3. Теплообмен при изменении агрегатного состояния

Многие технологические процессы производства строительных материалов сопровождаются переходом вещества из одного агрегатного состояния в другое. Такие переходы называются фазовыми.

Теплота фазового перехода в ряде случаев оказывает существенное влияние на ход процесса, а иногда и определяет его скорость. Интенсивность теплообмена при наличии фазового перехода значительно возрастает из-за наложения теплового эффекта фазового превращения.

Например, при тепловой обработке бетона в среде водяного пара скорость теплообмена существенно повышается за счет тепла, выделяющегося при конденсации пара.

В сложных многокомпонентных системах могут одновременно иметь место фазовые переходы, как с поглощением, так и с выделением тепла. При этом к теплоте фазового перехода часто добавляется теплота химических реакций. В таких системах выделение или поглощение тепла является суммарным результатом фазовых переходов и химических реакций.

Например, таким суммарным результатом является выделение тепла при твердении цемента. В зависимости от содержания цемента в бетоне температура последнего в результате тепловыделения может повышаться на 10-40^о. Это имеет большое значение при изготовлении массивных железобетонных конструкций, строительстве гидротехнических сооружений, при назначении режимов тепловой обработки бетонов.

Теплообмену при фазовых переходах присущи высокие скорости. Другой важной особенностью такого процесса является то, что тепло отводится или подводится к материалу при постоянной температуре и распространяется одновременно в двух фазах.

Поглощенная или выделенная при фазовом переходе теплота называется скрытой теплотой перехода r.

Фазовому переходу вещества при определенном давлении соответствует определенная температура. Эта взаимная зависимость описывается уравнением Клапейрона-Клаузиса:

, (4)

где V - изменение объема вещества в точке перехода.

Теплота перехода, отнесенная к единице массы вещества, называется удельной теплотой перехода.

Теплота фазового перехода, как уже было отмечено, существенно влияет на теплообмен. Это влияние учитывается с помощью критерия теплового подобия при фазовом переходе (критерия Кутателадзе):

, (5)

где t – разность температур фазового превращения и одной из фаз; Ct – теплота перегрева или переохлаждения системы относительно температуры фазового перехода.

Таким образом, критерий К является мерой отношения теплоты фазового перехода вещества к теплоте перегрева или переохлаждения одной из фаз.

Из различных случаев теплообмена при изменении агрегатного состояния наибольшее значение для технологии строительных материалов имеют теплообмен при конденсации паров и теплообмен при растворении веществ.

3.1. Теплообмен при конденсации паров

Процесс перехода вещества из парообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

Конденсация пара может происходить как в его объеме, так и на охлаждаемой поверхности. При конденсации на поверхности обязательно должно быть переохлаждение поверхности ниже температуры насыщения при данном давлении пара.

Конденсация в объеме не происходит даже при значительном переохлаждении пара. Поэтому непременным условием объемной конденсации является наличие центров конденсации. Их роль могут выполнять пылинки или ионизированные частицы.

В промышленных аппаратах конденсация происходит главным образом на поверхности теплообмена. При этом различают два вида конденсации: пленочную и капельную.

При пленочной конденсации вся охлаждаемая поверхность покрывается сплошной пленкой конденсата. Такой вид конденсации происходит на поверхностях, которые хорошо смачиваются данной жидкостью. Пленка конденсата создает значительное термическое сопротивление, снижая интенсивность теплообмена.

Толщина конденсатной пленки зависит от следующих факторов:

• положения поверхности;

• состояния поверхности;

• свойств жидкости;

• направления и скорости движения пара.

Капельная конденсация происходит на поверхностях, которые не смачиваются данной жидкостью. На такой поверхности конденсат накапливается в виде отдельных капель, которые по мере пополнения их жидкостью скатываются с нее. Теплоотдача при капельной конденсации примерно в 10 раз больше, чем при пленочной, т.к. большая часть охлаждаемой поверхности находится в непосредственном контакте с паром.

Аналитическое решение задачи о теплоотдаче при пленочной конденсации было выполнено Нуссельтом. Коэффициент теплоотдачи _x определяется по формуле:

, (6)

где  - коэффициент теплопроводности конденсата; _x – толщина пленки конденсата.

При конденсации пара на вертикальных поверхностях конденсатная пленка стекает и толщина ее изменяется по высоте. В таких случаях теплообмен со стенкой высотой H может быть описан средним значением коэффициента теплоотдачи:

, (7)

где r – теплота парообразования при температуре насыщения; _ж – плотность конденсата;  - вязкость конденсата; t = (t_н – t_ст); t_н – температура насыщения пара; t_ст – температура стенки.

Для движущегося пара значения коэффициента теплоотдачи могут быть больше или меньше по сравнению с неподвижным паром.

Коэффициент теплоотдачи увеличивается с повышением скорости движения пара, если его поток уменьшает толщину конденсатной пленки или срывает ее с поверхности. Если же поток пара препятствует движению пленки и при этом не срывает ее с поверхности, то увеличение скорости пара приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи.

При шероховатых поверхностях коэффициенты теплоотдачи меньше, чем при гладких, т.к. их сопротивление течению пленки больше и, следовательно, меньше скорость стекания пленки и больше ее толщина.