Теплообмен при изменении агрегатного состояния

В процессе теплообмена нагреваемые или охлаждаемые матери­алы часто изменяют агрегатное состояние: испаряются, конденси­руются, плавятся или кристаллизуются.

Из различных случаев теплообмена при изменении агрегатного состояния наибольшее значение для процессов технологии строи­тельных материалов имеют теплообмен при конденсации паров, теплообмен при плавлении и растворении и реже теплоотдача при кипении жидкостей.

Теплоотдачу при конденсации паров рассчитывают как на осно­ве теории подобия, так и на основе гидродинамического и теплового анализов процесса конденсации.

Наиболее удовлетворительной следует признать схему Нуссельта, согласно которой на поверхности твердого тела, воспринимаю­щего теплоту от пара, происходит пленочная конденсация при от­сутствии капельной конденсации. Пленка жидкости, образующая­ся на поверхности твердого тела, представляет собой основное тер­мическое сопротивление распространению теплоты от пара к твер­дому телу. Эта пленка стекает с тела и по мере движения книзу утолщается в результате конденсации пара по всей поверхности твердого тела.

Теплоотдача при кипении жидкостей относится к числу особенно сложных процессов.

При кипении пар образуется в виде пузырьков в определенных местах (центрах) поверхности нагрева. При хорошей смачиваемости жидкостью поверхности на­грева, жидкость подтекает под пузырьки и облегчает их отрыв от по­верхности нагрева. При пло­хой смачиваемости пузырьки пара имеют широкое основа­ние и достигают при отрыве больших размеров - фактически отрывает­ся только верхушка пузырька, а у поверхности нагрева все время имеется паровая прослойка. При большом числе центров парообра­зования поверхность нагрева может покрываться сплошной паро­вой пленкой. В этом случае из-за плохой теплопроводности пара коэффициенты теплоотдачи имеют малые значения. Таким образом, при кипении жидкостей, плохо смачивающих поверхность нагрева, коэффициенты теплоотдачи значительно меньше, чем при кипении жидкостей, хорошо смачивающих поверхности нагрева.

По мере продвижения вверх через слой жидкости пузырек пара значительно увеличивается в объеме, а значит, основное количество теплоты воспринимается пузырьком не от поверхности нагрева, а от жидкости. Таким образом, из рассмотрения механизма парообра­зования при кипении жидкостей следует, что теплота передается от поверхности нагрева к жидкости, а от жидкости — к пузырькам пара, а затем вместе с ними переносится в паровую фазу.

Теплообмен при кристаллизации из расплава заключается в следующем. При снижении температуры расплава происходит отверде­вание поверхностного слоя и процесс начинает распространяться в глубину. Выделяющаяся теплота отводится с поверхности тепло­проводностью. С некоторого момента скорость выделения теплоты фазовых превращений становится выше скорости ее отвода от поверхности все увеличивающейся толщины за­твердевшей части расплава.

Теплообмен при растворении связан с изменением свободной энергии системы, которое сопровождается тепловым эффектом. Тепловой эффект растворения является результатом одновременно протекающих двух стадий процесса — разрушения кристаллическо­го вещества на ионы и стадии гидратации (сольватации) ионов.