Испарение воды

Теория

Испаре́ние — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твёрдой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.

Парообразование в объёме жидкости — это кипение. Обычно под испарением понимают парообразование на свободной поверхности жидкости в результате теплового движения её молекул при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетической энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются.

Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Удельную теплоту испарения относят к 1 молю жидкости (молярная теплота испарения, Дж/моль) или к единице её массы (массовая теплота испарения, Дж/кг). Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара jп, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [в моль/(с•м2) или кг/(с•м2)]. Наибольшее значение jп достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды испарение 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 основной массе парогазовой смеси.

Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества. Проще говоря, при ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого стакана оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.

Практика

И вот теория вся изложена и сейчас стоит перейти к практике. Зачем? (подумают многие). Я отвечу из личного опыта крайне часто возникают подобные (описанному ниже ) случаи в практике прудостроителей. Мы заключаем контракт на строительство водоёма , строим его усердно,вообщем из всех сил (но кто-то может здесь проколоться в прямом и переносном смысле, но это уже другая история). Завершаем строительство, набираем воду, запускаем насосы, тестируем водоём и сдаём его в эксплуатацию Заказчику. Но вдруг происходит следующее через 2 недели звонок от Заказчика и куча упрёков, и непонимания, и неодобрения от того, что вода в водоёме упала на 10-15-20 см. (согласитесь, что это бывало почти с каждым). И вы чтобы не ударить в грязь лицом и не запачкать горячолюбимый лейбл не менее любимой компании мчитесь к Заказчику. По причине того ,что (по словам Заказчика): это немыслимо? чтобы столько воды куда-то делось, это, несомненно, брак и надо что-то с этим делать. Вот такая щекотливая ситуация. И что дальше? А дальше я в этом случае привожу следующий расчёт (ведь против точных математических расчётов никуда не попрёшь), где чётко посчитано то количество воды, которое испарилось только с поверхности воды.

Количество испаряющейся с поверхности воды в основном зависит от температуры наружного воздуха, его влажности, средней скорости ветра и определяется приближенно по формуле:

Н_исп=11,6 ∙(E1-e₀ )∙ B∙ t, (1)

где:

Н_исп - слой испарения в водной чаше за месяц в мм;

11,6 - коэффициент учитывающий удельную всасывающую атмосферы в мм/мбмес.;

E1 - максимальная упругость водяных паров при заданной температуре поверхности воды (определяется по табл.1) в мб;

e₀ - парциальное давление водяного пара в воздухе(определяется по форм.2) в мб;

В - коэффициент учитывающий силу ветра, В=1+0.134Vв;

V_в - средняя скорость ветра в м/с (за месяц);

t - расчетное время испарения , измеряется в месяцах.

Парциальное давление водяного пара в воздухе определяется по формуле:

e₀=μ E1/100, (2)

где: μ - относительная влажность воздуха в %.

Если в системе оборотного водоснабжения предусматривается очистка воды на песчаном фильтре, то необходимо также учитывать расход воды на промывку зернистой загрузки фильтра, который может быть принят в пределах 2% от суточной производительности фильтра.

Пример расчета потерь воды на испарение

Средняя скорость ветра V_в =7 м/с, средняя относительная влажность воздуха в летний период составляет μ =75%, температура воды 18 и 22°С, при расчетах необходимо учитывать размерность (1мб=100Па). Таким образом, парциальное давление по формуле (2) равно:

e₀(18°С) = 75 ∙20,654/100=15,491 мб;

e₀(22°С) = 75 ∙26,460/100=19,845 мб;

Подставляем значение парциального давления e0 в формулу (1) и находим слой испарения воды за месяц:

Н_исп (18°С) =11,6∙ (20,654-15,491)∙ (1+0,134∙7)∙ 1= 116 мм.

Н_исп (22°С) =11,6∙ (26,460-19,845)∙ (1+0,134∙7)∙ 1= 149 мм.

Т,°С	Е₁, Па	Т,°С	Е₁, Па	Т,°С	Е₁, Па	Т,°С	Е₁, Па
6	873,1	11	1313,5	16	1819,4	21	2488,9
7	1002,6	12	1403,4	17	1939,0	22	2646,0
8	1073,5	13	1498,7	18	2065,4	23	2811,7
9	1148,8	14	1599,6	19	2198,9	24	2986,4
10	1228,7	15	1706,4	20	2340,0	25	3170,6

А далее всё просто, зная площадь водоёма заказчика умножаем его на соответствующий температуре слой испарения и получаем то количество воды, которое испаряется с его водоёма в месяц и делим его на 30 дней- получаем в сутки.

«Да?- скажут многие - всё это приблизительно и неточно». И будут абсолютно правы. Неточно, потому что не учтена ещё куча факторов- транспирация растений в водоёме, разбрызгивание воды при работе каскадов и водопадов, антропогенное воздействие и многое другое. Так что цифра в реальности занижена.

Вывод

Опять-таки из практики. Не пожалейте немного времени и посчитайте для заказчика по приведённой выше формуле то количество воды, которое он будет тратить по независящим от него причинам, вбейте эти цифры в эксплуатационные расходы и сравните с дебетом скважины или водопровода на участке. Нарисуйте полную картину. Если всё устраивает, то возвращайтесь к предложению выше со слов «Мы заключаем контракт на строительство водоёма ….» и творите очередной водный шедевр. Удачи.

П.С.

Не стоит забывать о том, что пресная вода- это исчерпаемый природный источник и его всё меньше и меньше становиться на Земле. И поэтому не за горами то время, когда появится та группа людей, которая и могла бы позволить себе построить водоём , но не сможет наполнят его водой- будет слишком дорого. Но и это не проблема при грамотной планировке и создания систем по принципам водосохранной технологии. А об этом я расскажу чуть позже.