Balances for Continuous Contact Towers: Operating-Line Equations 611 31.4 Enthalpy Balances for Continuous-Contact Towers 620 31.5 Mass-Transfer Capacity Coefficients 621 31.6 Continuous-Contact Equipment Analysis 622 31.7 Closure 636 Nomenclature 641 APPENDIXES A. Transformations of the Operators = and =2 to Cylindrical Coordinates 648 B. Summary of Differential Vector Operations in Various Coordinate Systems 651 C. Symmetry of the Stress Tensor 654 D. The Viscous Contribution to the Normal Stress 655 E. The Navier–Stokes Equations for Constant r and m in Cartesian, Cylindrical, and Spherical Coordinates 657 F. Charts for Solution of Unsteady Transport Problems 659 www.net Contents xiii G. Properties of the Standard Atmosphere 672 H. Physical Properties of Solids 675 I. Physical Properties of Gases and Liquids 678 J.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ