Испарение и конденсация воды. Несколько практических советов
Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.
В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (0 0 – 100 0 С). Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.
Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения (100 0 С). При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.
Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.
При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 100 0 С). Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.
Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.
Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 30 0 С, а влажность воздуха 50%. Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.
Плотность насыщенного водяного пара при 30 0 С равна 30,4 г/м 3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м 3 = 15,2 г/м 3 . Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 18 0 С. То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 18 0 С, то выпадет роса.
По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:
В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80%, а температура 25 0 С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 6 0 С. Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Источник
Охлаждение испарением – как это работает
А. Михненко
Чтобы понять, как работают испарительные охладители, нужно вспомнить о свойствах тепла, воздуха и водяного пара. Наиболее распространенный тип испарительного охладителя – устройства прямого действия, в которых горячий наружный воздух охлаждается внутри машины, нагнетается в здание и затем снова выпускается наружу. Устройства других типов – это машины непрямого действия и «промывные камеры» («мокрые кондиционеры» или «установки с камерой орошения»). В этой статье мы остановимся только на испарительных охладителях прямого типа
Теплота скрытая и явная
Теплота находится в двух формах – явная (или ощутимая) теплота и скрытая теплота (фазового превращения), которая не может быть обнаружена прямо с помощью термометра.
Количество теплоты, которое нужно затратить для испарения воды и перевода ее из жидкого состояния в газовую фазу (в водяной пар) называется «скрытой теплотой испарения». По мере того, как жидкая вода изменяет свое состояние и превращается в газ, ею поглощается тепло из окружающей среды. Ее температура при этом не меняется, а количество тепла или энергии, которая абсорбируется в процессе фазового перехода, затрачивается на изменение молекулярной структуры жидкой воды и превращение ее в пар. Охлаждение испарением возможно только из-за этого природного явления – наличия «скрытой» теплоты.
Всякий раз, когда вещество изменяет свое состояние из твердого состояния в жидкое (лед превращается в воду) и из жидкости в газ (вода превращается в пар), происходит поглощение тепла из окружающей среды. Это означает, что окружающий воздух, твердые предметы и жидкости становятся холоднее, поскольку они отдают свое тепло в процессе плавления или испарения.
Все тепло – это сумма скрытой и явной (физически ощутимой) теплоты.
Полное испарение одного литра воды поглощает около 2000 кДж тепловой энергии, и это происходит без какого-либо видимого внешнего источника энергии за счет скрытой теплоты.
Именно поэтому испарительные кондиционеры используют для работы очень небольшое количество электрической энергии – только то, что требуется для привода воздушного вентилятора и насоса орошения теплообменника.
Процесс охлаждения воздуха испарением
В машинах прямого охлаждения воздуха испарением процесс теплообмена инициируется с помощью водяного насоса, который подает воду для орошения специального трубчатого, ячеистого или пористого теплообменника, и вентилятора, заставляющего горячий наружный воздух пройти через отверстия в этих теплообменных панелях. Насос и привод вентилятора способствуют и ускоряют естественный процесс теплообмена.
Рис. 1. Принцип работы охладителя испарением.
Во время процесса охлаждения часть теплосодержания воздуха (явная теплота) превращается в скрытую теплоту, когда вода в испарительном охладителе воздуха превращается в водяной пар, отбирая тепло от горячего наружного воздуха.
Соотношение скрытой и явной теплоты наружного воздуха меняется при этом примерно с 1/3 на 2/3, см. рис. 2. Холодный воздух затем закачивается в здание, он вентилирует помещение и потом удаляется наружу (как правило – без рекуперации).
Рис. 2. Соотношение скрытой и явной теплоты в процессе охлаждения испарением и показания влажного и сухого термометров психрометра
Охладитель испарением несколько увеличивает абсолютную влажность воздуха. При понижении температуры к тому же увеличивается и относительная влажность воздуха, подаваемого внутрь здания. Однако, для комфортного микроклимата внутри помещения важно именно сочетание температуры и влажности. И испарительные охладители его обеспечивают. Например, поток воздуха при температуре 36°C и относительной влажности 30% проходит с отрегулированной скоростью через фильтры-теплообменники, при этом температура воздуха снижается до 26°C, а уровень относительной влажности повышается до комфортного значения 70%.
Суточное изменение влажности
Как видно из приведенного графика на рис. 3, температура и влажность воздуха обратно пропорциональны: в то время суток, когда температура выше, относительная влажность ниже, а абсолютная влажность (массовое количество водяного пара в воздухе) меняется в течение суток незначительно и остается примерно одинаковой. Например, при абсолютной влажности (влагосодержании) 0.015 кг в 1 кг воздуха при 36°C относительная влажность составит 40%, а при снижении температуры до 25°C относительная влажность составит 75%. Поэтому технологии охлаждения испарением эффективны именно в летнюю жару, они работают лучше, когда температура высока.
Рис. 3. Изменение среднесуточной температуры и относительной влажности летом в умеренном климате
Существует мнение, что охлаждение испарительного типа эффективно только в районах с очень сухим климатом, в то время как уровень влажности в большинстве европейских стран в среднем достаточно высок.
Однако даже в климатических условиях, которые обычно считаются влажными, сочетание температуры и влажности в середине дня будет попрежнему оставлять возможность для эффективного охлаждения испарением при минимуме затрат на энергию. Современные системы охлаждения испарением рассчитаны для работы в наших климатических условиях.
Дополнительные бонусы
Помимо высоких показателей энергосбережения – по сравнению с обычными системами компрессорного охлаждения воздуха, системы охлаждения испарением потребляют в 5 – 10 раз меньше электроэнергии – по сути, испарительные охладители выполняют функцию мощной системы приточной вентиляции. При этом потребление энергии составляет всего десятки ватт на десяток тысяч кубометров в час очищенного и охлажденного воздуха.
Кроме того, встречаясь с поперечным потоком воды, воздух эффективно очищается от взвесей твердых частиц, пыли (с размером частиц более 10 мкм) и освобождается от вредных газов, в том числе выхлопных газов автотранспорта или смога от горящих торфяников, прочих токсичных аэрозолей, которые растворяются в воде. Охладители испарением удаляют даже неприятные запахи, включая запах плесени и дыма, буквально «смывают» с потока воздуха бактериологические загрязнители и аллергены – бактерии, споры грибков, пыльца растений.
Теплообменные панели (они же – фильтры для воздуха) в системах охлаждения испарением обладают эффектом самоочищения. Частицы загрязнений (контаминанты) все время удаляются свежей водой, подаваемой водяным насосом к водораспределителю. Продвинутые системы охлаждения испарением имеют внутреннюю систему водоочистки и требуют лишь периодического пополнения воды из внешнего трубопровода.
Тем не менее, для увеличения срока службы такие системы нуждаются в «мягкой» обессоленной воде. Поскольку испаряются только молекулы воды, на теплообменниках могут оседать малорастворимые соли. Чтобы избежать ухудшения эффективности теплообмена, гидросистемы испарителей оборудуются устройствами удаления солей или используют внешнюю воду с нормированным содержанием минеральных веществ, автоматически управляя качеством циркулирующей воды. Сервисное обслуживание охладителей испарением очень простое и фактически заключается в очистке водяного резервуара от скапливаемой грязи и очистке фильтров примерно один раз в 2 года.
Монтаж испарительных охладителей не представляет особых трудностей. Нужно лишь обеспечить подвод электропитания и воды, например, гибким трубопроводом, и подсоединить охладитель рукавом к каналу приточной вентиляции.
Комфортный микроклимат – это выгодно!
Изнурительная летняя жара с температурой 32 – 36°C типична для Украины уже в течение десятка лет. Это непосредственно сказывается на производительности труда. Например, в NASA (США) выяснили, что повышение температуры на 1°C свыше 22°C снижает производительность труда работающих на 3,6%, а при температуре 32°C она уменьшается в целом на 36%. Те же исследования NASA доказали, что при 32°C вероятность допущения ошибок работниками в три раза больше, чем при нормальной температуре 20°C. По действующим ныне в Украине правилам охраны труда после одного часа работы в помещении с температурой 32°C и выше нужно устраивать перерыв на 1 час в помещении с нормальной температурой. Кроме того, очищенный от загрязнений, бактерий, грибковых спор и аллергенов увлажненный приточный воздух снизит заболеваемость среди работников, что прямо скажется на прибыльности производства.
Экономичная воздухоподготовка при малых капитальных и эксплуатационных затратах, обеспечиваемая испарительными охладителями, позволяет в летнее время увеличить производительность труда более чем на треть!
По материалам ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі AW-Therm. Підписуйтесь!
Источник
