испарение

ИСПАРЕНИЕ (парообразование)

переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода. И. твердого тела наз. сублимацией (возгонкой), а парообразование в объеме жидкости -кипением. Обычно под И. понимают парообразование на своб. поверхности жидкости в результате теплового движения ее молекул при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетич. энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются. И. — эндотермич. процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота И., затрачиваемая на преодоление сил мол. сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращ. жидкости в пар. Уд. теплоту И. относят к 1 молю жидкости (молярная теплота И., Дж/моль) или к единице ее массы (массовая теплота И., Дж/кг). Скорость И. определяется поверхностной плотностью потока пара j_п, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [в моль/(с∙м²) или кг/(с∙м²)]. Наиб. значение j_п достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды И. замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от поверхности жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у поверхности раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в осн. массе парогазовой смеси. Нарушение термодинамич. равновесия между жидкостью и паром, содержащимся в парогазовой смеси, объясняется скачком температуры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у поверхности раздела фаз соответствуют их значениям для насыщ. пара, имеющего температуру поверхности жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние своб. конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при И. пара от поверхности жидкости в газовую среду происходит в осн. в результате мол. диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) поверхности раздела фаз массового (т. наз. стефановского) потока парогазовой смеси, направленного от поверхности жидкости в газовую среду (см. диффузия).

_{Рис. Распределение температур при разл. режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены: а — от жидкой фазы к поверхности испарения в газовую фазу; б — от жидкой фазы только к поверхности испарения; в — к поверхности испарения со стороны обеих фаз; г — к поверхности испарения только со стороны газовой фазы.}

Эффекты баро- и термодиффузии при инженерных расчетах обычно не учитываются, но влияние термодиффузии м. б. существенным при высокой неоднородности парогазовой смеси (при большом различии мол. масс ее компонентов) и значит. градиентах температур. При движении одной или обеих фаз относительно поверхности их раздела возрастает роль конвективного переноса вещества и энергии в парогазовой смеси и жидкости. При отсутствии подвода энергии к системе жидкость-газ от внеш. источников теплота И. может подводиться к поверхностному слою жидкости со стороны одной или обеих фаз. В отличие от результирующего потока вещества, всегда направленного при И. от жидкости в газовую среду, потоки теплоты могут иметь разные направления в зависимости от соотношений температур осн. массы жидкости t_ж, границы раздела фаз t_гр и газовой среды t_г (см. рис.). При контакте определенного количества жидкости с полубесконечным объемом или омывающим ее поверхность потоком газовой среды и при температуре жидкости, более высокой, чем температура газа (t_ж > t_гр > t_г), возникает поток теплоты со стороны жидкости к поверхности раздела фаз: (Q_жг = Q_ж — Q_и, где Q_и -теплота И., Q_жг — количество теплоты, передаваемой от жидкости газовой среде. При этом жидкость охлаждается (т. наз. испарительное охлаждение). Если в результате такого охлаждения достигается равенство t_гр = t_г, теплоотдача от жидкости к газу прекращается (Q_жг = 0) и вся теплота, подводимая со стороны жидкости к поверхности раздела, затрачивается на И. (Q_ж = Q_и). В случае газовой среды, не насыщенной паром, парциальное давление последнего у поверхности раздела фаз и при Q_ж = Q_и остается более высоким, чем в осн. массе газа, вследствие чего И. и испарительное охлаждение жидкости не прекращаются и t_гр становится ниже t_ж и t_г. При этом теплота подводится к поверхности раздела от обеих фаз до тех пор, пока в результате понижения t_ж достигается равенство t_гр = t_ж и поток теплоты со стороны жидкости прекращается, а со стороны газовой среды Q_гж становится равным Q_и. Дальнейшее И. жидкости происходит при постоянной температуре t_м = t_ж = t_гр, которую наз. пределом охлаждения жидкости при испарительном охлаждении или температурой мокрого термометра (т. к. ее показывает мокрый термометр психрометра). Значение t_м зависит от параметров парогазовой среды и условий тепло- и массообмена между жидкой и газовой фазами. Если жидкость и газовая среда, имеющие разл. температуры, находятся в ограниченном объеме, не получающем энергию извне и не отдающем ее наружу, И. происходит до тех пор, пока между двумя фазами не наступает термодинамич. равновесие, при котором температуры обеих фаз уравниваются при неизменной энтальпии системы, и газовая фаза насыщается паром при температуре системы t_ад. Последняя, наз. температурой адиабатич. насыщения газа, определяется только начальными параметрами обеих фаз и не зависит от условий тепло- и массообмена. Скорость изотермич. И. [в кг/(м².с)] при однонаправленной диффузии пара в расположенный над поверхностью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d (в м) м. б. найдена по формуле Стефана: j_п = (D/R_пT)(p/d) ln [(p — р_п,гр)/(р — р_п)]⁻¹ , где D — коэф. взаимной диффузии, м²/с; R_п — газовая постоянная пара, Дж/кг (кг∙К) или м²/(с².к); T — температура смеси, К; р — давление парогазовой смеси, Па; р_п,гр, р_п — парциальные давления пара у поверхности раздела и на наружной границе слоя смеси, Па. В общем случае (движущиеся жидкость и газ, неизотермич. условия) в прилегающем к поверхности раздела фаз пограничном слое жидкости переносу импульса сопутствует перенос теплоты, а в пограничном слое газа (парогазовой смеси) происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом для расчета скорости И. используют эксперим. коэффициенты тепло- и массоотдачи, а в относительно более простых случаях — приближенные методы численных решений системы дифференц. уравнений для сопряженных пограничных слоев газовой и жидкой фаз. Интенсивность массообмена при И. зависит от разности хим. потенциалов пара у поверхности раздела и в осн. массе парогазовой смеси. Однако если баро- и термодиффузией можно пренебречь, разность хим. потенциалов заменяют разностью парциальных давлений или концентраций пара и принимают: j_п = β_p (р_п,гр — р_п,осн) = β_pр(у_п,гр — у_п,осн) или j_п = β_c(c_п,гр — с_п,осн), где β_p, β_c — коэфф. массоотдачи, p — давление смеси, р_п — парциальное давление пара, y_п = p_п/p — молярная концентрация пара, c_п = ρ_п/ρ — массовая концентрация пара, ρ_п, r — локальные плотности пара и смеси; индексы означают: "гр" — у границы раздела фаз, "осн" — в осн. массе смеси. Плотность потока теплоты, отдаваемой при И. жидкостью, составляет [в Дж/(м².с)]: q = α_ж(t_ж — t_гр) = rj_п + α_г (t_гр — t_г), где α_ж, α_г — коэф. теплоотдачи со стороны жидкости и газа, Вт/(м².К); r — теплота И., Дж/кг. При очень малых радиусах кривизны поверхности И. (напр., при И. мелких капель жидкости) учитывается влияние поверхностного натяжения жидкости, приводящего к тому, что равновесное давление пара над поверхностью раздела выше давления насыщ. пара той же жидкости над плоской поверхностью. Если t_гр ~ t_ж, то при расчете И. могут приниматься во внимание только тепло- и массообмен в газовой фазе. При относительно малой интенсивности массообмена приближенно справедлива аналогия между процессами тепло- и массопереноса, из которой следует: Nu/Nu₀ = Sh*/Sh₀, где Nu = α_г l/λ_г — число Нуссельта, l — характерный размер поверхности И., λ_г — коэф. теплопроводности парогазовой смеси, Sh* = β_py_г,грl/D_p = β_cc_г,грl/D — число Шервуда для диффузионной составляющей потока пара, D_p = D/R_пT -коэф. диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления пара. Значения β_p и β_с вычисляют по приведенным выше соотношениям, числа Nu₀ и Sh₀ соответствуют j_п : 0 и могут определяться по данным для раздельно происходящих процессов тепло- и массообмена. Число Sh₀ для суммарного (диффузионного и конвективного) потока пара находят делением Sh* на молярную (y_г,гр) или массовую (с_г,гр) концентрацию газа у поверхности раздела в зависимости от того, к какой движущей силе массообмена отнесен коэф. β. Уравнения подобия для Nu и Sh* при И. включают кроме обычных критериев (чисел Рейнольдса Re, Архимеда Ar, Прандтля Pr или Шмидта Sc и геом. параметров) параметры, учитывающие влияние поперечного потока пара и степени неоднородности парогазовой смеси (отношения мол. масс или газовых постоянных ее компонентов) на профили, скорости, температуры или концентраций в сечении пограничного слоя. При малых j_п, не нарушающих существенно гидродинамич. режим движения парогазовой смеси (напр., при испарении воды в атм. воздух) и подобие граничных условий полей температур и концентраций, влияние дополнит. аргументов в уравнениях подобия незначительно и им можно пренебречь, принимая, что Nu = Sh. При И. многокомпонентных смесей указанные закономерности сильно усложняются. При этом теплоты И. компонентов смеси и составы жидкой и парогазовой фаз, находящихся между собой в равновесии, различны и зависят от температуры. При И. бинарной жидкой смеси образующаяся смесь паров относительно богаче более летучим компонентом, исключая только азеотропные смеси, испаряющиеся в точках экстремума (максимума или минимума) кривых состояния как чистая жидкость. Общее количество испаряющейся жидкости увеличивается с возрастанием поверхности контакта жидкой и газовой фаз, поэтому конструкции аппаратов, в которых происходит И., предусматривают увеличение поверхности И. путем создания большого зеркала жидкости, раздробления ее на струи и капли или образования тонких пленок, стекающих по поверхности насадок. Возрастание интенсивности тепло- и массообмена при И. достигается также повышением скорости газовой среды относительно поверхности жидкости. Однако увеличение этой скорости не должно приводить к чрезмерному уносу жидкости газовой средой и значит. повышению гидравлического сопротивления аппарата. И. широко применяется в пром. практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий.

• см. также выпаривание, газов увлажнение, градирни, сушка

^{Лит.: Берман Л. Д., Испарительное охлаждение циркуляционной воды, 2 изд., М.-Л., 1957; Фукс Н. А., Испарение и рост капель в газообразной среде, М., 1958; Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е., Явления переноса, пер. с англ., М., 1974; Берман Л. Д., "Теоретические основы хим. технологии", 1974, т.8, № 6, с. 811–22; Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч., Массопередача, пер. с англ., М., 1982.}

_{Л. Д. Берман}