Содержание
Когда жидкость превращается в пар, на разрыв связей между молекулами уходит энергия. Ее количество для каждого вещества свое, и именно эту величину описывает удельная теплота парообразования: сколько энергии нужно затратить, чтобы превратить единицу массы жидкости в пар при постоянной температуре. Для инженеров, которые проектируют системы охлаждения, это не абстракция из учебника, а рабочий параметр: от него зависит эффективность испарительных градирен, чиллеров и теплообменников.
Что такое удельная теплота парообразования
Удельная теплота парообразования – количество теплоты, которое нужно сообщить одному килограмму вещества, чтобы при постоянном давлении и постоянной температуре перевести его из жидкого состояния в газообразное. Процесс идет без изменения температуры: вся подводимая энергия расходуется на разрушение связей между молекулами жидкости, а не на ее нагрев. Подробнее о самом переходе вещества из жидкой фазы в газообразную рассказано в статье «Что такое парообразование». Там разобраны механизмы испарения и кипения.
Обратный процесс, конденсация, высвобождает точно такое же количество энергии. На этом принципе построена работа многих холодильных контуров: хладагент испаряется в испарителе, забирая тепло у охлаждаемой среды, а затем конденсируется в конденсаторе, отдавая это тепло наружу.
Какова единица измерения удельной теплоты парообразования
В системе СИ единица измерения – джоуль на килограмм (Дж/кг). В инженерных расчетах чаще применяют кДж/кг или МДж/кг, поскольку значения в чистых джоулях получаются громоздкими. В старых справочниках встречаются калории на грамм: 1 кал/г соответствует примерно 4187 Дж/кг.
|
Единица |
Соотношение с Дж/кг |
|
Дж/кг |
1 |
|
кДж/кг |
1000 |
|
кал/г |
4187 |
|
ккал/кг |
4187 |
Как найти удельную теплоту парообразования
Величину обозначают буквой L или r, а связь с количеством теплоты и массой вещества выражается формулой:
Q = L × m
где Q – количество теплоты в джоулях, L – удельная теплота парообразования в Дж/кг, m – масса вещества в килограммах.
Если известно, сколько теплоты потребовалось на полное испарение определенной массы жидкости, L находят делением: L = Q / m. Для основных веществ значения давно измерены экспериментально и сведены в справочные таблицы, пересчитывать их заново не нужно. Если условия отличаются от табличных, например другое давление, инженеры используют уравнение Клаузиуса-Клапейрона: оно связывает изменение теплоты парообразования с изменением давления насыщенного пара при изменении температуры.
Удельная теплота парообразования воды
Удельная теплота парообразования воды при атмосферном давлении и температуре кипения 100 °C составляет около 2256 кДж/кг. Это один из самых высоких показателей среди распространенных жидкостей, объясняется он прочными водородными связями между молекулами воды. Величина зависит от давления: чем оно выше, тем ниже теплота парообразования, а в критической точке (для воды это 374 °C и 22,1 МПа) она обращается в ноль, потому что различие между жидкой и газовой фазой исчезает. О том, как температура кипения воды меняется с давлением, рассказано в статье «Температура испарения воды».
Значения для других веществ
Для сравнения приведем удельную теплоту парообразования нескольких веществ, которые применяются в промышленном холоде, при нормальном давлении:
|
Вещество |
Удельная теплота парообразования, кДж/кг |
|
Вода |
2256 |
|
Аммиак (R717) |
1370 |
|
Этиловый спирт |
846 |
|
Фреон R134a |
217 |
|
Фреон R410A |
205 |
Чем ниже этот показатель, тем меньше энергии требуется хладагенту для перехода в пар, а значит, тем ниже нагрузка на компрессор при той же холодопроизводительности. Выбор хладагента с подходящей теплотой парообразования напрямую влияет на энергоэффективность холодильной машины.
От чего зависит величина
На значение удельной теплоты парообразования влияют несколько факторов:
- давление, при котором происходит испарение: с его ростом значение снижается;
- температура кипения вещества: чем она выше, тем ниже теплота парообразования;
- сила межмолекулярных связей в жидкости – у воды они водородные, поэтому ее показатель заметно выше, чем у большинства других жидкостей;
- молекулярная масса вещества: у более легких молекул связи обычно слабее, и энергии на испарение требуется меньше.
Почему это важно для промышленного охлаждения
Испарительное охлаждение лежит в основе работы градирен и части холодильных машин: часть воды испаряется, забирая тепло у оставшейся массы жидкости, и охлаждает основной контур. Чем точнее рассчитана теплота парообразования используемой жидкости или хладагента, тем точнее подбираются мощность насосов, производительность вентиляторов и площадь теплообменных поверхностей. Ошибка в этом параметре на этапе проектирования обычно оборачивается либо избыточными капитальными затратами, либо нехваткой холодопроизводительности при пиковой нагрузке летом.
В компрессорных чиллерах та же величина определяет, сколько хладагента должно циркулировать в контуре, чтобы снять заданную тепловую нагрузку. Заниженный расчет приводит к тому, что компрессор работает на пределе и быстрее изнашивается, а завышенный оборачивается переплатой за оборудование большей мощности, чем нужно объекту. Поэтому теплофизические параметры хладагента и теплоносителя закладываются в проект еще до выбора конкретной модели чиллера или градирни.
Подбор оборудования с учетом теплофизических параметров
Расчет удельной теплоты парообразования – только один из шагов при подборе чиллера, градирни или другой крупной холодильной техники. Не менее важны расход теплоносителя, температурный график, климатические условия площадки и требования конкретного технологического процесса. Специалисты «Термоком ВК» разберутся в этих параметрах, рассчитают тепловую нагрузку и подберут чиллер, градирню или другое оборудование под вашу задачу. Обращайтесь: проконсультируем и предложим решение, которое будет работать без лишних затрат.
Вопрос — ответ
Удельная теплота парообразования: частые вопросы
Собрали вопросы, которые чаще всего задают об удельной теплоте парообразования и ее связи с промышленным охлаждением.
Это количество теплоты, которое нужно потратить, чтобы превратить один килограмм жидкости в пар при неизменной температуре. Вся подводимая энергия уходит на разрыв связей между молекулами, а не на нагрев вещества.
В системе СИ — в джоулях на килограмм (Дж/кг), на практике инженеры чаще используют кДж/кг или МДж/кг. В старых источниках встречаются калории на грамм: 1 кал/г примерно равен 4187 Дж/кг.
При атмосферном давлении и температуре кипения 100 °C она составляет около 2256 кДж/кг — один из самых высоких показателей среди распространенных жидкостей. Причина в прочных водородных связях между молекулами воды.
По формуле Q = L × m, где Q — затраченная теплота, m — масса вещества, а L — искомая величина. Для большинства веществ значения L уже определены экспериментально и указаны в справочных таблицах, поэтому обычно достаточно найти нужное значение, а не измерять его заново.
От нее зависит, сколько хладагента или воды должно испаряться в контуре, чтобы снять заданную тепловую нагрузку. Точный расчет позволяет подобрать оборудование нужной мощности без переплаты и без нехватки холодопроизводительности в пиковую нагрузку.
