Вода испаряется не только когда закипает. Молекулы покидают поверхность жидкости постоянно, при любой температуре выше точки замерзания, и именно на этом эффекте построена работа многих систем отвода тепла. Градирня для охлаждения воды снижает температуру циркулирующего теплоносителя за счет испарения небольшой части воды в поток воздуха: чем интенсивнее испарение, тем сильнее охлаждается оставшийся объем. Чтобы грамотно подобрать такое оборудование, стоит понимать, от чего зависит температура испарения воды и что вообще происходит с молекулами жидкости при нагреве.
При какой температуре вода начинает испаряться
Строго говоря, вода испаряется уже при 0°C и даже ниже: лед медленно превращается в пар, минуя жидкую фазу, этот процесс называется сублимацией. Дело в том, что молекулы воды движутся с разной скоростью, и распределение их энергии подчиняется статистическим законам (распределение Максвелла-Больцмана). У поверхности жидкости всегда находится некоторое количество молекул, чья кинетическая энергия достаточна, чтобы преодолеть силы притяжения соседних молекул и вылететь в окружающий воздух в виде пара. Так что вопрос, при какой температуре вода начинает испаряться, сформулирован не совсем точно: испарение идет всегда, вопрос лишь в его скорости.
При росте температуры доля быстрых молекул увеличивается, и скорость испарения растет. Здесь важно не путать испарение с кипением. Кипение, в отличие от испарения, происходит не только с поверхности, а во всем объеме жидкости, и начинается тогда, когда давление насыщенного пара воды сравнивается с внешним атмосферным давлением. При нормальном давлении 101,3 кПа это происходит при 100°C. Если давление ниже, например в горах или в вакуумной установке, вода закипает при более низкой температуре.
От чего зависит скорость испарения воды
Скорость, с которой вода переходит в пар, определяется сразу несколькими параметрами, и на производстве их приходится учитывать одновременно:
- температура жидкости и окружающего воздуха: чем она выше, тем больше молекул воды набирают достаточную для вылета энергию;
- относительная влажность воздуха: при высокой влажности воздух уже насыщен парами воды и хуже принимает новые, поэтому испарение замедляется;
- скорость движения воздуха над поверхностью: ветер или принудительная вентиляция уносят насыщенный слой воздуха, освобождая место для новых молекул пара;
- площадь поверхности контакта воды с воздухом: чем она больше, тем больше молекул одновременно способны покинуть жидкость;
- атмосферное давление: при его снижении молекулам легче преодолеть внешнее сопротивление, и испарение ускоряется.
Эти же параметры инженеры закладывают в расчет градирен и других теплообменных аппаратов: без учета влажности и температуры наружного воздуха сложно точно спрогнозировать, насколько эффективно оборудование охладит воду в конкретном климате.
Давление насыщенного пара и температура испарения воды
Связь между температурой и интенсивностью испарения удобно проследить через давление насыщенного пара, то есть через давление, при котором пар находится в равновесии с жидкостью. Чем выше это давление при данной температуре, тем активнее идет испарение:
|
Температура воды |
Давление насыщенного пара |
|
0°C |
0,61 кПа |
|
20°C |
2,34 кПа |
|
40°C |
7,38 кПа |
|
60°C |
19,9 кПа |
|
80°C |
47,4 кПа |
|
100°C |
101,3 кПа |
Как только давление насыщенного пара сравнивается с давлением окружающей среды, жидкость закипает. До этого момента вода лишь испаряется с поверхности, и именно эта разница лежит в основе промышленных технологий охлаждения, построенных на естественном отводе тепла через пар.
Испарение как принцип охлаждения: чиллеры и градирни
При переходе из жидкого состояния в газообразное вода поглощает большое количество тепла: около 2260 кДж на килограмм при 100°C и порядка 2450 кДж на килограмм при температурах, близких к комнатным. Это значение называют удельной теплотой парообразования, и именно оно объясняет, почему испарение сравнительно небольшого объема воды способно унести из системы заметное количество тепла.
На этом принципе работают испарительные градирни: часть циркулирующей воды разбрызгивается в потоке воздуха, испаряется и забирает с собой тепло, а оставшийся объем охлаждается на несколько градусов. Обычно на каждые 10°C охлаждения теряется около 1-2% циркулирующей воды за счет испарения, и это нужно учитывать при расчете подпитки контура. Подробнее о разновидностях этого оборудования и принципе его работы мы рассказывали в статье Что такое градирни: принцип работы, классификация.
Градирни редко работают в одиночку: чаще они входят в состав холодильного контура вместе с чиллером, который охлаждает технологическую воду или другой теплоноситель до нужной температуры, а градирня, в свою очередь, отводит тепло конденсации в атмосферу. Чем точнее рассчитаны параметры испарения для конкретного климата и режима нагрузки, тем стабильнее работает вся система охлаждения.
Подберем охлаждение с учетом этих параметров
Температура испарения воды, влажность воздуха, скорость его движения и площадь контакта с жидкостью, все это напрямую влияет на то, сколько тепла отводит градирня или чиллер за единицу времени. Ошибка в расчете на этом этапе оборачивается либо перегревом оборудования летом, либо избыточными затратами на охлаждение, которое производству не нужно.
Специалисты «Термоком ВК» подберут чиллер, градирню или другое крупное холодильное оборудование под конкретные условия: климат, тепловую нагрузку, состав воды и требования технологического процесса, а также проконсультируют по расчету подпитки и обвязке контура. Обращайтесь, чтобы получить решение, которое будет работать именно на вашем производстве.
Температура испарения воды: частые вопросы
Собрали вопросы, которые чаще всего задают про испарение воды и охлаждение на производстве.
При какой температуре вода начинает испаряться?
Вода испаряется уже при 0°C и даже ниже: часть молекул на поверхности жидкости всегда обладает энергией, достаточной, чтобы вырваться в воздух в виде пара. С ростом температуры доля таких молекул увеличивается, поэтому испарение идёт быстрее, но нижнего порога температуры для его начала не существует.
Чем испарение отличается от кипения воды?
Испарение идёт только с поверхности жидкости и происходит при любой температуре. Кипение охватывает весь объём воды и начинается лишь тогда, когда давление насыщенного пара сравнивается с атмосферным: при нормальном давлении 101,3 кПа это 100°C. При пониженном давлении, например в горах, вода закипает раньше.
Как влажность и движение воздуха влияют на скорость испарения воды?
Чем выше относительная влажность, тем медленнее идёт испарение: воздух уже насыщен парами и хуже принимает новые. Движение воздуха, наоборот, ускоряет процесс, так как уносит насыщенный слой у поверхности и освобождает место для новых молекул пара. На это же влияют температура, площадь поверхности воды и атмосферное давление.
Сколько воды теряется на испарение в градирне?
В испарительных градирнях на каждые 10°C охлаждения обычно теряется около 1-2% циркулирующей воды за счёт испарения. Эту величину учитывают при расчёте подпитки контура, чтобы система не теряла эффективность из-за нехватки воды.
Зачем учитывать температуру испарения воды при выборе чиллера или градирни?
От параметров испарения, температуры, влажности, скорости воздуха и давления, зависит, сколько тепла реально отведёт оборудование в конкретном климате и при конкретной нагрузке. Ошибка в расчёте оборачивается перегревом летом или лишними затратами на охлаждение. Специалисты «Термоком ВК» подберут чиллер, градирню или другое оборудование под ваши условия и проконсультируют по расчёту подпитки контура.
