Рассмотрим первый случай внешнего теплообмена

Внешний и внутренний теплообмен

Теплоотдача при конденсации пара из паровоздушной смеси

Такие смеси образуются в пропарочных камерах и автоклавах при тепловой обработке цементных и силикатных бетонов.

Подаваемый в камеру или автоклав пар смешивается с находящимся там воздухом.

При этом содержание воздуха в смеси может достигать 10…15 %.

Установлено, что присутствие воздуха в автоклаве снижает прочность бетона на 20%, поэтому рекомендуется перед запариванием продуть автоклав паром.

Содержание 1% воздуха в паре уменьшает коэффициент теплоотдачи α на 60%, а 3% – на 80%.

Это объясняется тем, что при конденсации паров, содержащих инертные газы (не конденсирующиеся на поверхность), возникает дополнительное термическое сопротивление, вызываемое инертными газами, скапливающимися у поверхности пленки.

Рейнольдс впервые экспериментально исследовал влияние содержания воздуха в паровоздушной смеси на интенсивность теплообмена.

Им установлено, что интенсивность конденсации определяется скоростью притока частиц пара к поверхности конденсации и скоростью отвода тепла от нее.

В практике тепловых процессов при производстве строительных материалов обычно рассматривают два случая теплообмена.

1. Внешний теплообмен – теплообмен между окружающей средой и нагреваемым или охлаждаемым материалом.

2. Внутренний теплообмен – теплообмен между центральной зоной материала и его поверхностью.

При внешнем теплообмене возможны два случая протекания процесса:

- теплообмен непосредственно между теплоносителем (или хладагентом, в случае охлаждения) и поверхностью материала;

- теплообмен между теплоносителем и материалом через пленку конденсата на его поверхности.

Первый случай характерен для процессов сушки или обжига материала, второй – для пропаривания материала в среде насыщенного водяного пара.

Внешний теплообмен между теплоносителем и материалом происходит конвекцией, излучением и теплопроводностью.

В сушильных установках, где температура редко превышает 200⁰С, теплообмен излучением незначителен, поэтому по уравнению Ньютона-Рихмана для конвективного теплообмена поток теплоты от теплоносителя к материалу составит

,

где α – коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к поверхности материала; t_T – средняя температура теплоносителя; t_п.м. – средняя температура поверхности материала.

Если теплообменом за счет излучения пренебречь нельзя (например, при сушке песка в барабанных сушилках при непосредственном сжигании топлива в барабане), в этой формуле коэффициент теплоотдачи α будет являться суммой двух составляющих: конвективного α_к и лучистого α_луч.

При отсутствии эндотермических реакций поток теплоты q будет израсходован на нагрев материала и влаги, находящейся в материале, и на ее испарение с поверхности материала. Тогда балансовое уравнение при внешнем теплообмене

,

где r – теплота испарения; ρ₀ – плотность сухого материала; R_v – отношение объема сухого материала к его поверхности, с которой происходит испарение; dt/dt – скорость испарения; dt/dt скорость нагрева материала; с – удельная теплоемкость материала.

В приведенном уравнении первое слагаемое правой части учитывает расход теплоты на испарение влаги, второе – на нагрев материала. При отсутствии влаги уравнение примет вид

.