Перегретая вода в открытом сосуде

Интродуцион.

«Айн унд цванцих, фир унд фирцих!», что в переводе с греческого обозначает, что имеем, тем и греем.

Пошли слухи, что некоторые на Западе стали греть парные перегретым паром и этим гордятся.

Хочу разъяснить свою точку зрения по поводу: каким паром греть парную и изложить аргументы о том как воздействуют два вида пара на окружение парной Русской бани. Начнем изучать свойства пара, применительно к Русской бане.

1 Я самый умный Пар – это наше фсе!

Насыщенный пар

Если нагревать воду в открытом сосуде, то температура ее будет постепенно повышаться, пока не достигнет примерно 100 С, после этого дальнейшее повышение температуры прекращается и начинается кипение воды, то есть бурный переход ее в парообразное состояние. Температура воды во время кипения остается одной и той же, так же как температура получающегося над водой пара; она равна точно 100 С при нормальном атмосферном давлении, равном давлению ртутного столба 760 мм высотой.

Когда температура воды приближается к точке кипения, некоторые молекулы получают достаточное количество

кинетической энергии для достижения скоростей, которые позволяют им на мгновение отделиться от жидкости в пространстве над поверхностью, прежде чем вернуться. Дальнейшее нагревание вызывает большее возбуждение и число молекул, желающих покинуть жидкость, увеличивается. При атмосферном давлении температура насыщения составляет 100 °С.

Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости. В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (т. е. давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением. Таким образом, кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению.

Температура пара над водой, из которой он получается, всегда равна температуре этой воды. Получающийся над водой пар называется насыщенный.

Свойства насыщенного пара

Насыщенный пар обладает тем свойством, что при самом незначительном отнятии теплоты часть пара обращается в воду (конденсируется); вода в виде мельчайших капелек удерживается в паре. Таким образом, практически мы всегда имеем смесь сухого пара и воды (конденсата); такой пар называется влажный насыщенный пар.

Одно из свойств насыщенного пара заключается в том, что при определенном давлении он имеет соответствующие этому давлению температуру, теплосодержание и плотность.

Состав влажного пара принято выражать в весовых частях пара и воды. Вес сухого пара в 1 кг влажного пара называется паросодержанием или степенью сухости и обозначается буковой «х». Значение «х» обычно дают в сотых долях.

Таким образом, если говорят, что у пара «х»=0,95, то это значит, что во влажном паре содержится по весу 95% сухого пара и 5% воды. При «х»=1 насыщенный пар носит название сухого насыщенного пара.

Один килограмм воды при своем испарении дает один килограмм пара; объем получающегося пара зависит от его давления, а следовательно, и от температуры. В противоположность воде, которая по сравнению с газами почти несжимаема, пар может сжиматься и расширяться в очень широких пределах.

Удельный объем, то есть объем 1 кг пара, при давлении 1 атм для сухого насыщенного пара равен 1,425 м3, то есть в 1725 раз больше объема 1 килограмма воды.

Энтальпия пара (теплосодержание) – практически определяется как количество тепла, которое нужно для поучения 1 кг пара данного состояния из 1 кг воды при 00 С, если нагрев происходит при постоянном давлении.

Понятно, что при одной и той же температуре энтальпии пара значительно больше, чем энтальпия воды. Для того чтобы нагреть 1 кг воды от 0 до 100 С, нужно затратить приблизительно 100 ккал тепла, так как теплоемкость воды равна приблизительно единице. Для того же, чтобы превратить эту воду в сухой насыщенный пар, нужно сообщить воде добавочно значительное количество теплоты, которое расходуется на преодоление внутренних сил сцепления между молекулами воды при переходе ее из жидкого состояния в парообразное и на совершение внешней работы расширения пара от начального объема v/ (объем воды) до объема v/ (объема пара).

Это добавочное количество теплоты называется теплота парообразования.

Одновременно с испарением происходит обратный процесс — переход части хаотически движущихся молекул пара в жидкость. Этот процесс называют конденсацией. Если сосуд открытый, то покинувшие жидкость молекулы могут и не возвратиться в жидкость. В этих случаях испарение не компенсируется конденсацией и количество жидкости уменьшается. Когда поток воздуха над сосудом уносит образовавшиеся пары, жидкость испаряется быстрее, так как у молекулы пара уменьшается возможность вновь вернуться в жидкость.

Насыщенный пар высвобождает скрытую теплоту при постоянной температуре, которая равна теплоте парообразования.

Выводы по насыщенному пару:

1. Насыщенный пар при соприкосновении с холодными стенами либо воздухом конденсируется и отдает тепло конденсации предмету на котором он конденсируется.
2. Насыщенный пар обладает энергией только фазового перехода и небольшой отбор энергии пара превращает его в воду.
3. Насыщенный пар высвобождает скрытую теплоту при постоянной температуре. Постоянная температура на всей площади, разделяющей источник теплоты и нагреваемую среду, сохраняется на всем периоде конденсации (фазового перехода), если конденсат устойчиво отводится, не допуская обводнения парового пространства.
4. Свойства некрашеной древесины как раз и создают условия отвода влаги, путем ее впитывания по капиллярам внутрь дерева. Пленка воды в этом случае на поверхности дерева не создается достаточно долгое время, до определенного уровня напитывания капилляров дерева. Новые порции конденсирующегося пара передают тепло конденсации древесине. А впитывающаяся в древесину горячая вода, прогревает древесину в глубину.

   По этой причине не нужно в парной красить древесину, иначе, она превращается в пластмассу.

   Перегретый пар

   Если насыщенный пар отвести от поверхности испарения воды в котле и продолжать нагревать его отдельно, то температура пара будет подниматься и объем его увеличиваться.

   Энтальпия перегретого пара превышает энтальпию сухого насыщенного пара того же давления на величину, выражающую собой количество теплоты, дополнительно сообщенное пару при перегреве.

   Перегревая пар, мы сообщаем ему дополнительную теплоту, то есть увеличиваем начальную энтальпию. Кроме того, перегретый пар при движении в паропроводах не конденсируется в воду, так как конденсация может начаться только с момента, когда температура перегретого пара понизиться на столько, что он перейдет в насыщенное состояние.

Перегретый пар любого давления способен испарять воду из материала, пока не станет насыщенным. Именно это свойство пара используется для сушки материала как в цилиндрах под избыточным давлением и в камерах при атмосферном давлении, так и на открытом воздухе.

1. 
   Если при постоянном давлении охлаждать безотносительно чистый перегретый пар или в смеси с воздухом, при температуре точки росы пар станет сухим насыщенным, а при дальнейшем охлаждении часть его превратится в воду в виде росы или взвешенных капелек воды диаметром 1—10 мкм.

   Наличие в паре воздуха или какого-либо другого неконденсирующегося газа приводит к значительному снижению коэффициента теплоотдачи при конденсации. Примесь газа ухудшает теплоотдачу хотя бы потому, что, согласно закону Дальтона, она уменьшает давление насыщения пара и тем самым используемую разность температур.

   Кроме того, следует иметь в виду, что воздух или другой газ не конденсируется, а скапливается у стенки и препятствует доступу пара к ней. Пар в этом случае должен диффундировать через слой неконденсирующегося газа у поверхности конденсации.

   Логично предположить, что конденсируясь, перегретый пар передает конденсату теплоту парообразования и теплоту перегрева. Но наблюдения показывают, что в этом случае, при той же температуре стенки и том же давлении, теплоотдача для перегретого пара лишь немногим выше (около 3 %), чем для насыщенного пара. Следовательно, степень перегрева пара играет очень незначительную роль (Циборовский Я. Процессы химической технологии, стр. 471).

   Следует сказать, что процессы конденсации перегретого пара мало изучены

   Выводы по перегретому пару:

   1. Чтобы передать тепло конденсации отделке парной, перегретый пар должен пройти следующие фазы:

      – остыть до сухого насыщенного;

      – пройти процесс конденсации из сухого насыщенного до превращения в конденсат (воду).

   2. Перегретый пар, пока не остынет до насыщенного, испаряет воду с поверхности. Испарение – это процесс охлаждения поверхности. Получается, что перегретый пар до превращения в насыщенный, охлаждает поверхность соприкосновения.
   3. В сухом остатке, теплоотдача для перегретого пара лишь немногим выше (около 3 %), чем для насыщенного пара.

      Для чего я все это изложил? Чтобы подвести к правильному пониманию, какой пар должна генерировать печь, для эффективного прогрева парной.

      Окончательные выводы о качестве пара при прогреве банного помещения:

      Из изложенного выше, следует то, что парную нужно прогревать насыщенным паром.

      Аргументы за:

   1. Насыщенный пар, соприкасаясь с отделкой парилки, конденсируется и отдает тепло конденсации поверхности на которой он конденсируется. В случае с некрашеным деревом, влага впитывается и прогревает его глубинно. В этом случае водяная пленка, препятствующая теплообмену не создается, конденсат считается капельным. В случае с керамическим стенами, насыщенный пар конденсируется и отдаёт теплоту конденсации, при этом влага стекает на пол. При наличии на керамике пленки из воды, конденсируясь, нагревает пленку воды, которая в свою очередь прогревает керамику, но уже с потерей части энергии. Получается прогрев тела погруженного в нагретую воду.
   2. Перегретый пар перед тем, как отдаст теплоту конденсации поверхности, должен пройти несколько стадий:

      – остыть до насыщенного пара,

      – конденсироваться на поверхности и передать тепло конденсации.

      При это