Теплообмен при изменении агрегатного состояния (при фазовых переходах)

Многие технологические процессы производства строительных материалов сопровождается переходом веществ из одного агрегатного состояния в другое.

Такие переходы называются фазовыми. Различают фазовые переходы I и II рода. Фазовый переход I рода характеризуется скачкообразным изменением энтальпии вещества и его плотности. При таких переходах всегда выделяется или поглощается тепло, называемое скрытой теплотой фазового перехода (r).

К фазовым переходам II рода относятся переходы вещества в сверхпроводящее, сегнетоэлектрическое (самопроизвольная поляризация), ферримагнитное (самопроизвольная намагниченность) и т.п. состояния. Такие переходы не сопровождаются выделением или поглощением энергии, и теплота фазового перехода II рода равна нулю.

Для технологии строительных материалов наиболее характерны фазовые переходы I рода: испарение, конденсация, плавление, кристаллизация, растворение, кипение и др. Теплота фазовых переходов в ряде случаев оказывает существенное влияние на ход процесса, а порой и определяет его скорость.

Например, при обжиге 1 кг клинкера из сухой сырьевой смеси в результате фазовых переходов на разных этапах процесса выделяется и поглощается следующее количество тепла (Дж):

- при дегидратации глинистых минералов -170;

- при диссоциации углекислого кальция (СаСО3) -2018;

- при расплавлении -106;

- при кристаллизации клинкерных минералов +468;

- при конденсации пара +85.

Таким образом, наиболее энергоемкими переходами при обжиге цементного клинкера являются диссоциация СаСО3 и образование клинкерных минералов. Эти переходы и определяют в основном параметры процесса обжига.

Интенсивность теплообмена при фазовом переходе значительно возрастает за счет наложения теплового эффекта перехода.

Так, теплообмен с кипящими жидкостями значительно выше (за счет поглощения тепла) при парообразовании, чем с теми же жидкостями до начала кипения.

При тепловой обработке твердеющего бетона водяным паром существенно повышается скорость теплообмена за счет тепла, выделяющегося при конденсации пара.

При фазовых переходах твердения цемента добавляется также теплота химических реакций. Поэтому в зависимости от содержания цемента в бетоне температура последнего в результате тепловыделения может повыситься на 8…40 ⁰С.

Это имеет большое значение при изготовлении массивных железобетонных конструкций, строительстве плотин и др. сооружений, при назначении режима тепловой обработки бетона.

Теплообмену при фазовых переходах присущи высокие скорости (скачкообразно). Кроме того, при таких процессах тепло отводится или подводится к материалу при постоянной температуре и распространяется одновременно в двух фазах.

Эти особенности теплоотдачи при фазовых переходах могут быть учтены введением в критериальные уравнения теплообмена дополнительного критерия, который характеризует тепловое подобие при фазовом переходе.

Исследуя теплообмен при конденсации пара, С.С. Кутателадзе получил критерий теплового подобия при фазовом переходе вещества:

,

где r – теплота парообразования (скрытая теплота фазового перехода I рода), Дж/кг;
– разность температур фазового превращения и одной из фаз, ⁰С; – теплота перегрева или переохлаждения системы относительно температуры фазового перехода, Дж/(кг ∙ ⁰С).

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 процессов технологии строительных материалов имеют теплообмен при конденсации паров, теплообмен при плавлении и растворении и, реже, теплоотдача при кипении жидкостей.