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 DV - 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 Dt – разность температур фазового превращения и одной из фаз; CDt – 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.