I. Где сильна теплопередача при фазовом переходе
Однофазная жидкость переносит тепло за счёт явного тепла (m·c·ΔT), а фазовый переход опирается на скрытую теплоту:
1 кг воды, испаряясь при 100°C, поглощает ≈ 2257 кДж; тогда как та же масса воды, нагреваясь от 0°C до 100°C, поглощает лишь ≈ 419 кДж
Скрытая теплота более чем в 5 раз превышает явное тепло того же подъёма температуры. Поэтому теплопередача при фазовом переходе может переносить огромные количества тепла при очень малой разности температур, с очень высоким h, становясь одним из наиболее эффективных режимов теплопередачи.
II. Конденсация: пар превращается в воду, отдавая тепло
Насыщенный пар, соприкасаясь с холодной стенкой, конденсируется в жидкую плёнку (плёночная конденсация) или капли (капельная конденсация, с более высоким h), отдавая скрытую теплоту. Особенности:
- Пока температура стенки лишь немного ниже температуры насыщения пара, происходит устойчивая отдача тепла;
- Сторона конденсации имеет малую разность температур и большое h, часто являясь «лёгкой стороной» уравнения теплопередачи;
- Применения: выработка пара в утилизационном котле, воздушно-охлаждаемый конденсатор, конденсатор кондиционера.
III. Кипение: жидкость превращается в пар, поглощая тепло
Когда температура стенки превышает температуру насыщения жидкости, на поверхности образуются пузырьки, уносящие тепло. Пузырьковое кипение имеет очень высокое h, но как только температура стенки слишком высока и наступает плёночное кипение (паровая плёнка изолирует), h резко падает и температура стенки взлетает — это «кипящий кризис», которого оборудование должно избегать.
IV. Инженерные замечания
- Неконденсирующийся газ: Смешанный с дымовым газом при конденсации воздух образует газовую плёнку на стенке, резко снижая h конденсации; необходимы воздухоотводчики;
- Низкотемпературная коррозия: Конденсация серосодержащего дымового газа даёт кислотную коррозию по точке росы; температура стенки должна быть выше кислотной точки росы;
- Двухфазное сопротивление потока: Процессы конденсации/кипения имеют сложное сопротивление потока; перепад давления нельзя считать по однофазным формулам.
Теплопередача при фазовом переходе — «король соотношения цена-производительность», но две красные линии — кислотная точка росы и кипящий кризис — должны соблюдаться.