Охлаждающее воздействие испарения
Испарение охлаждает жидкость, потому что поверхность покидают самые быстрые молекулы с наибольшей кинетической энергией, и средняя энергия оставшихся — то есть температура — снижается. Каждый килограмм испарившейся воды уносит около 2450 кДж тепла. На этом эффекте основаны градирни, испарительные конденсаторы, охлаждение потом и мокрые термометры психрометров.
Процесс испарения продолжится, пока жидкости сообщается теплота, а давление пара жидкости остается ниже соответствующего давления насыщения. Передача тепловой энергии необходима для замещения энергии которую забирают молекулы при отделении от поверхности. Потеря кинетической энергии производит соответствующее снижение температуры испаряющейся жидкости. Пока процесс испарения продолжается, температура жидкости будет немного меньше, чем окружающей среды. Даная разница температур вызывает температурный градиент между жидкостью и окружающей средой, который необходим для поддержания теплопередачи. При теплообмене от более теплой окружающей среды к более прохладной жидкости поступает кинетическая энергия для продолжения процесса испарения.
Насыщение и теплопередача
Когда пространство над поверхностью жидкости становится насыщенным, интенсивность передачи кинетической энергии от жидкости уменьшается. В результате этого уменьшается разница температур жидкости и окружающей среды. При снижении разницы температур интенсивность теплопередачи и испарения также уменьшается. Когда атмосфера над поверхностью становится насыщенной, температура жидкости и окружающей среды становится одинаковой, испарение прекращается, а давление пара соответствует температуре насыщения жидкости.
Теплопередача от окружающей среды указывает на то, что испарение — это процесс охлаждения. По данной причине влажная кожа чувствует прохладу при испарении жидкости. При сухой атмосфере интенсивность испарения и последующий охлаждающий эффект высоки, в результате чего возникает ощущение комфорта. Во влажной окружающей среде воздух насыщается, сокращая интенсивность испарения и связанного с ней эффекта охлаждения, что вызывает дискомфорт.
Охлаждение при испарении в технике
Охлаждение при испарении работает везде, где вода контактирует с воздухом, не насыщенным влагой. Предел такого охлаждения — температура мокрого термометра: при 30 °C и влажности 40 % вода может остыть примерно до 20 °C, ниже воздухом её не охладить. Поэтому испарительное охлаждение эффективно в сухом климате и почти бесполезно в жаркую влажную погоду.
| Устройство | Как работает |
|---|---|
| Градирня | Оборотная вода разбрызгивается навстречу воздуху, 1–2 % воды испаряется и охлаждает остальную |
| Испарительный конденсатор | Водой орошают трубы с хладагентом, давление конденсации ниже, чем у воздушного |
| Адиабатическое охлаждение драйкулера | Воздух перед теплообменником увлажняют, его температура падает на 5–10 °C |
| Испарительный охладитель воздуха | Воздух проходит через мокрые кассеты и охлаждается, но становится влажнее |
Каждый килограмм испарившейся воды уносит около 2 430 кДж тепла при 30 °C. Отсюда простая оценка для градирни: чтобы охладить 1 т воды на 5 °C, испаряется около 8,6 кг, то есть меньше 1 % расхода. Как устроены сами градирни — в статье градирня.
Сколько воды испарится, чтобы охладить поток
mисп = G · c · Δt / r; c = 4,19 кДж/(кг·К), r ≈ 2 430 кДж/кг. Без учёта теплообмена с воздухом без испарения и капельного уноса — реальный расход подпитки градирни больше на унос и продувку.
Частые вопросы
Почему испарение охлаждает?
При испарении жидкость покидают молекулы с наибольшей энергией, и средняя кинетическая энергия оставшихся снижается. Чтобы испарение продолжалось, нужен приток тепла извне — его жидкость забирает у окружающих тел.
Почему во влажном воздухе жарко?
Пот испаряется медленно: воздух близок к насыщению, и охлаждающий эффект испарения слабеет. Поэтому при той же температуре во влажную погоду жарче, чем в сухую.
Почему при испарении жидкость охлаждается?
С поверхности уходят самые быстрые молекулы, и средняя кинетическая энергия оставшихся снижается. Энергию на испарение — скрытую теплоту — жидкость берёт из себя, поэтому её температура падает.
Читайте также