Випаровування це перехід речовини з рідкого або твердого стану в газоподібний, який відбувається з поверхні за будь-якої температури, а не лише під час кипіння. Вентиляторні градирні відводять надлишкове тепло від технологічної води саме завдяки випаровуванню, тому розмова про промислове охолодження рано чи пізно повертається до цього фізичного процесу. Цим воно і відрізняється від кипіння: кипіння охоплює весь об'єм рідини і починається лише після досягнення певної температури, а випаровування йде постійно, хай і повільно, навіть у холодній воді чи на морозі. У побуті це видно щодня: калюжа висихає на сонці, мокрий одяг сохне на вітрі, чашка гарячої кави поступово втрачає об'єм навіть без підігріву.
На молекулярному рівні частинки рідини рухаються з різною швидкістю, і ця швидкість постійно перерозподіляється через зіткнення молекул між собою. Ті, що опинилися біля поверхні і в якийсь момент набули достатньої кінетичної енергії, долають сили міжмолекулярного тяжіння і залишають рідину, перетворюючись на пару. Що таке випаровування з погляду фізики, можна описати просто: це безперервний обмін молекулами між рідкою та газоподібною фазами, у якому за нормальних умов переважає вихід речовини назовні, а не повернення пари назад у рідину.
Випаровування рідин і твердих тіл
Найчастіше з випаровуванням асоціюють рідини: воду, спирт, ацетон, різні розчинники. Випаровування рідин відбувається з відкритої поверхні, і швидкість цього процесу помітна неозброєним оком: та сама калюжа зникає за кілька годин, а відкрита банка з ацетоном спорожніє ще швидше. Але випаровування твердих тіл теж існує, хоча в побуті це явище менш очевидне і зветься сублімацією. Сухий лід, нафталін, кристалики йоду, а за низьких температур і звичайний водяний лід здатні переходити з твердого стану одразу в газоподібний, минаючи рідку фазу. У морозну сонячну погоду сніг на дорозі може поступово зникати навіть при температурі нижче нуля саме завдяки сублімації, а не таненню, тому калюж після такого снігу часто не залишається.
Формула випаровування
Кількісно процес описують кількома формулами залежно від того, яку саме характеристику потрібно порахувати. Для теплоти, потрібної на випаровування маси m рідини, використовують формулу Q = m·L, у якій L позначає питому теплоту пароутворення (для води вона становить приблизно 2260 кДж/кг за нормального атмосферного тиску). Ця величина показує, скільки енергії потрібно відібрати у рідини, щоб перетворити її частину на пару, і саме за рахунок цієї відібраної енергії рідина, що залишилася, охолоджується. Для швидкості випаровування з відкритої поверхні часто застосовують закон Дальтона: маса пари, що утворюється за одиницю часу, пропорційна площі поверхні та різниці між тиском насиченої пари при температурі рідини і фактичним парціальним тиском пари в навколишньому повітрі. Формула випаровування у спрощеному вигляді виглядає так: dm/dt = k·S·(p0 − p), у якій k означає коефіцієнт випаровування, залежний від швидкості повітря над поверхнею, S це площа поверхні, а p0 і p це тиски насиченої та фактичної пари відповідно.
Від чого залежить швидкість випаровування
Швидкість випаровування залежить від кількох факторів одночасно, і саме тому в одному приміщенні білизна сохне за годину, а в іншому за добу. Температура рідини та повітря визначає, скільки молекул мають достатньо енергії для виходу з поверхні: що вона вища, то більша частка молекул подолає сили тяжіння. Вологість повітря відіграє не меншу роль: сухе повітря приймає пару швидко, тоді як насичене вологою повітря уповільнює процес майже до нуля, адже воді просто немає куди випаровуватися. Рух повітря постійно відносить пару від поверхні, не даючи прилеглому шару насичуватися, тому вітер або примусова вентиляція помітно прискорюють висихання порівняно зі стоячим повітрям. Площа контакту з повітрям теж має значення: розлита тонким шаром рідина висихає швидше за ту саму кількість рідини в глибокій вузькій ємності. Атмосферний тиск і природа самої речовини впливають не менше: ацетон випаровується значно швидше за воду через нижчу температуру кипіння і слабші міжмолекулярні зв'язки, тому відкриту тару з розчинниками прийнято закривати одразу після використання.
Випаровування в промисловому охолодженні
Саме залежність швидкості випаровування від температури, вологості та руху повітря лежить в основі роботи градирень. Детальніше про будову цього обладнання ми розповідали в статті Що таке градирні: принцип роботи, класифікація, а тут варто нагадати головний принцип: вода, що стікає по градирні, частково випаровується, і на це витрачається тепло, яке вона віддає, тому решта води охолоджується на кілька градусів. У вентиляторних градирнях цей ефект підсилюють примусовим потоком повітря від вентиляторів: постійний обдув відносить насичене парою повітря від поверхні води, тому обладнання охолоджує воду ефективніше і стабільніше, ніж баштові або відкриті градирні, що покладаються лише на природну тягу. Той самий принцип випаровувального охолодження працює і в чилерах із градирнею в контурі: випаровування частини води знижує температуру теплоносія перед його поверненням у холодильний контур, а решту тепла забирає вже сам холодильний цикл.
Для інженера, який підбирає охолоджувальне обладнання, ця фізика має цілком практичне значення. Від інтенсивності випаровування залежить, скільки води система втрачає за годину роботи і яку підживлюючу підготовку варто передбачити, а від площі зрошення і потоку повітря вентиляторів залежить, наскільки глибоко вода охолоджується за один прохід через градирню. Розуміння цих залежностей допомагає правильно розрахувати параметри системи, а не підбирати обладнання приблизно, орієнтуючись лише на паспортну потужність.
Якщо потрібно підібрати чилер, градирню або інше промислове обладнання під конкретні технологічні навантаження, фахівці компанії «Термоком ВК» проконсультують і допоможуть підібрати рішення, яке відповідатиме вашим умовам експлуатації. Звертайтеся.
Випаровування: часті питання
Зібрали питання, які найчастіше виникають про фізику випаровування та її застосування в охолоджувальному обладнанні.
Кипіння охоплює весь об'єм рідини і починається лише після нагріву до певної температури. Випаровування ж відбувається тільки з поверхні і триває постійно, за будь-якої температури, навіть у холодній воді чи на морозі. Саме тому калюжа висихає без нагрівання, а мокрий одяг сохне на вітрі.
Швидкість випаровування залежить від температури рідини й повітря, вологості, руху повітря над поверхнею, площі контакту з повітрям, а також від атмосферного тиску і природи самої речовини. Наприклад, ацетон випаровується швидше за воду через нижчу температуру кипіння, а вітер чи примусова вентиляція прискорюють висихання будь-якої рідини.
Так, цей процес називається сублімацією: тверда речовина переходить одразу в газ, минаючи рідку фазу. Сухий лід, нафталін, кристалики йоду і навіть звичайний водяний лід за низьких температур здатні випаровуватися саме так, тому сніг на морозній сонячній дорозі може зникати без відлиги.
Теплоту, потрібну для випаровування маси рідини, рахують за формулою Q = m·L, де L — питома теплота пароутворення (для води приблизно 2260 кДж/кг). Швидкість випаровування з відкритої поверхні описує закон Дальтона: dm/dt = k·S·(p0 − p), де S — площа поверхні, а p0 і p — тиски насиченої та фактичної пари.
Вода, що стікає по градирні, частково випаровується, а на це витрачається тепло, яке вона віддає, тому решта води охолоджується на кілька градусів. У вентиляторних градирнях цей ефект підсилює примусовий потік повітря від вентиляторів, тому вони охолоджують воду ефективніше й стабільніше, ніж баштові або відкриті градирні на природній тязі.
