Способы конденсации водяного пара

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

Способ конденсирования водяного пара

Способ может быть использован в энергетике и других отраслях промышленности, применяющих двухфазные среды «водяной пар-вода» и фазовые переходы «водяной пар — жидкость», и позволяет сохранить тепло конденсации в цикле теплосиловой установки. Способ осуществляют путем подачи пара в конденсатор, где на него воздействуют электрическим разрядом и/или ионизирующим облучением с одновременным и/или последующим воздействием постоянным магнитным полем, пропуская между полюсами магнитов, и/или через футеровку, и/или профили из керамики, размещенные в конденсаторе. Часть тепла пара можно отводить до подачи пара в конденсатор, например, охлаждающей водой. Перед удалением из конденсатора можно отводить от несконденсировавшейся части пара тепло путем передачи его охлаждающей воде. Способ позволяет сконденсировать пар при его температуре на входе в конденсатор, сохраняя при этом теплоту конденсации пара. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в других отраслях промышленности, применяющих двухфазные среды «водяной пар — вода» и фазовые переходы «водяной пар — жидкость».

Широко известен способ конденсирования пара, описанный, например, в книге Ю. А. Клушина «Тепловые электрические станции». — М.: Энергоиздат, 1982, с. 80-81. Этот способ включает подачу в конденсатор водяного пара и воздействие на пар посредством отвода от него тепла путем передачи тепла охлаждающей воде, циркулирующей по трубкам конденсатора, и удаление конденсата из конденсатора.

Охлаждающая вода при этом нагревается на 8-10 o С, а температура конденсата на выходе из конденсатора составляет 26-37 o С. Для охлаждения одной тонны пара необходимо прокачать через конденсатор 50-60 т охлаждающей воды. При этом теряется тепло конденсации пара 540 ккал/кг. Это тепло выводится из цикла теплосиловой установки и бесполезно теряется.

Ближайшим аналогом изобретения является способ конденсирования водяного пара, описанный в авт. св. СССР 1677483, МПК F 28 F 13/18, опубл. 15.09.91. Он предусматривает подачу в конденсатор водяного пара, воздействие на него и удаление конденсата из конденсатора. Воздействие на пар осуществляют посредством отвода от него тепла путем передачи тепла охлаждающей воде через теплообменную поверхность конденсатора и дополнительное воздействие осуществляют созданием коронного разряда между электродами и теплообменной поверхностью. При этом величину тока коронного разряда через каждый электрод поддерживают в диапазоне 1,7510 -3 I/H2,510_-3, где J — ток; Н — расстояние от электродов до теплообменной поверхности.

Известный способ позволяет интенсифицировать теплообмен при конденсировании водяного пара, но не сохраняет тепло конденсации в цикле теплосиловой установки.

В основу изобретения положена задача создания такого способа конденсирования пара, чтобы тепло его конденсации сохранялось в цикле теплосиловой установки.

Технический результат — сохранение тепла конденсации.

Для достижения этого результата в способе конденсирования водяного пара, включающем подачу водяного пара в конденсатор, воздействие на него и отвод конденсата из конденсатора, в соответствии с изобретением на водяной пар воздействуют электрическим разрядом и/или ионизирующим излучением с одновременным и/или с последующим воздействием на него постоянного магнитного поля, и/или постоянного магнитного поля футеровки, и/или профилей из керамики, установленных в конденсаторе.

Кроме того, при воздействии на водяной пар постоянным магнитным полем дополнительно воздействуют на него постоянным магнитным полем футеровки из керамики и/или профилей из керамики, установленных в конденсаторе.

Кроме того, до подачи водяного пара в конденсатор можно осуществлять отвод от него части тепла.

Помимо этого, можно осуществлять конденсирование несконденсировавшейся части водяного пара перед удалением из конденсатора путем отвода от него тепла.

Воздействие электрического разряда (например, электродугового, ВЧ-разряда СВЧ-разряда) и/или ионизирующего излучения (например, лазерного, электронной пушки) вызывает флуктуации в системе парового потока. Как показано в книге Антонченко В.Я. «Микроскопическая теория воды в порах мембран» (Киев: Наукова думка, 1983), это вызывает асимметрию пространственного распределения заряда и образование ионов гидроксония (Н₃O) + и гидроксила (ОН) — .

Когда степень флуктуации паровой системы достигнет критического значения, то в точке бифуркации возможно образование заряженных кластеров. Характерная особенность таких систем — наличие протона с высокой подвижностью. Масс-спектральные исследования показали, что в парах чистой воды наиболее устойчивые кластеры состоят из 21 молекулы Н₂О. Каждый кластер имеет заряд 1 и, так как в конденсаторе всегда используют очищенную воду, то кластеры через свои заряды связываются с ионами (Н₃О) + и (ОН) — (Ваrkеr J.А., Wаtts Р. О. Struсturе оf Моntе Саrlо саlсylаtion сhеmistrу рhуsics/Lеttеrs, 1969, Nо.3, с. 144-145).

Воздействие магнитного поля на систему кластеров приводит к образованию микрокапель, состоящих из нескольких кластеров, возбуждает в них протонные кольцевые токи. Размер микрокапель достаточно велик для того, чтобы интенсивность излучения протона при его движении по поверхности микрокапель не оказывала бы заметного влияния на скорость его торможения, что обеспечивает устойчивость структуры микрокапель. Так как подвижность протона высока, то такой кольцевой ток будет существовать достаточно долгое время.

Таким образом, образуются заряженные микрокапли, каждая из которых обладает магнитным моментом. Если рассматривать такую систему частиц, то она в свою очередь может образовать каплю, составными частями которой являются микрокапли. Такая система может существовать в метастабильном состоянии. Время ее жизни будет определяться, с одной стороны, процессом излучения протонов, движение которых осуществляется по поверхности микрокапель, с другой — процессом рекомбинации ионов гидроксония и гидроксила в различных микрокаплях. Воздействие постоянного магнитного поля повышает устойчивость такой системы. Кроме того, и кластеры, и микрокапли служат центрами конденсации.

Для удержания капли в метастабильном состоянии на нее можно воздействовать также постоянными магнитными полями различных керамик, например на основе Al₂O₃, СаО, MgO и т.д. (в виде поверхностного воздействия), которые имеют достаточно большую напряженность магнитных полей. Это может быть постоянное магнитное поле футеровки из керамики конденсатора и/или профилей из керамики, установленных в нем.

Таким образом, вследствие возникающих флуктуации система «пар-вода» переходит в нелинейную область и в точке бифуркации образуются кластеры с водородной связью, а затем при воздействии магнитного поля кольцевые токи в кластерах возрастают, вследствие чего микрокапли объединяются в каплю, и пар конденсируется. При этом уменьшается энтропия системы. Температура остается прежней, т. е. сохраняется тепло конденсации. Кластеры и микрокапли также являются центрами конденсации.

Отвод части тепла до подачи пара в конденсатор позволяет снизить кинетическую энергию молекул пара и уменьшить расстояние между молекулами, что в дальнейшем облегчает конденсацию пара.

В случае, когда часть пара может остаться несконденсированной, отвод тепла от него, например путем передачи тепла циркулирующей воде, позволит его сконденсировать.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 схематично изображена установка для конденсирования пара; на фиг. 2, 3, 5, 6 — установка, продольный разрез, варианты; на фиг.4 — сечение А-А фиг.3; на фиг.7 — сечение Б-Б фиг.6.

Способ осуществляют следующим образом.

Водяной пар из турбины поступает через патрубок 1 в конденсатор 2 с температурой 100-120 o С при давлении 0,03-0,1 атм. Пар проходит между двумя электродами 3 и 4, где на него воздействуют электрическим разрядом с напряженностью не менее 10 8 В/см. Затем на поток пара, в котором произошло образование ионов гидроксония (Н₃О) + и гидроксила(ОН) — в количестве приблизительно 1-5% от общего количества молекул и произошло образование кластеров, воздействуют постоянным магнитным полем, пропуская между полюсами постоянного магнита 5, 6. Конденсат удаляют из конденсатора через патрубок 7 с температурой 100-120 o С. В других вариантах осуществления на него воздействуют также магнитным полем футеровки 8 из тугоплавкой керамики (фиг.2) или магнитным полем профилей из керамики 9 (фиг.3, 4), размещенной в конденсаторе. Часть тепла можно отводить от потока пара до подачи в конденсатор путем передачи тепла охлаждающей воде, которая циркулирует в трубопроводах 10. Температура пара при этом на входе в конденсатор понижается на 10-20 o С, соответственно будет ниже и температура конденсата на выходе из конденсатора (фиг.2). В случае, когда часть пара может не сконденсироваться после воздействия постоянным магнитным полем перед выходом из конденсатора тепло отводят от этой части пара путем передачи тепла воде, циркулирующей в трубопроводах 11 (фиг.5).

Температура конденсата при этом понижается, но так как масса несконденсировавшегося пара незначительна, то температура конденсата понижается незначительно, и соответственно потери тепла конденсации тоже незначительны.

В еще одном варианте (фиг.6, 7) осуществления способа на водяной пар, проходящий между двумя электродами 3 и 4, воздействуют электрическим разрядом и одновременно постоянным магнитным полем посредством постоянного магнита (полюса магнита 12, 13). В пространстве конденсатора происходит одновременное образование ионов гидроксония и гидроксила, образование кластеров и микрокапель. Далее на поток продолжают воздействовать постоянным магнитным полем, пропуская его между полюсами постоянного магнита 5, 6, что ускоряет и усиливает процесс конденсации. Конденсат удаляют из конденсатора через патрубок 7 с температурой 100-120 o С.

1. Способ конденсирования водяного пара путем подачи водяного пара в конденсатор, воздействия на него и удаления конденсата из конденсатора, отличающийся тем, что на водяной пар воздействуют электрическим разрядом и/или ионизирующим излучением с одновременным и/или с последующим воздействием на него постоянного магнитного поля, и/или постоянного магнитного поля футеровки, и/или постоянного магнитного поля профилей из керамики, установленных в конденсаторе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при воздействии постоянного магнитного поля дополнительно воздействуют на пар постоянным магнитным полем футеровки и/или профилей из керамики, установленных в конденсаторе.

3. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что до подачи водяного пара в конденсатор осуществляют отвод от него части тепла.

4. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что перед удалением из конденсатора осуществляют конденсирование несконденсировавшейся части водяного пара путем отвода от него тепла.

Источник