Испарение

(парообразование), переход в-ва 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. Пов-сти жидкости в результате теплового движения ее молекул при т-ре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной пов-стью. 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 к-ром 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 пов-сти жидкости [в моль/(с. М 2) или кг/(с. М 2)]. 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 пов-сти жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у пов-сти 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 т-ры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у пов-сти раздела фаз соответствуют их значениям для насыщ. Пара, имеющего т-ру пов-сти жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние своб. Конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при И. Пара от пов-сти жидкости в газовую среду происходит в осн. В результате мол. Диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) пов-сти раздела фаз массового (т.

Наз. Стефановского) потока парогазовой смеси, направленного от пов-сти жидкости в газовую среду (см. Диффузия). Рис. Распределение т-р при разл. Режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены. А - от жидкой фазы к пов-сти испарения в газовую фазу. Б - от жидкой фазы только к пов-сти испарения. В - к пов-сти испарения со стороны обеих фаз. Г - к пов-сти 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 т-р. При движении одной или обеих фаз относительно пов-сти их раздела возрастает роль конвективного переноса в-ва 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 в-ва, всегда направленного при И. От жидкости в газовую среду, потоки теплоты могут иметь разные направления в зависимости от соотношений т-р осн. Массы жидкости t ж, границы раздела фаз t гр и газовой среды t г (см. Рис.). При контакте определенного кол-ва жидкости с полубесконечным объемом или омывающим ее пов-сть потоком газовой среды и при т-ре жидкости, более высокой, чем т-ра газа (t ж >. T гр >t г), возникает поток теплоты со стороны жидкости к пов-сти раздела фаз. (Q жг = Q ж ЧQ и, где Q и -теплота И., Q жг - кол-во 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 пов-сти раздела, затрачивается на И. (Q ж= Q и). В случае газовой среды, не насыщенной паром, парциальное давление последнего у пов-сти 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 пов-сти 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 т-ре t м = t ж = t гр, к-рую наз. Пределом охлаждения жидкости при испарительном охлаждении или т-рой 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. Т-ры, 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 к-ром т-ры обеих фаз уравниваются при неизменной энтальпии системы, и газовая фаза насыщается паром при т-ре 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/(м 2.с)] при однонаправленной диффузии пара в расположенный над пов-стью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d (в м) м. Б. Найдена по ф-ле Стефана. J п =(D/R пT)(p/d) ln [(p - р п, гр)/( р Ч р п)]-1, где D - коэф. Взаимной диффузии, м 2/с. R п - газовая постоянная пара, Дж/кг (кг. К) или м 2/(с 2.к). T - т-ра смеси, К. р - давление парогазовой смеси, Па. Р п, гр, р п < -> парциальные давления пара у пов-сти раздела и на наружной границе слоя смеси, Па. В общем случае (движущиеся жидкость и газ, неизотермич. Условия) в прилегающем к пов-сти 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. Ур-ний для сопряженных пограничных слоев газовой и жидкой фаз. Интенсивность массообмена при И. Зависит от разности хим. Потенциалов пара у пов-сти 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= bp (р п, гр- р п, осн) = bp р(у п, гр - у п, осн) или j п = bc(c п, гр - с п, осн), где bp, bc - коэфф. Массоотдачи, p - давление смеси, р п < -> парциальное давление пара, y п = p п/p - молярная концентрация пара, c п= r п/r - массовая концентрация пара, r 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/(м 2.с)]. Q= a ж(t ж - t гр) = rj п + a г (t гр Ч t г), где a ж, a г - коэф. Теплоотдачи со стороны жидкости и газа, Вт/(м 2.К). R - теплота И., Дж/кг. При очень малых радиусах кривизны пов-сти И. (напр., при И. Мелких капель жидкости) учитывается влияние поверхностного натяжения жидкости, приводящего к тому, что равновесное давление пара над пов-стью раздела выше давления насыщ. Пара той же жидкости над плоской пов-стью. 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 к-рой следует.

Nu/Nu0 = Sh*/Sh0, где Nu = a г l/l г - число Нуссельта, l - характерный размер пов-сти И., l г - коэф. Теплопроводности парогазовой смеси, Sh* = bpy г, грl/Dp = bcc г, грl/D - число Шервуда для диффузионной составляющей потока пара, Dp = D/R пT - коэф. Диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления пара. Значения bp и b 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 пов-сти раздела в зависимости от того, к какой движущей силе массообмена отнесен коэф.

B. Ур-ния подобия для Nu и Sh* при И. Включают кроме обычных критериев (чисел Рейнольдса Re, Архимеда Аr, Прандтля Рr 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, т-ры 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 т-р и концентраций, влияние дополнит. Аргументов в ур-ниях 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 т-ры. 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 кол-во испаряющейся жидкости увеличивается с возрастанием пов-сти контакта жидкой и газовой фаз, поэтому конструкции аппаратов, в к-рых происходит И., предусматривают увеличение пов-сти И. Путем создания большого зеркала жидкости, раздробления ее на струи и капли или образования тонких пленок, стекающих по пов-сти насадок. Возрастание интенсивности тепло- и массообмена при И.

Достигается также повышением скорости газовой среды относительно пов-сти жидкости. Однако увеличение этой скорости не должно приводить к чрезмерному уносу жидкости газовой средой и значит. Повышению гидравлич. Сопротивления аппарата. И. Широко применяется в пром. Практике для очистки в-в, 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. .