3.2. Теплообмен при растворении вещества

Растворением называется физико-химический процесс перехода твердого вещества в раствор.

Растворение связано с изменением свободной энергии системы и сопровождается тепловым эффектом. Тепловой эффект растворения является результатом одновременного протекания двух стадий процесса:

• стадии разрушения кристаллического вещества на ионы;

• стадии сольватации (гидратации) ионов.

Согласно закона Гесса, тепловой эффект не зависит от пути процесса и определяется только исходным и конечным состоянием системы, т.е.:

, (8)

где r_р – теплота растворения; r_г – теплота гидратации; u – энергия решетки.

Из этого следует, что в зависимости от соотношения величин u и r_г процесс растворения может протекать как с выделением, так и с поглощением тепла. При u > r_г, r_р > 0 – растворение происходит с выделением тепла; при u < r_г, r_р < 0 – растворение происходит с поглощением тепла.

Изменение температуры системы при растворении вещества можно рассчитать по формуле:

, (9)

где M₀ – масса растворенного вещества; V – объем жидкости; T₀ – температура жидкости до растворения вещества; T₁ – температура жидкости после растворения вещества; С,  - удельная теплоемкость и плотность жидкости.

Кристаллизация вещества из раствора сопровождается таким же по величине, как и растворение, тепловым эффектом, но имеющим обратный знак.

4. Внешний и внутренний теплообмен

В практике тепловых процессов при производстве строительных материалов обычно рассматривают:

• внешний теплообмен – теплообмен между теплоносителем (хладоагентом) и внешними поверхностями тела;

• внутренний теплообмен – теплообмен между телом и заключенным в нем теплоносителем. Такой вид теплообмена существует при движении теплоносителя в каналах, капиллярах, порах.

1. Внешний теплообмен

При внешнем теплообмене возможны два случая протекания процесса:

• теплообмен непосредственно между теплоносителем и поверхностью материала;

• теплообмен между теплоносителем и материалом через пленку конденсата.

Первый случай характерен для процессов сушки и обжига материала, а второй – для тепловлажностной обработки материала в среде насыщенного водяного пара.

Внешний теплообмен между теплоносителем и материалом происходит конвекцией, излучением и теплопроводностью. Поскольку в тепловых установках чаще используется конвективный теплообмен, то подробнее остановимся на его рассмотрении.

Величина теплового потока от теплоносителя к поверхности материала определяется из уравнения Ньютона:

, (10)

где  - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к поверхности материала; t_т – средняя температура теплоносителя; t_м – средняя температура поверхности материала.

Это соотношение применимо для расчета внешнего теплообмена в сушильных установках, где t  200^оС. В печных установках, когда доля лучистого теплообмена значительно возрастает, внешний теплообмен можно рассчитать по этой же формуле, однако при этом:

, (11)

где _к – коэффициент теплоотдачи при конвекции; _л – коэффициент теплоотдачи при излучении.

При отсутствии в материале эндотермических реакций тепловой поток расходуется:

• на нагрев материала и влаги, содержащейся в материале;

• на испарение влаги с поверхности материала.

Тогда балансовое уравнение внешнего теплообмена будет иметь вид:

, (12)

где r – теплота испарения; ₀ – плотность сухого материала; R_v – отношение объема сухого материала к его поверхности, с которой происходит испарение (характеристический размер тела); c – удельная теплоемкость материала; du/d - скорость испарения влаги с поверхности материала; dt/d - скорость нагрева материала.

В этом уравнении 1-ый член правой части учитывает расход тепла на испарение влаги, а 2-ой – на нагрев материала.

При тепловлажностной обработке на поверхности материала, находящегося в тепловой установке, может происходить конденсация пара. Это происходит, если температура поверхности материала меньше температуры окружающей среды и меньше температуры точки росы. В этом случае теплообмен между теплоносителем и материалом усложняется.

Удельный тепловой поток от конденсирующегося пара определяется соотношением:

(13)

где _п – коэффициент массоотдачи пара; m_п – масса пара; Р^’_п – парциальное давление пара в окружающей среде; Р”_п – парциальное давление пара у поверхности материала.

Балансовое уравнение внешнего теплообмена при наличии пленки конденсата имеет вид:

(14)

где  - коэффициент теплопроводности пленки конденсата;  - толщина пленки конденсата; t_ж – температура наружной поверхности пленки конденсата.