В вакуумной технике важно знать, как меняется температура кипения воды и сколько энергии нужно для её испарения при разном давлении.

Зачем?

Вода кипит в вакууме при более низкой температуре

Чем ниже давление, тем ниже температура кипения.

• При обычном давлении (1 атм. или 760 мм рт. ст.)  ) вода кипит при 100°C.
• В вакууме (например, при низком давлении) — может кипеть даже при комнатной температуре.

В вакууме температура кипения существенно снижается:

• 100 мм рт. ст. → ~52°C.
• 10 мм рт. ст. → ~11°C.
• 1 мм рт. ст. → происходит сублимация льда (~-20°C).

Где это применяется?

• Вакуумная сушка. Например, лиофилизация в пищевой промышленности или фармацевтике.
• Вакуумные насосы (чтобы пары воды не мешали работе).

Почему это важно

Если давление паров воды на входе насоса слишком большое:

• Вода начнёт конденсироваться внутри насоса (особенно в масляных насосах).
• Масло насоса смешается с водой, ухудшится смазка и вакуумные характеристики, что приведёт к заклиниванию. Подробно мы рассматривали этот процесс здесь.

Какое давление паров воды допустимо?

• Зависит от типа насоса, но обычно не больше 15-20 мм рт. ст.
• Например, пластинчато-роторные масляные насосы плохо работают, если давление паров воды выше.
• Водокольцевые насосы переносят пары воды лучше, но тоже имеют ограничения. Их КПД падает при работе с парами.

Что делать, если паров воды много?

• Ставить холодную ловушку (фильтр-охладитель) перед насосом. Пар конденсируется в лёд/воду и не заходит в насос.

Если ты делаешь что-то с водой в вакууме, нужно знать:

• При каком давлении она закипит? Чтобы контролировать процесс. В некоторых случаях, кипение крайне нежелательно так как вызывает разбрызгивание материала. И иногда, материал достаточно дорог. Для контролируемого снижения давления применяются шкафы с автоматическим регулированием вакуума. Особенностью данного оборудования является возможность работы по связанному термофилю вакуум/температура. При необходимости, давление может дополнительно стабилизироваться подачей инертного газа.

Читайте в нашем блоге — Сушка в вакууме пастообразных продуктов.

Сколько энергии заберёт испарение? Чтобы правильно подобрать оборудование. Иногда, это требует дополнительных технических мер по компенсации отбора тепла. Подробнее, читайте в нашем блоге.

Удельная теплота парообразования растёт при снижении давления:

• При 760 мм рт. ст. — 2257 кДж/кг.
• При 10 мм рт. ст. — ~2480 кДж/кг.

Для расчёта мощности нагревателей это необходимо учитывать.

Рекомендации

Для точных расчётов используйте:

• Таблицы насыщенных паров воды (смотри ниже) ↓
• Уравнение Антуана (информации много, в данном случае, не приводим)

Неправильный учёт этих параметров может привести к:

• Неэффективному испарению (очень долго)
• Преждевременному кипению (разбрызгивание содержимого)
• Повреждению дорогостоящего оборудования (есть вероятность уничтожить дорогой насос)

Литература:

• А. Г. Морачевский, Н. А. Смирнова, Е. М. Пиотровская и др. Термодинамика равновесия жидкость-пар. — Л.: Химия, 1989. — 344 с. — 3020 экз. — ISBN 5-7245-0363-8.
• Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980. – 424 с.

Представлена информация о зависимости удельной теплоты парообразования воды (r) и температуры кипения воды (tкип) от давления.

Источник:

Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980. – 424 с.